摘要：CMOS 圖像傳感器在許多領域中都被視為未來的成像器件。其出色的特性不僅能滿足工業及專業領域中嚴格的圖像捕獲要求，而且還會對我們的日常生活產生越來越深入的影響。FillFactory公司采用 660 萬像素高分辨率 CMOS 圖像傳感器（圖 1）所采用的技術，以及在該器件基礎上針對視力不佳人士開發推出的全球首部自動閱讀設備MyReader。

1    CMOS 圖像傳感器技術從系統集成角度講，CMOS 技術通常是照相機系統及圖像采集設備實施平臺的最佳解決方案。CMOS 圖像傳感器能將其所有輔助電路集成到同一芯片上，因為這些電路都是以相同技術實施的。

    CMOS 圖像傳感器滿足了現代圖像傳感器快速增長的應用要求。舉例來說，日益提高的要求有：簡化的系統集成；低功耗要求；靈活的圖象捕獲；多種快門類型；更高的動力。

    便攜式設備對低功耗的要求尤其突出。CMOS 技術因其節能特性而聞名，是低功耗應用領域的理想選擇，因為它的電源電壓較低，僅 3.3 V。CMOS的另一優勢在于其不使用外部電路，因為一塊圖像傳感器芯片上可集成一切。

    就傳感器讀取而言，CMOS 提供了更多的可能性，因其具有與存儲器一樣的可自由尋址特性，而且還能讀出單獨的像素。多種多樣的圖像次級采樣 (subsampling) 操作模式能夠以較低的分辨率實現更高的圖像速率，這是因為傳感器的工作帶寬大體保持不變。同樣，窗口函數 (window function) 也能大大加快對傳感器陣列有意義部分的讀取速度。

    CMOS 技術為客戶提供了讀取全幀圖像的最佳性能。170 萬像素的 CMOS 傳感器能容易獲得1000幀/秒圖像。在這種高速讀取速度下也不會產生高功耗（它與噪音增大密切相關）等問題。

2    高分辨率傳感器

    圖像捕獲發展的趨勢顯然是面向更高分辨率的。FillFactory 已經為柯達數碼相機提供了 35mm規格 1400 萬像素的圖像傳感器；不過，660 萬像素的傳感器 IBIS4-6600 已經能夠提供A4 頁面所需的良好分辨率了。此性能可為弱視力人士造就一款具有突破性的產品。下文將詳細介紹一款稱為MyReader的弱視力自動閱讀器，它的構建基礎是 FillFactory 提供的、先進的 CMOS 技術，可幫助弱視力人群閱讀任何書籍或信件，甚至能夠像視力正常者一樣進行書寫，從而改善弱視力者的生活。該設備在同一芯片上提供了由模擬圖像捕獲、數字化以及信號預處理構成的完整的子系統。其 2210 x 3002 像素的傳感器陣列建立在具有高填充因子的 3.5 x 3.5_m的3晶體管器件（受專利保護的 n-Well pixel 技術）基礎之上。具備 10 位分辨率的并行輸出轉換器可每秒生成 5 幀全圖像，采樣40 MSPS。如果針對特別感興趣的圖像部分利用5種圖像子采樣操作模式中的一種或采用窗口功能，我們就能大幀提高圖像速率：VGA 格式（640 x 480 像素）的部分窗口輸出為每秒超過 80 幀。圖像傳感器還允許無損讀取，即采用相關雙采樣進一步消除噪聲。該設備提供黑白或彩色傳感器版本，具有紅、綠、藍彩色過濾器（RGB，Bayer 模式），采用68 引腳 LCC陶瓷封裝。表1 列出了其關鍵的技術參數。對于與標準視頻編碼器的連接而言，該圖像傳感器為圖像、掃描線路以及像素均提供了同步信號及 10 位圖像數據。

    圖2給出的結構圖顯示了圖像傳感器的架構，它基本上包括像素陣列、在 X 及 Y 軸方向的讀出移位寄存器、并行模擬輸出放大器以及降低固定模式噪聲的列放大器。位于相同芯片上的輔助電路完全與雙通道圖像捕獲區的電路隔離，也。這些輔助電路包含兩個可調整像素偏移水平的數模轉換器 (DAC)，還包括一個用于特殊功能的 DAC，以及兩個 10 位ADC，分別以 20 MSPS 的速率將模擬傳感器數據進行數字化。它們是工作在 40 MSPS的輸出速率上的多路復用模式。用于決定窗口函數的 X 及 Y 寄存器起始地址等許多參數都可通過三線接口傳輸至模塊，靈活性大幅幀增加。

