CMOS图像传感器

CMOS图像传感器（共7篇）

CMOS图像传感器 篇1

10年以前拍照手机盛行，加上便携笔记本电脑和个人电脑监视器配置嵌入式数码相机，促使CMOS图像传感器销售获得巨大增长，2006年登顶，达45亿美元。但随后产品市场走向成熟，制造商激增，图像传感器特别是用于拍照手机的产品供过于求而陷入困境，增速不稳，起伏不定，直至2011年才重新走上增长的道路。当年即比2010年 (45亿美元) 大幅增长了29%而达58亿美元，市调公司IC Insights最近预测，2012年将续增8%，达63亿美元，并在配置照相机的移动设备，诸如触摸屏智能手机、平板电脑以及汽车、医疗设备和安全网络设备等的嵌入式数字图像应用的新一波牵引下，预期到2016年CMOS图像传感器市场将年年增长，届时将达108.8亿美元，2011～2016年5年间的年均增长率高达13.4%，相比于2006～2011年间的5%不可同日而语。

资料来源:IC Insights

到2016年以前，拍照手机尽管增速放缓，但仍是图像传感器的最大应用产品，届时将独占半壁江山，占全体市场的50%，其间增速最快的则是汽车用图像传感器，2016年销售值可达18亿美元，占全体市场的17%，独立数码相机和摄像机应用的CMOS传感器因其不断取代耦合器件图像传感器而特具增长潜力，相反，改进后的拍照手机的市场规模却将相应减少。

5年前当传感器市场成长停滞时，若干制造商曾决定关门或出售他们的业务，但在新应用驱动新的增长后，竞争加剧，供应厂商又一次出现增多。现在世界最大的厂商依次是Omnivision，三星，Sony, ST，东芝，Aptina等，不管是自生产还是请人代工，大多已在应用300mm晶圆。

CMOS图像传感器 篇2

该产品的60fps高帧率 (1080p全分辨率) 可以支持顺畅且无缝地捕获全高清视频图像, 从而能够应用于视频聊天和视频邮件等视频应用的移动设备前置摄像头。该传感器整合了色彩降噪电路, 可实现相当于采用1.4?m像素工艺制造的东芝同等产品的信噪比。

应用:手机、智能手机、平板电脑和个人电脑的摄像头。

新产品的主要功能

●1.12μm像素

●高速帧率:60fps@全分辨率 (1080p)

●采用色彩降噪功能可以使信噪比提高至相当于采用1.4μm像素工艺制造的东芝同等产品的水平。

●主要规格

产品型号:T4K71;

分辨率:1080p;

光学格式:1/7.3英寸;

纵横比:16:9;

像素大小:1.12μm背面照明;

CMOS图像传感器 篇3

近年来, CMOS工艺技术不断提高, CMOS图像传感器的应用也越来越广泛, 从数码产品扩展到工业、医疗、智能安防等领域[1]。CMOS图像传感器与传统电荷耦合设备CCD图像传感器相比, 具有高度灵活性、优异的静态和动态特性、高集成度等优点, 能满足工业、医疗等专业图像抓取应用的需要, 特别在医疗图像领域提供了创新性的解决方案[2]。

现有医疗影像产品主要采用光学成像技术和CCD成像技术, 但是这两项技术成本高、能耗高, 使传统医疗影像产品的应用受到很大限制。目前, 成本因素是医疗影像设备普及推广的最主要制约因素;而且, 成本高易造成产品多次性反复使用, 增大了交叉感染风险。所以, 医疗影像领域亟需低成本、低能耗、高质量的医疗影像产品, CMOS摄像模块 (CMOS camera module, CCM) 技术可有效弥补上述不足。

CMOS图像传感器及其在医疗领域的创新性应用已成为国内外学者的研究热点[3,4,5,6,7,8]。为研制一次性低成本电子内窥镜, CMOS图像传感器专家赛普拉斯利;用CMOS加工技术成功开发小型彩色图像传感器BOCA, 其面积仅有9 mm2, 由512×512个边长为6μm的方形像素组成, 该传感器高达58%的填充因子是其具备高感光度的有力保证。为发展低成本、低功耗、高集成度生物传感器系统, Ji Honghao等设计了基于CMOS图像传感器的有源像素传感器 (APS) 逻辑控制电路, 在此基础上制造微接触成像仪, 成功地应用于细胞检测[5]。Chih-Lin Lee等提出了高集成度、低功率、高分辨率的视觉恢复解决方案, 利用CMOS成像技术实现人工视网膜功能, 其最高分辨率可达4096像素、帧速为19.5帧/秒[6]。

本文首先阐述CMOS图像传感器组成及特点, 在此基础上介绍基于CMOS传感器的电子内窥镜原理、结构, 最后介绍COMS图像传感器在医疗领域的应用, 深入分析利用CMOS图像传感器技术开发的一次性可视腹腔穿刺器和一次性可视人流系统。

1 CMOS 图像传感器

目前, 市场上主流图像传感器包括CCD和CMOS两种。过去30年, CCD广泛应用于图像传感及捕捉, 该类型传感器噪声较低, 可提供良好的图像质量。但是, CCD图像传感器是电荷耦合器件, 需连续将图像数据从一个像素传送到另一个像素, 需要多个工作电压、外部时钟和精密的驱动、选择电路, 功耗大, 占据空间大。因此, CCD图像传感器的性能、灵活性、功耗等方面无法满足医疗器械及产品图像捕捉需求。

CMOS图像传感器的频谱范围宽、动态范围大、功耗小、供电电压低、电路简单易于集成、图像抓取功能灵活、系统集成度较高等特点, 为电子图像捕捉技术创造了新的应用领域。

