深度解讀CMOS圖像傳感器

圖像傳感器是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的裝置，在數(shù)字電視、可視通信市場中有著廣泛的應(yīng)用。60年代末期，美國貝爾實臉室發(fā)現(xiàn)電荷通過半導(dǎo)體勢阱發(fā)生轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，提出了固態(tài)成像這一新概念和一維CCD(Charge-Coupled Device 電荷耦合器件)模型器件。到90年代初，CCD技術(shù)已比較成熱，得到非常廣泛的應(yīng)用。

 

但是隨著CCD應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，其缺點逐漸暴露出來。首先，CCD技術(shù)芯片技術(shù)工藝復(fù)雜，不能與標(biāo)準(zhǔn)工藝兼容。其次，CCD技術(shù)芯片需要的電壓功耗大，因此CCD技術(shù)芯片價格昂貴且使用不便。

目前，最引人注目，最有發(fā)展?jié)摿Φ氖遣捎脴?biāo)準(zhǔn)的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor  互補(bǔ)金屬氧化物場效應(yīng)管)技術(shù)來生產(chǎn)圖像傳感器，即CMOS圖像傳感器。CMOS圖像傳感器芯片采用了CMOS工藝，可將圖像采集單元和信號處理單元集成到同一塊芯片上。由于具有上述特點，它適合大規(guī)模批量生產(chǎn)，適用于要求小尺寸、低價格、攝像質(zhì)量無過高要求的應(yīng)用，如保安用小型、微型相機(jī)、手機(jī)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)視頻會議系統(tǒng)、無線手持式視頻會議系統(tǒng)、條形碼掃描器、傳真機(jī)、玩具、生物顯微計數(shù)、某些車用攝像系統(tǒng)等大量商用領(lǐng)域。

CMOS圖像傳感器概述

CMOS圖像傳感器是一種典型的固體成像傳感器，與CCD有著共同的歷史淵源。CMOS圖像傳感器通常由像敏單元陣列、行驅(qū)動器、列驅(qū)動器、時序控制邏輯、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)總線輸出接口、控制接口等幾部分組成這幾部分通常都被集成在同一塊硅片上。其工作過程一般可分為復(fù)位、光電轉(zhuǎn)換、積分、讀出幾部分。

在CMOS圖像傳感器芯片上還可以集成其他數(shù)字信號處理電路，如AD轉(zhuǎn)換器、自動曝光量控制、非均勻補(bǔ)償、白平衡處理、黑電平控制、伽瑪校正等，為了進(jìn)行快速計算甚至可以將具有可編程功能的DSP器件與CMOS器件集成在一起，從而組成單片數(shù)字相機(jī)及圖像處理系統(tǒng)。

更確切地說，CMOS圖像傳感器應(yīng)當(dāng)是一個圖像系統(tǒng)。一個典型的CMOS圖像傳感器通常包含：一個圖像傳感器核心（是將離散信號電平多路傳輸?shù)揭粋€單一的輸出，這與CCD圖像傳感器很相似），所有的時序邏輯、單一時鐘及芯片內(nèi)的可編程功能，比如增益調(diào)節(jié)、積分時間、窗口和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。事實上，當(dāng)一位設(shè)計者購買了CMOS圖像傳感器后，他得到的是一個包括圖像陣列邏輯寄存器、存儲器、定時脈沖發(fā)生器和轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的全部系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的CCD圖像系統(tǒng)相比，把整個圖像系統(tǒng)集成在一塊芯片上不僅降低了功耗，而且具有重量較輕，占用空間減少以及總體價格更低的優(yōu)點。

CMOS圖像傳感器基本工作原理

下圖為CMOS圖像傳感器的功能框圖。

首先，外界光照射像素陣列，發(fā)生光電效應(yīng)，在像素單元內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的電荷。行選擇邏輯單元根據(jù)需要，選通相應(yīng)的行像素單元。行像素單元內(nèi)的圖像信號通過各自所在列的信號總線傳輸?shù)綄?yīng)的模擬信號處理單元以及A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號輸出。其中的行選擇邏輯單元可以對像素陣列逐行掃描也可隔行掃描。行選擇邏輯單元與列選擇邏輯單元配合使用可以實現(xiàn)圖像的窗口提取功能。模擬信號處理單元的主要功能是對信號進(jìn)行放大處理，并且提高信噪比。另外，為了獲得質(zhì)量合格的實用攝像頭，芯片中必須包含各種控制電路，如曝光時間控制、自動增益控制等。為了使芯片中各部分電路按規(guī)定的節(jié)拍動作，必須使用多個時序控制信號。為了便于攝像頭的應(yīng)用，還要求該芯片能輸出一些時序信號，如同步信號、行起始信號、場起始信號等。

