第二十讲 cmos摄像器件和红外焦平面器件

《第二十讲 cmos摄像器件和红外焦平面器件》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、1.3、CMOS摄像器件1990’s，CMOS技术用于图像传感器，其优点结构简单，耗电量是普通CCD的1/3，制造成本比CCD低，可将处理电路等完全集成。1、CMOS像素结构无源像素结构，1967，Weckler无源像素单元具有结构简单、像素填充率高及量子效率比较高的优点。但是，由于传输线电容较大，CMOS无源像素传感器的读出噪声较高，而且随着像素数目增加，读出速率加快，读出噪声变得更大。无源像素型（PPS）和有源像素型（APS）由一反向偏置光敏二极管和一个开关管构成，开关管开启，二极管与垂直列线连通，信号电荷读出。有源

2、像素结构APS（ActivePixelStructure)光电二极管型有源像素（PP－APS）1994，哥伦比亚大学在像元内引入缓冲器或放大器，可改善像元性能，称为有源像素传感器。功耗小，量子效率高。每个像元有3个晶体管。大多数中低性能的应用。光栅型有源像素结构（GP－APS）光栅型有源像素型CMOS每个像素5个晶体管，采用0.25umCMOS工艺允许达到5um像素间距，浮置扩散电容的典型值为10-14F量级，产生20uV/e的增益，读出噪声可达5-20均方根电子。成像质量高。工作过程：光生信号电荷积分在光栅PG下，浮置

3、扩散节点A复位（电压VDD）；然后改变光栅脉冲，收集在光栅下的信号电荷转移到扩散节点。复位电压水平与信号电压水平之差即传感器的输出信号。1997年，东芝公司研制成功640*640像素光敏二极管型CMOSAPS，像素尺寸5.6um*5.6um，具有彩色滤色膜和微透镜阵列。2000年，美国Foveon公司和美国国家半导体公司采用0.18umCMOS工艺研制成功4096*4096像素CMOSAPS，像素尺寸5um*5um，管芯尺寸22mm*22mm，是集成度最高，分辨率最高的CMOS固体摄像器件。微透镜改善低光特性CMOSAP

4、S图像传感器的功耗较小。但与PPS相比，有源像素结构的填充系数小，典型值为20%-30%。像素尺寸减小后低光照下灵敏度迅速降低，采用滤色片和在CMOS上制作微透镜组合以及CMOS工艺的优势，前景好于CCD。外界光照射像素阵列，产生信号电荷，行选通逻辑单元选通相应的行像素单元，单元内信号电荷通过各自所在列总线传输到对应的模拟信号处理器(ASP)及A/D变换器，转换成相应的数字图像信号输出。行选通单元扫描方式：逐行扫描和隔行扫描。隔行扫描可以提高图像的场频，但会降低图像的清晰度。行选通逻辑单元和列选通逻辑单元配合，可以实现图

5、像的窗口提取功能，读出感兴趣窗口内像元的图像信息。2、CMOS摄像器件的总体结构MOS摄像器件的工作原理：ΦY1ΦY2信号输出Y移位寄存器X移位寄存器ΦX1φX2RLEMOS开关光电二极管A/D数字信号输出3、CMOS与CCD器件的比较CCD摄像器件灵敏度高、噪声低、像素面积小难与驱动电路及信号处理电路单片集成，需要使用相对高的工作电压，制造成本比较高CMOS摄像器件集成能力强、体积小、工作电压单一、功耗低、动态范围宽、抗辐射和制造成本低需进一步提高器件的信噪比和灵敏度CMOS与CCD器件的对比CCDvs.CMOSInt

6、egrationPowerConsumptionResolutionImageQualitySpeedCostExcellent20-50mWUpto12MpixBeingimprovedUptothousandsframe/sPoor2-5WUpto14MpixHistoricallybestUsuallyupto100frame/sNikonD100~$2,500Canon300D~$8001.4、红外焦平面器件第三代红外热像技术InfraredFocalPlaneArrays,IRFPA红外热像仪的基本结构红外热

7、像仪的核心----红外焦平面器件克服了主动红外夜视需要依靠人工热辐射，并由此产生容易自我暴露的缺点；•克服了被动微光夜视完全依赖于环境自然光和无光不能成像的缺点;•穿透烟雾和尘埃的能力很强；•目标伪装困难；•远距离、全天候观察；•有很高的温度灵敏度和较高的空间分辨能力热成像技术的优势：由于这类器件工作是一般安放在成像透镜的焦面上，所以它们又被叫做红外焦平面器件（IRFPA）。成像透镜红外焦平面器件结构1、IRFPA的工作条件IRFPA通常工作于1~3um、3~5um和8~12um的红外波段并多数探测300K背景中的目标;

8、红外成像条件是在300K背景中探测温度变化为0.1K的目标;随波长的变长，背景辐射的光子密度增加。由普朗克定律计算出红外波段300K背景的光谱辐射光子密度。通常光子密度高于1013/cm2s的背景称为高背景条件，辐射对比度——背景温度变化1K所引起光子通量变化与整个光子通量的比值，它随波长增长而减小。IRFPA工作条