CMOS图像传感器是典型的固体成像传感器, 其组成如图1所示, 由像素单元阵列、行选择器、列选择器、时序控制逻辑、A/D转换器、数据总线输出接口、控制接口等部分组成, 通常集成在同一块硅片上。该芯片还可集成其他数字信号处理电路, 如自动曝光量控制、非均匀补偿、白平衡处理、黑电平控制、伽玛校正等, 甚至集成具有可编程功能的DSP器件, 形成图像处理系统。CMOS图像传感器工作过程一般可分为复位、光电转换、积分、读出等。

2 基于 CMOS 传感器的电子内窥镜

电子内窥镜是新一代可视医疗产品, 它将微型图像传感器装在内窥镜顶部代替光学镜头, 通过电缆或光纤传输图像信息。电子内窥镜与光纤内窥镜类似, 有角度调节旋钮、充气及充水孔、钳道孔、吸引孔和活检孔等。图2是普通电子内窥镜的末梢布局图。

CMOS电子内窥镜的工作原理如图3所示, 照明光源通过滤色片, 变成单色光, 单色光通过导光纤维直达电子内窥镜前部, 再通过照明镜头照在受检体的器官粘膜。器官粘膜反射光信号至非球面镜头, 形成受检部位的光图像, CMOS图像传感器接收光图像, 将此光图像转换成电信号, 再由信号线传至视频处理系统, 经信号处理 (去噪、储存、再生) , 显示在监控屏幕上。CMOS电子内窥镜可得到高清晰度图像, 没有视野黑点弊端, 易于获得病变观察区信息。

3 应用实例

CMOS图像传感器具有高分辨率、低噪声、低暗电流等特点, 成为应用越来越广泛的低成本传感器件。在医疗领域, CMOS图像传感器的应用包括电子内窥镜检查、一次性医疗产品监控、“药丸中的相机”等。下面分别介绍一次性可视腹腔穿刺器、一次性可视人流系统2个应用实例。

3.1 一次性可视腹腔穿刺器

在现代腹腔镜手术中, 配套管穿刺是建立腹腔镜观察通道及手术器械通道不可或缺的步骤。一次性可视腹腔穿刺器, 包括穿刺套管、内置摄像模组及光源穿刺针。在光源的照明下, CMOS摄像模组可以从穿刺针透明罩顶部将穿刺头进入腹腔过程的图像传输到显示装置, 即穿刺的过程及穿刺针进入腹腔的状况可以直观地从显示装置中观察, 也可与医院的腹腔镜工作站配套使用。该腹腔穿刺器为一次性使用, 避免交叉感染, 保证使用的安全性。图4是一次性可视腹腔穿刺器。

3.2 一次性可视人流系统

人工流产又称人流, 是指用手术方式终止妊娠。手术方法包括钳刮术和负压吸引术等, 前者是用卵圆钳将子宫内的胚胎组织夹出来, 对女性伤害较大;后者是用一根中空吸管利用负压将子宫内的胚胎吸出来, 该方法操作简便, 手术时间短, 流产效果好。但是, 由于负压吸引术是盲吸, 易造成疼痛、术时子宫出血、子宫穿孔、宫颈裂伤等, 同时由于使用负压, 易使蜕膜组织随血液逆流入腹腔, 而造成子宫内膜异位症。

传统负压吸引术无法在可视条件下观察术中情况, 需要一种可视装置的辅助, 以降低手术风险。目前有一种超导可视无痛人流术, 在B超准确定位和先进麻醉技术下, 进行负压吸宫术, 比传统负压吸引术更准确, 可减少痛楚, 对子宫内膜损伤小, 有效避免漏吸及其它并发症的发生。但由于采用体外B超定位, 该方法有一定局限性, 对于早孕或宫腔异位等情况的患者并不适用。

一次性可视人流系统整体设计如图5所示。一次性吸引头前端安装CMOS图像传感器 (如图6所示) , 可用于实时监视术中情况。CMOS图像传感器采集图像信息, 通过柔性线路板 (FPC) 信号线将信息传送到后端工作台显示, 工作台可以是具有显示、打印功能的标准式配置, 也可以是仅有显示功能的轻巧便携式配置。FPC信号线通过图7所示双腔管中一个腔体连接到工作台, 吸引信道在双腔体另外一个腔体中, 以满足医疗器械标准的要求。

通过一次性可视人流系统, 医生在可视情况下对患者实施人流手术。通过吸管前端的CMOS图像传感器, 可顺利寻找附着在子宫内壁上的孕囊及蜕变组织, 在明确位置进行吸引操作, 无需大面积刮宫, 损伤仅为微创, 手术更为快捷、安全, 降低医患风险。同时, 由于可视功能辅助, 从根本上降低了对医生手术技能要求。

本系统的吸引头选用符合医疗器械标准的塑料材质, 价格低廉, CMOS图像传感器成本也较低, 可实现一次性吸引头产品设计, 从根本上杜绝二次感染的发生。

传统内窥镜式人流系统工作台, 需配备一台CCD影像处理系统和一台内窥镜冷光源系统, 整套系统笨重且连接不便。本一次性可视人流系统与其相比, 降低了成本、能耗, 操作简便。

4 结语

1) CMOS图像传感器具有高分辨率、高集成度、功耗小和低成本等优势, 在医疗器械专业图像传感领域得到越来越广泛和深入的应用, 能够为客户提供多功能可视产品技术解决方案。

2) 基于CMOS传感器的电子内窥镜直接从位于内窥镜顶部的微型CMOS图像传感器采集图像信息, 经传输处理后获得高清晰度图像, 更易观察和获得病变区信息。

3) 采用CMOS图像传感器的一次性可视医疗产品, 增加了手术过程的可视性, 达到直观、安全、快捷的效果;同时可避免多次使用的交叉感染, 保证使用的安全性。

参考文献

[1]周计.CMOS图像匹配传感器及应用研究[D].广州:华南理工大学, 2013.

[2]王旭东, 叶玉堂.CMOS与CCD图像传感器的比较研究和发展趋势[J].电子设计工程, 2010, 18 (11) :178-181.

