CMOS 图像传感器可处理高难度任务

摘要：CMOS 图像传感器在许多领域中都被视为未来的成像器件。其出色的特性不仅能满足工业及专业领域中严格的图像捕获要求，而且还会对我们的日常生活产生越来越深入的影响。FillFactory公司采用 660 万像素高分辨率 CMOS 图像传感器（图 1）所采用的技术，以及在该器件基础上针对视力不佳人士开发推出的全球首部自动阅读设备MyReader。

1    CMOS 图像传感器技术从系统集成角度讲，CMOS 技术通常是照相机系统及图像采集设备实施平台的最佳解决方案。CMOS 图像传感器能将其所有辅助电路集成到同一芯片上，因为这些电路都是以相同技术实施的。

    CMOS 图像传感器满足了现代图像传感器快速增长的应用要求。举例来说，日益提高的要求有：简化的系统集成；低功耗要求；灵活的图象捕获；多种快门类型；更高的动力。

    便携式设备对低功耗的要求尤其突出。CMOS 技术因其节能特性而闻名，是低功耗应用领域的理想选择，因为它的电源电压较低，仅 3.3 V。CMOS的另一优势在于其不使用外部电路，因为一块图像传感器芯片上可集成一切。

    就传感器读取而言，CMOS 提供了更多的可能性，因其具有与存储器一样的可自由寻址特性，而且还能读出单独的像素。多种多样的图像次级采样 (subsampling) 操作模式能够以较低的分辨率实现更高的图像速率，这是因为传感器的工作带宽大体保持不变。同样，窗口函数 (window function) 也能大大加快对传感器阵列有意义部分的读取速度。

    CMOS 技术为客户提供了读取全帧图像的最佳性能。170 万像素的 CMOS 传感器能容易获得1000帧/秒图像。在这种高速读取速度下也不会产生高功耗（它与噪音增大密切相关）等问题。

2    高分辨率传感器

    图像捕获发展的趋势显然是面向更高分辨率的。FillFactory 已经为柯达数码相机提供了 35mm规格 1400 万像素的图像传感器；不过，660 万像素的传感器 IBIS4-6600 已经能够提供A4 页面所需的良好分辨率了。此性能可为弱视力人士造就一款具有突破性的产品。下文将详细介绍一款称为MyReader的弱视力自动阅读器，它的构建基础是 FillFactory 提供的、先进的 CMOS 技术，可帮助弱视力人群阅读任何书籍或信件，甚至能够像视力正常者一样进行书写，从而改善弱视力者的生活。该设备在同一芯片上提供了由模拟图像捕获、数字化以及信号预处理构成的完整的子系统。其 2210 x 3002 像素的传感器阵列建立在具有高填充因子的 3.5 x 3.5_m的3晶体管器件（受专利保护的 n-Well pixel 技术）基础之上。具备 10 位分辨率的并行输出转换器可每秒生成 5 帧全图像，采样40 MSPS。如果针对特别感兴趣的图像部分利用5种图像子采样操作模式中的一种或采用窗口功能，我们就能大帧提高图像速率：VGA 格式（640 x 480 像素）的部分窗口输出为每秒超过 80 帧。图像传感器还允许无损读取，即采用相关双采样进一步消除噪声。该设备提供黑白或彩色传感器版本，具有红、绿、蓝彩色过滤器（RGB，Bayer 模式），采用68 引脚 LCC陶瓷封装。表1 列出了其关键的技术参数。对于与标准视频编码器的连接而言，该图像传感器为图像、扫描线路以及像素均提供了同步信号及 10 位图像数据。

    图2给出的结构图显示了图像传感器的架构，它基本上包括像素阵列、在 X 及 Y 轴方向的读出移位寄存器、并行模拟输出放大器以及降低固定模式噪声的列放大器。位于相同芯片上的辅助电路完全与双通道图像捕获区的电路隔离，也。这些辅助电路包含两个可调整像素偏移水平的数模转换器 (DAC)，还包括一个用于特殊功能的 DAC，以及两个 10 位ADC，分别以 20 MSPS 的速率将模拟传感器数据进行数字化。它们是工作在 40 MSPS的输出速率上的多路复用模式。用于决定窗口函数的 X 及 Y 寄存器起始地址等许多参数都可通过三线接口传输至模块，灵活性大幅帧增加。