    我們還提供一款評估套件，以支持 IBIS4-6600 用戶，其包括一個多功能數字 PCB（存儲器、序列發生器及 FireWire 接口)以及一個帶有圖像傳感器的模擬 PCB。Visual Basic 開發環境實現了傳感器的圖像捕獲、復制以及圖像序列，并能夠以多種文件格式進行保存。操作過程中還可更改所有設置，因此可針對目標應用檢查及設置傳感器參數。

3 MyReader 弱視力自動閱讀器

    視力下降尤其會影響閱讀能力，也給日常生活造成不便。僅德國而言，受影響的人群就超過 50 萬。起初，視力下降者會借助放大鏡的幫助進行閱讀，這種放大鏡只是采用光學放大的原理。隨著視力不斷惡化，這種方法就不夠用了，他們轉而采用不同類型的光電屏幕閱讀系統（視頻放大鏡）。上述系統可通過半導體照相機捕獲書籍、雜志、報紙以及用藥手冊或說明上的內容，并在屏幕上顯示這些內容。即使是視力極其微弱的人，若使用更高的對比度，經過放大的圖像也能在一定程度上彌補其視力的不足。不過，必須手動將要閱讀的物件置放在放大設備下，因此我們還得從一行結尾移動至下一行的開頭。人工手動從事上述工作會造成許多不便，比如難以找到所需的正確行或列等。特別是在放大度很高的情況下，相關工作也會變得相當單調繁重，而且也妨礙了閱讀的進行，從而影響我們對文本的理解，破壞了閱讀的樂趣。這樣的閱讀也會使讀者疲憊不堪。

    由于有了 660 萬像素的 CMOS 圖像傳感器 IC IBIS4-6600，我們得以推出閱讀設備。

    開發人員多年來努力改善閱讀設備，提高性能及用戶使用的便利性。目前，來自新西蘭的一項新的開發成果已登陸歐洲市場。一款領先的自動閱讀器在法蘭克福舉行的專業展覽 SightCity 2004 (www.sightcity.de) 上推出，專門為盲人和視力障礙人士提供幫助。與其前代產品不同，Pulse Data (www.myReader.com) 推出的新型 myReader 設備（圖 3）可掃描并捕獲的最大頁面格式為A4頁面，并以您希望的布局自動顯示：可在 15 英寸或 21 英寸無抖動顯示屏上斷行顯示（列布局）、連續行顯示（行布局），也可逐詞地顯示（詞布局），從而可根據用戶要求通過方便易用的控制設備隨意調整閱讀速度。在自動滾動技術的幫助下，我們不再需要通過 XY進行傳統的文檔“導航”。因此，MyReader 使人們不再受困于視力問題，也不再為使用手工閱讀器而苦惱。該影像設備不僅能夠閱讀，而且還能幫助用戶寫信、找出填字游戲的答案或以即時寫入模式作記錄，這些功能都采用了 CMOS 技術提供的各種資源，從而使用戶能夠輕松完成其任務。高分辨率的CMOS 圖像傳感器正在征服越來越多的新應用領域，并改善著我們的生活。

參考文獻：

1. ’CMOS丞相的高級開發’，B.Dierickx、J.Bogaerts，摘自多伊士堡 Fraunhofer IMS 專題討論會，2004.
2.‘高敏感度像素結構（填充系數）’，US6,225,670.  

圖 1：CMOS 圖像傳感器 IBIS4-6600
圖 2：高分辨率 CMOS 圖像傳感器 IBIS4-6600 結構圖。虛線區域內的所有元件均集成在傳感器芯片上。
圖 3：針對視力減弱者推出的第一款自動閱讀器 特點屬性值 分辨率 3002 x 2210 像素像素 3.5 _m 像素類型受專利保護的 3 晶體管單元作為N-Well 像素，填充因子較高光學活動傳感器區域 7.74 x 10.51 mm 像素速率 40 MHz 動態范圍 61 dB，可通過雙斜率 (double-slope) 集成擴展數字輸出 10位幀速率（全圖像） 5 Hz 讀取模式全圖像以及圖像子采樣與窗口函數，具有較高幀率快門類型羅拉式遮光簾 (Roller blind shutter) 可編程性可通過三線接口進行編程電源電壓 2.5 V 電流 < 78 mA 封裝 68 引腳 LCC 表 1：660 萬像素圖像傳感器 IBIS4-6600 的特性 *注：FillFactory是Cypress的子公司