[3]刘桂雄, 李夏妮.机器人光纤接近觉复合传感器解耦新方法[J].华南理工大学学报:自然科学版, 2006, 34 (7) :21-25.

[4]范赐恩, 陈曦, 张立国, 等.双CMOS成像系统中运动模糊图像的复原[J].光学精密工程, 2012, 20 (6) :1389-1396.

[5]Ji Honghao, Abshire P A, Urdaneta M, et al.CMOS contact imager for monitoring cultured cells[C].Circuits and Systems Conference, 2005:3491-3494.

[6]Lee Chih-Lin, Hsieh Chih-Cheng.A 0.8V 64×64 CMOS imager with integrated sense-and-stimulus pixel for artificial retina applications[C].Solid State Circuits Conference, 2011:193-196.

[7]Joung Hyou-Arm, Hong Dong-Gu, Kim Min-Gon.A high sensitivity chemiluminescence-based CMOS image biosensor for the detection of human interleukin 5 (IL-5) [C].Sensors, 2012 IEEE, 2012, 16 (11) :1-3.

CMOS图像传感器 篇4

1 LUPA4000图像传感器

LUPA4000是Cypress公司生产的一款400万像素的CMOS面阵图像传感器,凭借着其在读出速度快(66 M/s)、功耗低(不高于200 mW)、空间应用的可靠性好(能够在强辐射环境中工作)等方面的优势,LUPA4000主要用于天文观测等领域中发挥着其绝对的优势[3];此外,他还广泛应用于机器视觉以及医疗影像中。在不开窗口的情况下速度可以达到15 f/s;片上集成了2块A/D转换器用来提高像素的读出速度是其又一显著特点;同时,LUPA4000又提供了开窗口模式用以提高读出的速度,所谓开窗口模式是指LUPA4000可以通过对SPI(SPI下文有介绍)可编程特性任意改变他的读出阵列大小。在特定情况下LUPA4000的另一个优越性体现在他可以进行双斜率积分实现对第一次积分的补偿;美中不足的是LUPA4000是一款单色的传感器芯片[4]。这里用图1来说明他的工作原理:

从图1上可以看到,LUPA4000主要有以下几个部分组成:一个像素阵列单元、X方向寻址寄存器以及2个Y方向的寻址寄存器(图上画了1个)、SPI(Serial-Parallel-Interface)列信号放大器等。采用同步快门工作模式,其具体的工作流程主要分为3个步骤:

(1) 在图像传感器工作之前,首先应上载SPI;SPI俗称内部寄存器,他决定了图像传感器的读出方向以及是否进行开窗口读出等;上载结束之后,会输出一个eos_spi信号意味着寄存器上载完成。

(2) 上载结束之后,图像传感器就可以正常工作。当图像传感器接受到外界的光信号之后,光积分区域便由reset,mem_hl,precharge,sample四个信号控制,实现光电转换,然后把电信号储存到每个像素单元里;

(3) 积分结束之后,就进行信号的处理与读出,这是工作最重要的部分,这些环节由sync_y,clock_y,norowsel,pre_co,sh_co,sync_x,clock_x控制。

sync_y信号高电平的到来意味着1帧图像开始读出;clock_y信号为高电平时则意味着1行像素开始读出。当1行像素读出时,会有1个行开头时间(ROT),由norowsel,pre_co,sh_co三个信号来控制,这个时间时为了确保输出数据的稳定性,原则上说,ROT越短越好;然后sync_x为高电平的时候,开始行读出,行读出由信号clock_x控制,clock_x时一个66 MHz的周期信号,每个周期读出2个像素;如此反复,当读完最后一行的时候,会输出一个eos_y信号,意味着1帧读出的结束。这就构成了一个循环。

2 时序的设计

根据上面的叙述,就可以清楚LUPA4000的基本工作原理。在具体的时序设计过程中,采用自顶向下(top-down)的设计方法,产生这些数字信号。所谓自顶向下的设计是从系统级开始,把系统划分为若干个基本单元,然后再把每个基本单元划分为下一层次的基本单元,直到可以直接用基本元件实现为止。自顶向下的设计方法方便从系统级划分和管理整个项目,使得复杂数字电路的设计成为可能,并且可以减少设计人员,避免不必要的重复设计。

为了能让其正常工作,需用1块CPLD或者FPGA,通过VHDL语言产生出上述所需要的信号,然后将其送给LUPA4000。可以根据上述所分析的LUPA4000工作的3个阶段,通过有限状态机(state machine)产生具体的信号。状态机是由状态寄存器和组合逻辑电路构成,能够根据控制信号按照预先设定的状态进行状态转移,是协调相关信号动作、完成特定操作的控制中心,属于一种时序逻辑电路。通常状态机由3部分组成:当前状态寄存器、下一状态组合逻辑、输出组合逻辑[5]。LUPA4000的具体状态转换如图2所示。

由于LUPA4000所需要的资源不大,故本设计采用1块Altera公司的MAXⅡ系列EPM1270T144C5。本设计使用VHDL语言编写程序代码,利用Altera公司的配套软件QuartusⅡ进行仿真,其具体的仿真结果如图3所示。

其中clk为输入信号,由有源晶振提供;mem_hl,precharge,reset,sample为CPLD输出给LUPA4000的积分信号;sync_y,clock_y,norowsel,re_co,h_co,sync_x,clock_x为读出控制信号。从图3上可以看出,利用状态机来描述时序最显著的特点是:可以避免产生一些毛刺现象。根据手册以及对相关重要信号进行测试分析可以得到,仿真的结果能够满足LUPA4000的信号特性。

3 pcb的设计以及硬件的实现

在系统电路设计中,考虑到小型化,功耗以及升级性和兼容性方面的要求,采用2块电路板通过统一标准接口对接,控制传输板用USB接口与主机连接,采用LDO以及JTAG接口+FPGA作为主要的控制单元的方案。