從某一方面來說，CMOS圖像傳感器在每個像素位置內(nèi)都有一個放大器，這就使其能在很低的帶寬情況下把離散的電荷信號包轉(zhuǎn)換成電壓輸出，而且也僅需要在幀速率下進(jìn)行重置。CMOS圖像傳感器的優(yōu)點之一就是它具有低的帶寬，并增加了信噪比。由于制造工藝的限制，早先的CMOS圖像傳感器無法將放大器放在像素位置以內(nèi)。這種被稱為PPS的技術(shù)，噪聲性能很不理想，而且還引來對CMOS圖像傳感器的種種干擾。

然而今天，隨著制作工藝的提高，使在像素內(nèi)部增加復(fù)雜功能的想法成為可能?，F(xiàn)在，在像素位置以內(nèi)已經(jīng)能增加諸如電子開關(guān)、互阻抗放大器和用來降低固定圖形噪聲的相關(guān)雙采樣保持電路以及消除噪聲等多種附加功能。實際上，在Conexant公司（前Rockwell半導(dǎo)體公司）的一臺先進(jìn)的CMOS攝像機(jī)所用的CMOS圖傳感器上，每一個像素中都設(shè)計并使用了6個晶體管，測試到的讀出噪聲只有1均方根電子。不過，隨著像素內(nèi)電路數(shù)量的不斷增加，留給感光二極管的空間逐漸減少，為了避免這個比例（又稱占空因數(shù)或填充系數(shù)）的下降，一般都使用微透鏡，這是因為每個像素位置上的微小透鏡都能改變?nèi)肷涔饩€的方向，使得本來會落到連接點或晶體管上的光線重回到對光敏感的二極管區(qū)域。

因為電荷被限制在像素以內(nèi)，所以CMOS圖像傳感器的另一個固有的優(yōu)點就是它的防光暈特性。在像素位置內(nèi)產(chǎn)生的電壓先是被切換到一個縱列的緩沖區(qū)內(nèi)，然后再被傳輸?shù)捷敵龇糯笃髦?，因此不會發(fā)生傳輸過程中的電荷損耗以及隨后產(chǎn)生的光暈現(xiàn)象。它的不利因素是每個像素中放大器的閾值電壓都有細(xì)小的差別，這種不均勻性就會引起固定圖像噪聲。然而，隨著CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝的不斷改進(jìn)，這種效應(yīng)已經(jīng)得到顯著弱化。

這種多功能的集成化，使得許多以前無法應(yīng)用圖像技術(shù)的地方現(xiàn)在也變得可行了，如孩子的玩具，更加分散的保安攝像機(jī)、嵌入在顯示器和膝上型計算機(jī)顯示器中的攝像機(jī)、帶相機(jī)的移動電路、指紋識別系統(tǒng)、甚至于醫(yī)學(xué)圖像上所使用的一次性照相機(jī)等，這些都已在某些設(shè)計者的考慮之中。

CMOS圖像傳感器相關(guān)技術(shù)

像元結(jié)構(gòu)和工作原理

CMOS圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換原理與CCD基本相同，其光敏單元受到光照后產(chǎn)生光生電子。而信號的讀出方法卻與CCD不同，每個CMOS源像素傳感單元都有自己的緩沖放大器，而且可以被單獨(dú)選址和讀出。

下圖上部給出了MOS三極管和光敏二極管組成的相當(dāng)于一個像元的結(jié)構(gòu)剖面，在光積分期間，MOS三極管截止，光敏二極管隨入射光的強(qiáng)弱產(chǎn)生對應(yīng)的載流子并存儲在源極的P．N結(jié)部位上[1]。當(dāng)積分期結(jié)束時，掃描脈沖加在MOS三極管的柵極上，使其導(dǎo)通，光敏二極管復(fù)位到參考電位，并引起視頻電流在負(fù)載上流過，其大小與入射光強(qiáng)對應(yīng)。圖2-1下部給出了-個具體的像元結(jié)構(gòu)，由圖可知，MOS三極管源極P．N結(jié)起光電變換和載流子存儲作用，當(dāng)柵極加有脈沖信號時，視頻信號被讀出。

CMOS圖像傳感器陣列結(jié)構(gòu)

下圖所示的是CMOS像敏元陣列結(jié)構(gòu)，它由水平移位寄存器、垂直移位寄存器和CMOS像敏元陣列組成。

 

（1一垂直移位寄存器：2一水平移位寄存器；3一水平掃描開關(guān)；4一垂直掃描開關(guān)；5一像敏元陣列；6一信號線；7一像敏元）

下圖是CMOS攝像器件的原理框圖。

如前所述，各MOS晶體管在水平和垂直掃描電路的脈沖驅(qū)動下起開關(guān)作用。水平移位寄存器從左至右順次地接通起水平掃描作用的MOS晶體管，也就是尋址列的作用，垂直移位寄存器順次地尋址列陣的各行。每個像元由光敏二極管和起垂直開關(guān)作用的MOS晶體管組成，在水平移位寄存器產(chǎn)生的脈沖作用下順次接通水平開關(guān)，在垂直移位寄存器產(chǎn)生的脈沖作用下接通垂直開關(guān)，于是順次給像元的光敏二極管加上參考電壓(偏壓)。被光照的二極管產(chǎn)生載流子使結(jié)電容放電，這就是積分期間信號的積累過程。而上述接通偏壓的過程同時也是信號讀出過程。在負(fù)載上形成的視頻信號大小正比于該像元上的光照強(qiáng)弱。