    我们还提供一款评估套件，以支持 IBIS4-6600 用户，其包括一个多功能数字 PCB（存储器、序列发生器及 FireWire 接口)以及一个带有图像传感器的模拟 PCB。Visual Basic 开发环境实现了传感器的图像捕获、复制以及图像序列，并能够以多种文件格式进行保存。操作过程中还可更改所有设置，因此可针对目标应用检查及设置传感器参数。

3 MyReader 弱视力自动阅读器

    视力下降尤其会影响阅读能力，也给日常生活造成不便。仅德国而言，受影响的人群就超过 50 万。起初，视力下降者会借助放大镜的帮助进行阅读，这种放大镜只是采用光学放大的原理。随着视力不断恶化，这种方法就不够用了，他们转而采用不同类型的光电屏幕阅读系统（视频放大镜）。上述系统可通过半导体照相机捕获书籍、杂志、报纸以及用药手册或说明上的内容，并在屏幕上显示这些内容。即使是视力极其微弱的人，若使用更高的对比度，经过放大的图像也能在一定程度上弥补其视力的不足。不过，必须手动将要阅读的物件置放在放大设备下，因此我们还得从一行结尾移动至下一行的开头。人工手动从事上述工作会造成许多不便，比如难以找到所需的正确行或列等。特别是在放大度很高的情况下，相关工作也会变得相当单调繁重，而且也妨碍了阅读的进行，从而影响我们对文本的理解，破坏了阅读的乐趣。这样的阅读也会使读者疲惫不堪。

    由于有了 660 万像素的 CMOS 图像传感器 IC IBIS4-6600，我们得以推出阅读设备。

    开发人员多年来努力改善阅读设备，提高性能及用户使用的便利性。目前，来自新西兰的一项新的开发成果已登陆欧洲市场。一款领先的自动阅读器在法兰克福举行的专业展览 SightCity 2004 (www.sightcity.de) 上推出，专门为盲人和视力障碍人士提供帮助。与其前代产品不同，Pulse Data (www.myReader.com) 推出的新型 myReader 设备（图 3）可扫描并捕获的最大页面格式为A4页面，并以您希望的布局自动显示：可在 15 英寸或 21 英寸无抖动显示屏上断行显示（列布局）、连续行显示（行布局），也可逐词地显示（词布局），从而可根据用户要求通过方便易用的控制设备随意调整阅读速度。在自动滚动技术的帮助下，我们不再需要通过 XY进行传统的文档“导航”。因此，MyReader 使人们不再受困于视力问题，也不再为使用手工阅读器而苦恼。该影像设备不仅能够阅读，而且还能帮助用户写信、找出填字游戏的答案或以即时写入模式作记录，这些功能都采用了 CMOS 技术提供的各种资源，从而使用户能够轻松完成其任务。高分辨率的CMOS 图像传感器正在征服越来越多的新应用领域，并改善着我们的生活。

参考文献：

1. ’CMOS丞相的高级开发’，B.Dierickx、J.Bogaerts，摘自多伊士堡 Fraunhofer IMS 专题讨论会，2004.
2.‘高敏感度像素结构（填充系数）’，US6,225,670.  

图 1：CMOS 图像传感器 IBIS4-6600
图 2：高分辨率 CMOS 图像传感器 IBIS4-6600 结构图。虚线区域内的所有元件均集成在传感器芯片上。
图 3：针对视力减弱者推出的第一款自动阅读器 特点属性值 分辨率 3002 x 2210 像素像素 3.5 _m 像素类型受专利保护的 3 晶体管单元作为N-Well 像素，填充因子较高光学活动传感器区域 7.74 x 10.51 mm 像素速率 40 MHz 动态范围 61 dB，可通过双斜率 (double-slope) 集成扩展数字输出 10位帧速率（全图像） 5 Hz 读取模式全图像以及图像子采样与窗口函数，具有较高帧率快门类型罗拉式遮光帘 (Roller blind shutter) 可编程性可通过三线接口进行编程电源电压 2.5 V 电流 < 78 mA 封装 68 引脚 LCC 表 1：660 万像素图像传感器 IBIS4-6600 的特性 *注：FillFactory是Cypress的子公司