整个系统按功能和组成分成2个部分,分别制备成2块4层的PCB板。第一部分是前端成像部分,CMOS图像传感器和LDO电源组成,以CMOS图像传感器为核心,加上外围的电阻和电容,以及2个PC104接口,构成前端的电路板;第二部分是后端的时序控制和USB数据采集部分,包括CPLD,JTAG接口和LDO电源和USB传输芯片,构成后端的电路板。这一部分通过PC104接口和与前端相连,输出CMOS图像传感器的控制时序以及USB芯片数据采集的同步时序,进行数据的传输;2个电路板用Protel平台来搭建电路。

按上述方案设计的系统具有以下性能特点:

(1) 图像传感器与电源等器件隔离,受干扰较小,保证了成像质量;

(2) 采用前后分离的2块PCB设计,在不改变前端成像部分的情况下可以适当调整控制电路的设计,具有很大的灵活性;

(3) 采用低成本,高性能的CPLD作为控制部分的核心,降低了设计的成本;

(4) 选择低压差稳压器(Low DropOUT Regulator,LDO)作为供电模块,保证了系统工作的稳定性。其具体的硬件连接图如图4所示。

4 结 语

本设计将传统设计方法和基于芯片的设计方法相结合,采用集成电路及复杂可编程逻辑器件(CPLD)共同实现系统功能,使系统具有集成度高、可靠性好、灵活性强、设计调试方便等特点。本系统用2块电路板完成整体系统的构建,一块用于驱动和控制CMOS图像传感器,以采集连续视频图像;另一块相当于一块USB数据采集卡,将前者采集的图像数据,传输入PC机。这样的设计使得整个系统便于调试,并且接口部分的设计充分考虑了可扩展可更换的要求,便于连接新的模块。

总的来说,该设计包括软件和硬件能够很好的满足LUPA4000的成像需要,实现了对LUPA4000成像系统的一定的开发。从图5可以看到,图像清晰稳定、噪点小,CMOS图像传感器很好的满足了成像的需要。

参考文献

[1]邢汝佳,张伯珩,边川平,等.基于CMOS图像传感器IBIS5-A-1300的时序设计[J].科学技术与工程,2006,21(6):40-44.

[2]曹昕燕.CPLD在CMOS图像传感器驱动电路中的应用[J].仪表技术与传感器,2005(4):43-45.

[3]李丹,尚暖园,宋谦.天文用2 k×2 k高速CMOS相机的研制与测试结果[J].天文研究与技术,2006,3(4):380-386.

[4]Cypress Semiconductor Corporation.4M Pixel CMOS ImageSensor.2007.

CMOS图像传感器 篇5

关键词：自动曝光,对分搜索,CMOS,图像采集

伴随着半导体集成器件的发展,CMOS图像传感器应用领域越来越广[1],尤其是在数码相机、汽车行车记录仪、安防监控等方面。自动曝光的意义在于当外界光线发生变化时,通过调整图像传感器的曝光时间来调节图像的亮度,使其处于标准值的范围内。传统的CMOS图像传感器自动曝光算法有计算法、查表法和迭代法[2]。由于CMOS图像传感器呈像图像的亮度并非和外界光照成线性关系,所以无法建立一个完美的函数来表达图像亮度值和光照关系,所以采用计算法需要系统具有强大的计算能力。查表法是工业用相机自动曝光常采用的一种方法[3,4,5],但需要进行大量的实验测试得到查表数据,且当相机镜头发生变化时,此数据需要进行重新测量。迭代法也是最常用的自动曝光控制算法之一,传统的迭代法计算收敛时间较长,本文研究了一种基于对分搜索的CMOS图像传感器自动曝光控制算法,曝光收敛时间缩小了一半。

1 基于对分搜索的自动曝光算法

1. 1 CMOS 图像传感器输出图像格式

采用图像测光的方法主要是通过图像数据,计算得到图像的亮度信息,从而用亮度信息来代替空间的光照度,对于不同格式的色彩空间,对图片亮度值的计算过程是不一样的,如RGB色彩空间[6],需要先将图像从RGB色彩空间转换到YUV色彩空间,YUV色彩空间中的Y值即为图片的亮度值,由于只需要获取Y值,所以转换时只需要求取Y值即可,转换公式为

CMOS图像传感 器输出的 图像为Bayer格式,如图1所示。

在进行图片测光时,需要先将Bayer格式转换成RGB色彩空间,再将RGB色彩空间转换为YUV色彩空间,从而获得图片的亮度信息。

1. 2 全局测光

根据测光区域的不同,大致可以分为全局测光、点测光和局部测光。局部测光是指在进行测光计算时选取图像的局部数据进行测光,这种方法使得曝光时间随关注目标的亮度值而改变,这种方法在图像为大面积黑色背景的环境中使用较多,如深空环境等[7],且由于其计算量小、测光灵活被广泛应用。点测光由于进一步降低测光算法的计算量,在部分特殊场合就得到应用,但是由于其测光区域小,会造成误测,所以只在部分特殊场合得到应用[8]。全局测光是相机中经常使用的一种测光方式,在正常的拍摄条件下,全局测光根据整幅图像的亮度值来还原拍摄背景的光照度,本文所研究的曝光计算就采用全局测光模式。

1. 3 自动曝光算法

传统的CMOS图像传感器自动曝光算法有计算法、查表法和迭代法[9],由于上述3种方法均无法满足快速自动曝光和算法简单兼具的要求。本文设计了一种基于对分搜索的自动曝光控制算法,算法流程如图2所示。

图2中,Y1为图像亮度值,Y0为目标亮度值,Texp为曝光值。由图2可知在计算曝光时间Texp过程中,根据亮度值差Y的不同,得到的Texp值也不一样,这与传统的等步长曝光时间计算方法是不一样的。

