Motorola公司的MCM20027彩色SXGA數(shù)字圖像傳感器是固態(tài)有源CMOS圖像傳感器(ACITM),它在單一芯片上集成有完整的模擬圖像采集、模/數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號處理系統(tǒng)的功能,實現(xiàn)真正的“片上相機”(“ camera on a chip”)。MCM20027簡化和詳細框圖示于圖1和圖2。圖像傳感器由1280×1024有源元件的格式像素陣列組成。圖像的大小是完全可編程的,由用戶確定所需視窗。像素的間距為6.0μm。像素所采用的光電二極管結(jié)構(gòu)具有高靈敏度和低噪聲的特點。標準微透鏡進一步提高了靈敏度。傳感器為彩色輸出或做為單色圖像傳感器提供Bayer圖形彩色濾光片陣列(CFA)。

    集成的定時和編程控制使視頻或靜止圖像捕護模式支持連續(xù)掃描模式。幀速率是可編程的,而且保持主時鐘頻率恒定。用戶可編程的行和列起始停止。使視窗可達最小1×1像素視窗。多像素增量中的二次取樣也可執(zhí)行視窗操作以便數(shù)字圖像放大。

    像素陣列的模擬視頻輸出由片上的模擬信號處理流水線進行處理。相關(guān)雙取樣(CDS)能去掉傳感器復位噪聲而不需要在每個有效視頻幀捕獲和減去復位幀。幀速率箝位(FRC)使能實時光黑電平校準和補償校正。可編程模擬增益由曝光或總增益構(gòu)成,以把信號強度變化映射到ADC輸入范圍內(nèi),而白色補償執(zhí)行模擬范圍的白色補償。ASP(模擬信號處理)信號鏈路包括:列運放(1.5×固定增益);列DOVA(1.5× 固定增益);白色補償PGA(0.88-2.82x);G10bal PGA(0.67×-5.92x);G10bal DOVA(2.0×固定增益)。這些數(shù)字可編程放大器(DPGA)提供自動白色補償(AWB)及總增益調(diào)節(jié)的實時彩色增益校正,可在每列和全程進行補償校準。存儲在片上寄存器中的值可用于每列補償校正。10位冗余符號數(shù)(RSD)ADC變換模擬數(shù)據(jù)為10位數(shù)字字流。全差分模擬信號處理流水線用以改進抗噪聲度、信噪比和系統(tǒng)動態(tài)范圍。

    傳感器用工業(yè)標準2線I2C兼容串行接口。它工作在單3.3V電源,不需要另外的偏置,只需要單個主時鐘(工作頻率高達13.5MHz)。此傳感器是48引腳陶瓷LCC封裝。

    MCM20027的設(shè)計考慮到標準視頻編碼器的接口要求。除10位 Bayer編碼數(shù)據(jù)流外,傳感器輸出有效的幀、行和編碼所需的像素同步信號。傳感器具有與各種商用視頻圖像處理器的接口,為不同標準視頻格式提供編碼。

    MCM20027是一種精巧和特別靈活的單片解決方案,它簡化了圖像感測,處理、數(shù)字變換和數(shù)字信號處理的系統(tǒng)設(shè)計任務(wù),不愧是一款高性能、低成本、低功率IC。

    MCM20027圖像傳感器的圖像感測和捕獲結(jié)構(gòu)如下。

傳感器接口

    像素結(jié)構(gòu)

    MCM20027傳感器由1280×1024有源像素陣列組成并支持連續(xù)模式。像素的基本操作靠光電效應實現(xiàn)。由于其物理特性,硅能夠檢測光電子。光電子產(chǎn)生正比于入射光光強和波長的電子-空穴時。應用適當?shù)钠�置可使用戶捕捉電子和測量有用參量(如電壓)的電荷。

    像素結(jié)構(gòu)也要求一行中的所有像素具有共同的復位、傳送和行選擇控制。此外,所有的像素具有共同的電源(VDD)和地(Vss)連接。一個最佳的單元結(jié)構(gòu)能提供低噪聲、最大占空因數(shù)、抗散焦特性。光電元件所用的光電二極管專利和傳送門器件能增強整個可見光譜范圍和非滯后操作的靈敏度。

    除成像像素外,還有在成像部分邊緣的暗和偽像素。暗像素由光屏蔽打底像素(在下層對光電不靈敏)覆蓋。這些像素為量測暗電平補償提供傳感器手段,在信號處理鏈路下游執(zhí)行自動黑色電平校準時用暗電平補償。在陣列邊緣提供的偽像素可消除由于光管道進入有效像素鄰近的暗像素所引起的不精確測量。這些像素的輸出將被去掉。

    照相術(shù)語中的電子快門,也稱之為電子光定時是一種標準特性。像素積分時間可在給定幀讀出時間的百分之幾到整個幀時間的較寬范圍內(nèi)變化。

    彩色分離和占空因數(shù)放大

    MCM20027系列提供單片聚合物彩色濾光片陣列(CFA)選擇方案。超平面化工藝和專用的濾光片技術(shù)的結(jié)合,使CFA具有優(yōu)異的光譜和傳輸特性。標準選擇方案是基本的(RGB)“Bayer”圖形(見圖3),但是,也有能生成包含輔助(CMYG)鑲嵌結(jié)構(gòu)的定制CFA的功能。

    可選用微透鏡陣列(圖4)得到較高的靈敏度。此透鏡組陣列可改進傳感器占空因數(shù)(孔徑比)1.5-2×,這取決于相機系統(tǒng)中所采用的主透鏡的F值。沒有微透鏡的占空因數(shù)是32%。用微透鏡,占空因數(shù)改進到TBD。

    WOI控制

    器件讀出的像素數(shù)據(jù)定義為“Window of Interest ”(WOI)�？砂裌OI以任意的大小確定在像素陣的任何地方。用戶提供左上角的像素位置和確定WOI行和列的大小。用WOI指針、WOI高度和WOI寬度寄存器確定WOI。圖5示出WOI的圖示表示。

    WOI二次取樣控制

    WOI可由每個用戶控制二次取樣。用戶可在每個方向以4種不同取樣率(全,1/2,1/4或1/8)讀出單色或Bayer像素空間的像素數(shù)據(jù)。用戶通過二次取樣控制寄存器控制二次取樣。

    關(guān)于幀捕獲模式,圖像掃描模式以及連續(xù)幀捕獲模式(CFCM)幀速率和積分時間控制等在此就不一一描述了。