新方法成就超低功率的CMOS图像传感器

美国罗彻斯特大学的两名研究人员开发出了一种超低功耗的CMOS图像传感器方法，从而将进一步推动CMOS图像传感器在便携与远程无线设备中的应用。他们在设计上获得的进步来源于两个相互独立的概念：一个是降低芯片上进行模数转换操作的复杂性；而另一个则针对像素阵列采用新的几何形状，从而消除了数据压缩期间的浮点乘法运算。

采用第一种技巧的原型成像器已被证明每像素会消耗0.88纳瓦(nw)的功率。研究人员称，这种功耗比目前的有源像素传感器设计要低50倍。研究人员通过在芯片外围较远的地方设置一些模数操作，就能够减少像素点处的晶体管数量。

“当器件采集光信号时，电子元件是关闭的。”罗彻斯特大学的研究员Mark Bocko介绍，“比较器受时钟驱动，没有直流信号流过晶体管。标准CMOS技术在每个像素点都有一个源极跟随器，而且总会有电流流过。而在我们的方法中，所有部分都是被动的，只有当信号进入并在像素点采样的时候才会被激活。这正是能够显著节省功耗的原因所在。”Bocko正在组建一家名为Advantage Imaging Systems的公司，目的就是将这一概念转变为实际产品。与他在罗彻斯特大学共同开发架构的搭档名叫Zeljko Ingjatovic。

Bocko(左)和Ingjatovic冲击有源像素设计概念。

第二种突破性的技术被称为图像平面压缩，这种技巧可以对片上的数字图像数据直接进行压缩，而无需等到这些数据离开芯片后在后处理阶段进行压缩。这种方法以非均匀方式配置光电二极管，因而具有简化数据压缩的效果。

“举例来说，我们不使用8×8的像素规则排列，而是使用11×11的像素阵列平铺在相同区域，不过它们的排列方式并不均匀。采样位置取决于简分数。”Bocko表示，“你为此付出的代价(总是会有代价的)就是你不能像在规则排列中那样紧密地打包像素，因此只有在要求中等分辨率的情况下才使用这种技术。”

离散余弦变换(DCT)是数据压缩中使用的基本运算，而光电二极管经过适当排列后,只会在余弦函数值为±1的点采集光源。

与1相乘不会发生任何实际的运算，而DCT中所有其它运算都是加法。据称，该方法的运算量可以减少到标准DCT的20%。

据Bocko介绍，上述方法与使用标准图像压缩技术生成的压缩数据量是完全一致的，同样可以用于现有的软件或硬件。

“这两种创新多少都称得上无以伦比。”他说，“而第一种更是CMOS传感器的主流发展方向。”

“第二种方法，也就是压缩技术，则爆了一个大冷门。我们的小组现在仍在研究信号处理，我们一直在寻找更高效的方法来进行傅里叶变换。有一个不太著名的算法，即算术傅里叶变换，在80年代末期被公布以后，很快就被人遗忘了。但它却带来了无需乘数操作就可以进行变换的理念。”他接着说。

凭借超低功率特性和已被压缩的图像数据，这种成像器将非常适合电池供电并采用无线数据传输的远程成像系统使用，研究人员表示。Bocko认为，它们或许同样可以成为适合视频蜂窝电话使用的技术。