1. 4 算法仿真

采用MATLAB模拟传统算法[10]和本文提出的算法的收敛速度,其对比数据如表1所示,其中初始值为测试图像的归一化亮度值。由表1可知,本文提出的对分搜索法相较传统的变步长的收敛速度快近1倍,本算法经过近10帧图像数据即可完成目标图像的亮度测量以及准确的曝光时间计算,而完成相同的工作传统算法需要近20帧图像数据。受图像传感器自身条件的影响,当目标背景亮度非常小时即使进一步提高曝光时间,图像传感器输出图像的亮度值也不会有所提高。

2 基于 FPGA 的硬件平台的设计

基于FPGA CMOS图像传感器自动曝光控制平台结构如图3所示。

根据需求,本设计选择的FPGA和CMOS图像传感器芯片型号分别为Xilinx的Spartan-6系列FPGA XC6SLX4、镁光MT9T001[11]。

1) FPGA选择

Spartan-6系列的FPFA产品具有突出的优点: 坏机的风险降低、工程期间投入减少、I /O支持超过12 Gbit /s的存储器访问带宽、兼容3. 3 V电压等。该系列器件生产技术采用45 nm共9层金属布线双层氧化工艺,且含有高效双寄存器更包括DSP逻辑片、高速收发器以及PCI Express接口内核。因此选择该系列FPGA XC6SLX4的芯片作为系统的核心器件[12]。

2) CMOS图像传感器

MT9T001是MICRON公司生产的一款CMOS图像传感器,分辨率可以 达到QXGA,有效像素 阵列为2 048 H×1 536 V。可实现片上开窗、行列跳跃像素以及快照功能,曝光时间可以通过I2C总线进行控制[12]。

在完成了系统电路设计的基础上,得到系统的硬件电路如图4所示。

3 自动曝光算法的实现

如图5所示,FPGA软件工作量主要包括: I2C读写时序、MT9 T001数据采集时序、数据缓存控制时序、自动曝光数据处理时序和系统各模块数据交换与控制时序。

3. 1 I2C 控制时序

MT9T001官方提供的I2C总线时序如图6所示。

由系统要求可知,CMOS图像传感器的曝光时间需要通过I2C总线写入图像控制器内,I2C总线模块从自动曝光算法模块得到曝光时间按照图6所示的时序写入图像传感器中,在FPGA中对I2C总线的时序进行了设计,采用Model Sim6. 0得到的时序仿真结果如图7所示,并采用了安捷伦示波器对I2C时序进行测量,结果如图8所示。

3. 2 自动曝光模块的实现

本论文采用的算法分3步实现,首先需要统计图像的像素亮度,然后根据此亮度带入公式得出系统的曝光参数,最后以此为依据整改旧的参数。以上3步在FPGA内部循环有序进行,完成根据外部环境变化需要的曝光参数,模块整体框图如图9所示。

在FPGA中采用状态机的方法对自动曝光算法进行了设计,采用Model Sim6. 0得到的时序仿真结果如图10所示。

4 实验测试

采用本文设计的硬件系统,选择外部场景不同时间段,光照条件不一样的环境对曝光时间和曝光效果进行测试,结果如图11所示。

在完成图像拍摄后,采用Photoshop对图11a ~ 11d的亮度进行了测量,其亮度值分别为50,98,160,100。这说明在光照较弱和较强的情况下,通过自动曝光后的照片均能获得较好亮度值。

5 结论

CMOS图像传感器 篇6

70年代初美国贝尔实验室研制成功第一只电耦合器件 (CCD) , 之后CCD技术发展迅速。CCD图像传感器作为一种新型光电转换器已被广泛的应用于摄像、图像采集、扫描仪以及工业测量等领域。随着CCD应用范围的扩大, 其缺点逐渐暴露出来。为此, 人们又开发了另外几种固体图像传感器技术。其中, 最引人注目、最有发展潜力的是CM OS图像传感器, 它能获得和CCD产品相似的图像质量, 且在功耗、集成度上都取得了很大突破。

二、CCD结构及其特点

CCD即电荷耦合器件, 是1种高性能微型图像传感器。这种新型光电成像器件具有灵敏度高、光潜响应宽、集成度高、维护方便、成本低廉等一系列优点, 在国防、公安、医学、工业、医学、生物、天文、地质、宇航等科学和技术各领域有着广泛的应用, 是现代最重要的图像传感器之一。电荷耦合器件 (CCD) 的突出特点是以电荷为信号, 而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。构成CCD的基本单元是M OS (金属-氧化物-半导体) 结构。CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。工作时, 需要在金属栅极加上一定的偏压, 形成势阱以容纳电荷, 电荷的多少基本与光强成线性关系。电荷读出时, 在一定相位关系的移位脉冲作用下, 从一个位置移动到下一个位置, 直到移出CCD, 经过电荷-电压变换, 转换为模拟信号。由于CCD每个像元的势阱容纳电荷的能力是有一定限制的, 如果光照太强, 一旦势阱中被电荷填满, 电子将产生“溢出”现象。另外, CCD的电荷读出时, 是从一个位置到下一个位置的电荷转移过程, 存在电荷的转移效率和转移损失问题。CCD图像传感器的结构和工作原理, 决定了这类器件有以下优点:

1 CCD是一种固体化器件, 体积小、重量轻、可靠性高、寿命长;

2图像畸变小、尺寸重现性好;

3具有较高的空间分辨率;

4光敏元间距的几何尺寸精度高, 可获得较高的定位精度和测量精度;

5具有较高光电灵敏度和较大动态范围。

三、CMOS图像传感器结构

CM OS图像传感器一般由光敏单元阵列、行选通逻辑、列选通逻辑、定时和控制电路, 及在片模拟信号处理器 (ASP) 构成。更高级的CM OS图像传感器还集成有在片模数转换器 (ADC) 。该类器件采用单一的5V电源。

