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CMOS图像传感器有着广泛的应用前景,但图像分辨率和动态范围是影响其发展的两个关键问题。因此,研究解决这两个问题的方法有重要的理论和实际意义。本文介绍了CMOS图像传感器件的结构、工作原理和国内外发展,分析了影响其性能的因素。 在上述讨论的基础上,本文提出了CMOS图像传感器的半像素错位成像原理。该原理将CMOS图像器件获得的分别在横向、纵向和对角线方向存在半个像素错位的四幅图像用软件合成一幅高分辨率图像。文章从理论上证明了该原理的正确性,并从像元矩阵灰度值出发建立了合成图像的重建算法。该算法对合成图像像元矩阵灰度值的计算表明,半像素错位成像原理能充分利用CMOS器件感光单元的探测能力,在不改变工艺水平的条件下,可以使CMOS器件所采集的二维图像分辨率提高到原来的2×2倍。为进一步证明半像素错位成像原理,文章进行了仿真实验。利用MATLAB工具,对彼此存在半个像素错位的四幅图像按照所建立的算法进行图像合成处理,得到了与理论分析计算完全一致的结果。仿真实验进一步证明了半像素错位成像原理和所建立的图像合成算法的正确性。 本文建立了适用于HSpice仿真的光敏二极管模型,并对CMOS图像传感器的像素电路的光电转换过程进行了分析,指出其固定积分时间光电转换方式严重限制了CMOS图像传感器的动态范围。为提高器件的动态范围,文章提出了半像素错位顺序曝光方法。该方法改多次曝光的同时曝光模式为顺序四次曝光,而且使四次曝光获得的图像依次在横向、纵向和对角线方向有半个像素的错位,并运用上述半像素错位合成算法对其进行合成。分析表明,该方法在不改变CMOS像素电路结构的条件下使其动态范围明显提高。利用MATLAB工具对按半像素错位顺序曝光方法得到的四幅图像进行合成处理,其结果表明,合成图像动态范围明显提高,证明了该方法的正确性。