[发明专利]一种CMOS模组及其在医疗器械领域内的应用

说明书

技术领域

本发明涉及CMOS模组，具体的涉及一种CMOS模组及其在医疗器械领域内作为观察工作 部的应用。

背景技术

在过去30年里，CCD一直被用于图像传感和捕捉。作为一项成熟的技术，它以较低的 噪声提供良好的图像质量。作为电荷耦合器件，它们连续地把图像数据从一个像素传送到另 一个像素。为此，它们需要几个工作电压、外部时钟生成器和精密的驱动及选择电路，需要 占用较大电路板空间和消耗较多的功率。因此，使用这类图像传感器无论是从性能特点还是 灵活性方面考虑都不再满足目前的系统需求。从CCD图像传感器到CMOS区域传感器的产品换 代已进行了一段时间，CMOS区域传感器具有以下几个好的特点：更好的系统集成性、较低的 功率需求、更灵活的图像捕捉、更智能的接口、更大的动态范围和较高的灵敏度。

随着数字技术融合的进展，即把图像捕捉、图像处理和无线通讯等以前的分力功能集成 到一个紧凑型器件之中，市场对于这种具有部分完整功能的“自治子系统”的需求不断增 长。这类子系统在一个封装中提供尽可能多的功能单元。例如，在专业测量技术中，具有灵 活的数码相机、PDA用户接口和WLAN连接的便携测试设备，非常有效地扩大了光学检查和监 控任务的范围。

医疗图像处理是图像传感器的另一个传统应用领域，从大型X线到所有的内窥镜检查方 法，一直到可吞咽的“药丸式相机”。CMOS技术提供了一个非常有用的执行平台：虽然CCD 图像传感器仍然需要其它外部逻辑技术以实现控制和模拟/数字转换，但CMOS相机芯片允许 图像传感器、控制器件、转换器和选择逻辑，以及HF发射机以同一种技术实现，因而可以放 置在同一个硅片表面。把更多的系统功能集成到一个“自治的”光电传感器系统之中是可能 的，主要取决于计划使用的范围和基本经济条件，如开发成本和单位数量等。

便携式设备并不依赖电网供电，因此只有当其元件和子系统的功率需求较低时才能正常 工作。CMOS技术在这方面显然具有更多的优势，因为CMOS图像传感器面向3.3V或2.5V左 右的较低的单电源电压，而多数CCD芯片要求多个较高的电源电压，如高达12V的电压。这 些电压必须利用比较耗电的变压器来生成，而且变压器还占用电路板上的宝贵空间。如果控 制和系统功能集成到CMOS传感器之中，总体性能会更好，因为消除与其它半导体元件相连的 外部接线也能省掉它们功耗较大的驱动器：在芯片内部进行的通讯与在芯片外部通过电路板 或基板实现的通讯相比，需要的功率要少得多。

此外，采用CMOS图像传感器还能带来一个极受欢迎的“副产品”，即低噪声发射，而且 它们的噪声绝缘性非常高，因为模拟/数字转换器都集成在图像传感器的内部，意味着容易出 现干扰的模拟信号线就不必在外面经过。另外，数字图像输出信号使系统集成商更容易以较 低的成本集成功能强大的CMOS相机，这也使其能够用于恶劣的环境之中。例如，医疗、药丸 式相机和内窥镜等体内应用需要非常低的功率，因为向外散热的可能性有限，尤其对于药丸 式相机，其外表温度需要与体温一致。

在医疗和工业应用中，人们需要的常常是图像中的一个具体细节，但由于CCD图像传感 器的连续电荷传送，只能读出全部图像内容——一个完整的帧。然后再利用一个选择电路从 整个图像中把需要的部分提取出来。另一方面，CMOS图像传感器的结构象一个存储阵列，以 便能够通过二次取样，或者通过选择部分图像区域(开窗口)，访问或者读出单个像素或像素 群。二次取样提供了一个具有较低分辨率的常规取样模式，开窗口功能允许选择图像的有用 部分。窗口四角的坐标通过一个串行或并行接口发送到CMOS传感器，并在那里得到自动处 理，以控制读出操作。这也是一个把额外的逻辑集成到CMOS传感器之中的典型例子，这对于 CCD是不可能的，因为它采用的技术不适合逻辑电路。

工业和医药方面许多有趣的情景都出现在逆光条件下，因此要求图像传感器具有较高的 动态范围。虽然线性传感器的动态范围正好与信噪比(SNR)成比例，但CMOS图像传感器的多 斜率操作使得动态范围得到大幅提高，而SNR仍然不变。光亮度与输出电压之间的分段线性 关系显示了这点，这导致整个转换范围内具有非线性特点。因此，场景的较暗部分扩展到模 拟/数字转换器的转换范围的较大部分：转换特征曲线在此处变得最陡，确保了高灵敏度和对 比度。通过使特征曲线的上部变得水平，明亮区域中感光过度的一些部分也能充分捕获。这 样，在10位A/D转换范围上就可能获得动态范围高达100dB的图像。