行选通逻辑和列选通逻辑可以是移位寄存器, 或是译码器。定时和控制电路限制信号读出模式、设定积分时间、控制数据输出率等。在片模拟信号处理器完成信号积分、放大、取样和保持、相关双取样、双<取样等功能。在片模拟/数字转换器是在片数字成像系统所必需的, CM OS图像传感器可以是整个成像阵列有一个ADC或几个ADC (每个一种颜色) , 也可以是成像阵列每列各有一个ADC。光敏单元将光信号转换为电信号, 经在片信号处理电路处理后, 以模拟或数字形式的信号输出。

四、CMOS与CCD的比较

1灵敏度比较

灵敏度代表传感器的光敏单元收集光子产生电荷信号的能力。CCD图像传感器灵敏度较CM OS图像传感器高30%~50%。这主要因为CCD像元耗尽区深度可达10mm, 具有可见光及近红外光谱段的完全收集能力。CM OS图像传感器由于采用0.18~0.5mm标准CM OS工艺, 由于采用低电阻率硅片须保持低工作电压, 像元耗尽区深度只有1~2m m, 其吸收截止波长小于650nm[3], 导致像元对红光及近红外光吸收困难。3.2电子-电压转换率电子-电压转换率表示每个信号电子转换为电压信号的大小。由于CM OS图像传感器在像元中采用高增益低功耗互补放大器结构, 其电压转换率略优于CCD图像传感器。CCD图像传感器要达到同样的电压转换率需要付出进一步增大器件功耗的代价。CCD研制者正进一步研究新的读出放大器结构以提高响应率。[4]

2响应速度

响应速度由于CCD采用串行连续扫描的工作方式, 必须一次性的读出整行或整列的像素数据。而COM S由于采用单点信号传输, 通过简单的X-Y寻址技术, 允许从整个排列, 部分甚至单元来读出数据, 从而提高寻址速度, 实现更快的信号传输。

3噪声比较

CCD的特色在于从充分保持信号在传输是不失真 (有专属通道设计) 。透过每一个像素集合至单一放大器上做统一处理。可以保持资料的完整性。相对地, CM OS的设计中每个像素旁就直接连着ADC (放大兼模拟/数字信号转换器) , 没有专署通道设计。因此必须先放大再整合各个像素的资料。所以CM OS计算出的早点要比CCD多, 这将会影响到图像品质。

4成本比较

由于CM OS传感器采用半导体电路最常用的CM OS工艺, 可以轻易的将.周边的电路 (如AGC、DDS、时钟、DSP等) 集成到传感器芯片中, 因此可以节省外围芯片的成本;而CCD传感器采用电荷传递方式传送数据。其中有一个像素不能运行。将会导致一整排的数据不能传送。控制CCD传感器的成品率会比CM OS传感器难的多。因此, CCD传感器的成本要高于CM OS。

因此总的说CCD和CM OS比较, 虽然CCD传感器和CM OS传感器都是上世纪70年代开始研制, 但由于CCD传感器灵敏度高、噪声低而成为图像传感器的主流。互补金属氧化物 (CM OS) 图像传感器由于工艺上的原因, 一直没摆脱光照灵敏度低、噪声降不下来和图像分辨率低等缺点而得不到重视和发展。CCD图像传感器也由于敏感元件和信号处理电路不能集成在同一芯片上而使CCD摄像机/照相机体积大、功耗大。CM OS传感器却有集成度高、功耗小和造价低等优点, 如果CM OS图像传感器能克服以上缺点而保持原有的优点, 就比CCD传感器的应用更有优势。由于集成电路设计技术和工艺水平的提高, CM OS图像传感器过去存在的缺点, 现在都可以找到办法克服, 而且它固有的优点更是CCD器件所无法比拟的, 因而它再次成为研究的热点。CCD传感器需要多个不同电压来使它工作, 而CM OS传感器只需单电压工作, 这也是它相比CCD传感器另一个极大的优点。CCD传感器需要在外部配接放大器、模数转换器、时序电路等等, 造成体积庞大, 读出速度受到限制。而CM OS图像传感器却相当一个完整的图像系统。一个典型的CM OS图像传感器通常包含:一个图像传感器核心, 这与CCD图像传感器相似, 所有的时序逻辑电路、单一时钟及芯片内的可编程功能, 比如增益调节、积分时间、窗口和模数转换器。与传统的CCD图像系统相比, 把整个图像系统集成在一块芯片上不仅降低了功耗, 而且具有重量较轻, 占用空间减少以及总体价格更低的优点。

五、发展现状

当前, CM OS图像传感器主要朝着高分辨率、高动态范围、高敏度、超微型化、数字化、多功能化的方向展。1996年就有采用0.5m CM OS工艺开发出2048×2048阵列的CM OS图像传感器的报道。当采用0.25m CM OS工艺时, 相信将生产出阵列更高的传感器通过采用新工艺和改善相关双采样电路能有效降低固定模式噪声, 减小暗电流;通过采用棱镜可使填充系数超70%;通过在像素单元下面使用一层掺杂层可使填充系数达到100%.一种阶跃的复位栅电压技术能将APSCM OS图像传感器的动态范围提高90d B;采用ASIC技术的薄膜图像传感器允许增强局部像元对比度, 可使动态范围达到120d B.再考虑到CM OS图像传感器具有体积小、功耗低、高集成度、新型USB计算机接口及红外接口技术这些突出的优点, 相信一个崭新的数字图像技术时代即将来临。

参考文献

[1].曹新亮、白泽生:《两种图像传感器性能特点的对比分析与研究》[J]延安大学学报 (自然科学版) :29-33

[2].宋勇、郝群等:《CMOS图像传感器与CCD的比较及发展现状》[J]仪器仪表学报, 2001 (3) 增刊:387-389

[3].王忠立、刘佳音、贾云得:《基于CCD与CMOS的图像传感技术》[J]光学技术.:361-364

CMOS图像传感器 篇7

图像传感器在农业、工业、国防应用甚为广泛,图像传感器的数据采集保存和显示是从视角角度来得知外界的信息途径,所以传感器的图像数据的采集显示和数据的保存在信息获取领域占有很重要的一部分。并且图像传感器在不同的环境下工作时,由于环境原因在很多情况下是不能手动来转换传感器的工作模式。所以就需要控制程序来控制传感器工作模式的变换。所以实时控制传感器工作模式和高速实时采集显示在整个图像传感系统中占有相当重要的位置。本文就是对于基于USB2.0的高速视频采集和控制进行了完整的设计。并且此设计简单宜用,通用性极高。

1 硬件系统设计

本文就是针对图像传感器来设计一个视频数据采集与实时控制系统,本试验使用Cypress公司的IBIS5-A-1300作为图像传感器。由于考虑到USB的诸多优点和图像传感器的实际数据速度,所以采用USB作为通信接口,同样采用Cypress公司的EZ-USBFX2LP的CY7C68013A-100TQFP作为USB接口芯片,采用CPLD芯片EPM1270T144C-5作为图像传感器的时序控制芯片。然后结合硬件对USB进行固件配置和PC机终端显示和控制程序进行编写,最后实现了高速图像数据终端PC实时数据采集和对图像传感器的实时控制,对其传感器的开、关、和重新启动、快门方式、曝光时间、帧频调整、初始化等。整个设计思路清晰,简单宜用,整个框架见图1所示:

1.1 板卡与CMOS 传感器IBIS5-A-1300

下面就对各个部分作以描述,由于CMOS图像传感器体积小,功耗低,而且USB设备可以从USB总线上获得+5V,最高500mA的总线供电,所以本系统的电源部分选择USB总线供电,这就大大的减小了PCB板的设计难度和体积。PCB板卡的设计分两块进行。原因如下:

(1)减小故障的扩散范围。两块电路板可以分别测试,防止由于其中一个部分出现问题而影响全局,辟免损坏昂贵的CMOS传感器。

(2)将FPGA和USB部分比较复杂的电路和CMOS传感器部分相隔离,避免相互干扰。

(3)两个模块采用了标准的通用接口,可以通过更新其中相应的模块改进性能或者增加功能。

IBIS5-A-1300型的COMS传感器的特点:

分辨率:1280×1024(SXGA) 1.3M pixels、时钟:40MHZ、动态范围:64db或采用多斜率积分达到80～100db、量化长度:10bit、ADC采样率:40Msamples/s、固定模式噪声:小于0.5%、帧速率:27.5fps,最高30fps并且内部有大量的寄存器和控制器,可以对传感器的工作状态进行实时调整。并可以通过开窗技术,根据实际需要实时提高帧速率。

1.2 USB的框架和配置

USB(Universal Serial Bus,通用串行总线)是计算机上一种新型的接口技术。支持主系统与其外设之间的数据传送。USB器件支持热插拔,可以即插即用(PNP)。USB1.1支持两种传输速度,既低速1.5Mbit/s和高速12Mbit/s,在USB2.0中其峰值速度提高到480Mbit/s。USB具有四种传输方式,既控制方式(Control mode)、中断传输方式(Interrupt mode)、批量传输方式(Bulk mode)和同步传输方式(Isochronous mode)。

CY7C68013A芯片是Cypress公司推出的低功耗版本的EZ-USBFX2LP系列芯片。其内部结构如图2所示:包括USB2.0收发器,串行引擎(SIE)、增强型8051内核、16KB的RAM、4KB的FIFO存储器、I/O接口、数据总线地址和通用可编程接口(GPIF)。支持全速和高速传输。

EZ-USB不同普通51单片,其具有新的特点:增强型8051核,指令周期仅包含4个时钟周期,具有第二个数据指针、第二个USART、第三个16位定时器、非复用的高速16位外部存储器接口、8个额外的中断、FIFO/GPIF数据传输模式、3个唤醒源的休眠模式、I2C总线接口、CPU时钟运行在12MHZ、24MHZ、48MHZ,5个8位并行I/O口(A、B、C、D、E)。USB三种接口模式,包括通用的I/O模式、Slave FIFO模式、GPIF模式。通用I/O通用不作介绍,Slave FIFO模式是芯片内部含有多个FIFO缓冲区,外部逻辑可以对这些端点FIFO进行读写操作,这种不需要EZ-USB的CPU干预,数据批传输数据采用DMA形式。GPIF是一种内部主机控制模式,实际上内核是一个可编程的状态机。GPIF使用波形描述符来操作FIFO,可以将FIFO读写波形分配到端点FIFO上。这样通过波形产生控制信号来进行数据采集的。采用GPIF的采集对板卡设计的引脚增多,对于本设计由于考虑到控制端口引脚和GGPIF模式下采集数据的引脚之间的复用,可能导致不能同时进行控制和采集的工作。故采用 Slave FIFO模式,但是这种模式在速度上,不及GPIF模式。主要是两个工作原理不同的原因。

USB端点缓冲区的配置,是数据采集的关键部分。一个USB有32端点,其中16个输入端点和16个输出端点。CY7C68013A的高速模式下的缓存分配方式如图3。

USB数据有四种传输类型:控制传输、同步传输、中断传输和块传输。控制传输用于支持在客户软件和设备功能之间的关于配置、命令、状态类型的通信流;中断传输适用于那些请求传输的频率不高,但是必须在指定时间内完成的场合;块传输方式传输带宽比同步方式小,一般用于传输大量数据且实时要求不高的设备,这种传输方式适于在WINDOWS操作系统下开发,数据进行校验和重传。同步传输指发送方和接收方以恒定的传输速率传输数据,常用于对传输实时性要求比较高的设备,速度最快,但其控制方式复杂,数据传输不进行校验和重传,允许误码。本系统主要用于大量图像数据传输,且 CMOS图像传感器工作在卷帘和同步快门模式下,采集的图像格式为1280×1024,一帧图像的数据量约为1.6M字节,如果采用同步传输的话,就会出现帧头文件和显示不同步的情况,导致无法显示。故采用块传输模式,而对于CMOS传感器的曝光时间快门方式等工作模式的改变需要发送控制使能信号。要求准确无误,所以采用控制方式来传输。

2 软件系统设计

对于数据采集和控制的设计的软件部分是驱动硬件部分来工作,软件部分主要是CMOS传感器的时序,USB固件和驱动程序。最后是计算机上层数据采集和控制程序,它们之间是通信协议来联系的。

2.1 CMOS传感器工作的时序

对于时序的设计采用自顶向下的设计方法,主要划分几个模块来设计的①CMOS复位模块、②配置CMOS寄存器、③快门方式实现、④数据转换模块。由于IBIS5-A-1300的AD是10位量化精度而USB所采用的16位数据传输,这样在数据之间作转换。有两种方案①CMOS传感器量化10位数据给USB数据接口的低十位,高六位补零。这种情况是浪费USB传输带宽37.5%。这个方案比较简单,在程序中容易实现。②将前后两个周期的信号,共20bit组合成一个信号,分为3组:1组4bit,2组6bit,3组10bit。将1组存储,2组和3组组合成一个16bit信号输出。这一过程在2个周期中完成。4个周期后,将储存的4个1组信号组合为一个16bit数据输出。这一过程,在前一组10bit信号已经输入,后一组10bit信号尚未输入的时候完成。第二种情况是充分利用USB传输带宽,在对高速数据传输的时候可以考虑此方法,但是算法在时序程序实现中比较复杂,并且在时序的计数器应用的比价多。本设计结合CMOS传感器的速度特点采用第一种简单的方案,因为一个周期的数据错误不会影响其他数据的错误,并且错误只有10bit数据丢失,而第二种方案中一个数据周期中的错误,会影响4个数据周期数据错误,64bit数据会丢失。USB容错校验方面第一种方案比较好。

2.2 USB固件和驱动程序

固件程序主要完成对USB接口芯片CY7C68013A的寄存器进行配置,具体由初始化、选择数据的传输模式、实现数据的接受和发送、和对数据端口的选择、端口缓存的配置, USB标准设备请求、外围中断、电源管理、即插即用、控制端口的设置,和上层PC程序定制通信协议等等。固件的实现环境是在Keil C 中实现。部分关键程序诠释如下:

自定义卷帘快门操作,I/O口中的E口作为卷帘快门的使能信号的输出。使能信号传输进入CPLD时序,作为卷帘快门的使能信号SS_START和SS_STOP的触发信号,以此来改变CMOS的寄存器。其它的控制也是遵循一样的原理。只是稍微有点不同,在这里就不一一介绍。下面是卷帘快门的固件程序。

对于驱动程序有两种配置方法:①采用驱动编写软件来编写一个驱动程序,目前有三种驱动开发方式:使用Microsoft的DDK工具,使用KRFTech公司的WinDriver工具和使)用Compuware公司的DriverStudio工具,DriverStudio的有驱动程序的创建向导,便于开发。建议采用此软件进行驱动开发。②采用Cypress公司为EZ-USB提供的驱动程序,只是对驱动程序进行修改和配置就可以使用,简单方便。本设计就使用DriverStudio开发的驱动程序,为了防止自己开发驱动有一些弊端和漏洞,故使用Cypress公司提供的驱动程序进行对比。

2.3 上层应用程序

上层应用程序是在VC6.0编译环境中编写,主要功能有:视频图像的显示,高速原始数据和图像的保存,USB通信的关闭重启动。USB状态的实时监测,CMOS各种状态的使能控制,图像灰度的实时显示,原始数据的回放和原始图像放大分析等等。

应用程序端的编写有两种方法:第一是通过调用的DeviceIoControl() API与固件和驱动进行交互访问,继而读写控制硬件设备,用户可以通过这些底层API完成操作。第二种是使用CYPRESS提供的CyAPI.h、cyioctl.h头文件和CyAPI.lib中的类来进行与USB的固件和驱动进行协议通信,库中的9个类函数基本上完成USB的通信,并且库函数调用非常简便。本设计的上层程序就是基于库函数的基础上来实现各种操作。即是采用第二种方法,通过使用CYPRESS提供的类,调用CYAPI.lib库中的函数,实现USB与PC机之间的通信。图4是对数据采集的上层软件,通过Cypress提供速度监测状态软件,从速度监测上来看,数据传输达到31MByte的连续稳定传输。在数据采集中速度已经满足了传感器的视频采集的要求。

下面对关键上层程序进行诠释:

3 试验结果分析

本设计实现了CMOS视频采集和控制,并且可以通用在别的图像传感器中。对于系统的信噪比进行MATLAB程序分析,分析数据的原理:堵住CMOS镜头,然后采集50张照片,对50张照片的数据进行统计分析。附录是完整的MATLAB程序。分析的信噪比0.0204是和图像传感器的信噪比较稳和。本设计通用性很高,不仅在IBIS5-A-1300型已经很好的使用,而且现在已经用于CMOS传感器LUPA-4000的数据采集和控制中.

参考文献

[1]Cypress.EZ-USBFXLP USB Microcontroller datasheet2006

[2]Cypress.EZ-USB technical reference manual2006

[3]Jungo Ltd WinDriver USB v7.01User s Guide[J]2005

[4]Cypress.Endpoint FIFO Architecture of EZ-USB FX1/FX2-2004

[5]Cypress.EZ-USB-FX2-GPIF Primer2003

[6]薛园园.USB应用开发技术大全.北京:人民邮电出版社,2007.