CMOS圖像傳感器的功能結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖所示，給出了CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)框圖信號流程圖，首先，景物通過成像透鏡聚焦到圖像傳感器陣列上，而圖像傳感器陣列是一個二維的像素陣列，每一個像素上都包括一個光敏二極管，每個像素中的光敏二極管將其陣列表面的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電信號，然后通過行選擇電路和列選擇電路選取希望操作的像素，并將像素上的電信號讀取出來，放大后送相關(guān)雙采樣CDS電路處理，相關(guān)雙采樣是高質(zhì)量器件用來消除一些干擾的重要方法，其基本原理是由圖像傳感器引出兩路輸出，一路為實時信號，另外一路為參考信號，通過兩路信號的差分去掉相同或相關(guān)的干擾信號，這種方法可以減少KTC噪聲、復(fù)位噪聲和固定模式噪聲FPN(Fixed Pattern Noise)，同時也可以降低1／f噪聲，提高了信噪比，此外，它還可以完成信號積分、放大、采樣、保持等功能。然后信號輸出到模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換器上變換成數(shù)字信號輸出。

CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)類型

CCD型和CMOS型固態(tài)圖像傳感器在光檢測方面都利用了硅的光電效應(yīng)原理，不同點在于像素光生電荷的讀出方式。典型的CMOS像素陣列，是一個二維可編址傳感器陣列。傳感器的每一列與一個位線相連，行允許線允許所選擇的行內(nèi)每一個敏感單元輸出信號送入它所對應(yīng)的位線上，位線末端是多路選擇器，按照各列獨(dú)立的列編址進(jìn)行選擇。

 

根據(jù)像素的不同結(jié)構(gòu)，CMOS圖像傳感器可以分為無源像素被動式傳感器（PPS）和有源像素主動式傳感器（APS）。根據(jù)光生電荷的不同產(chǎn)生方式APS又分為光敏二極管型、光柵型和對數(shù)響應(yīng)型，現(xiàn)在又提出了DPS(digital pixel sensor)概念。

無源像素被動式傳感器

 

PPS出現(xiàn)得最早，結(jié)構(gòu)也最簡單，使得CMOS圖像傳感器走向?qū)嵱没?，其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。每一個像素包含一個光敏二極管和一個開關(guān)管TX。當(dāng)TX選通時，光敏二極管中由于光照產(chǎn)生的電荷傳送到了列線col,列線下端的積分放大器將該信號轉(zhuǎn)化為電壓輸出，光敏二極管中產(chǎn)生的電荷與光信號成一定的比例關(guān)系。無源像素具有單元結(jié)構(gòu)簡單、尋址簡單、填充系數(shù)高、量子效率高等優(yōu)點，但它靈敏度低、讀出噪聲大。因此PPS不利于向大型陣列發(fā)展，所以限制了應(yīng)用，很快被APS代替

光敏二極管像素單元

 

光敏二極管像素單元是由光敏二極管，復(fù)位管，源跟隨和行選通開關(guān)管組成，此外還有電荷溢出門管M3，M3的作用是增加電路的靈敏度，用一個較小的電容就能夠檢測到整個光敏二極管的n+擴(kuò)散區(qū)所產(chǎn)生的全部光生電荷，它的柵極接約1V的恒定電壓，在分析器件工作原理時可以忽略將其看成短路。電荷敏感擴(kuò)散電容用做收集光生電荷。復(fù)位管M4對光敏二極管和電容復(fù)位，同時作為橫向溢出門控制光生電荷的積累和轉(zhuǎn)移。源跟隨器M1的作用是實現(xiàn)對信號的放大和緩沖，改善APS的噪聲問題。源跟隨器還可加快總線電容的充放電，因而允許總線長度增加和像素規(guī)模增大。因此，APS比PPS具有低讀出噪聲和高讀出速率等優(yōu)點，但像素單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，填充系數(shù)降低，填充系數(shù)一般只有20%到30%。它的工作過程是：首先進(jìn)入“復(fù)位狀態(tài)”，復(fù)位管打開，對光敏二極管復(fù)位；然后進(jìn)入“取樣狀態(tài)”，復(fù)位管關(guān)閉，光照射到光敏二極管上產(chǎn)生光生載流子，并通過源跟隨器放大輸出；最后進(jìn)入“讀出狀態(tài)”，這時行選通管打開，信號通過列總線輸出。

光柵型APS

 

光柵型APS是由美國噴氣推進(jìn)實驗室（JPL）首先推出的。其中感光結(jié)構(gòu)由光柵PG 和傳輸門TX構(gòu)成。光柵輸出端為漂移擴(kuò)散端，它與光柵PG被傳輸門TX隔開。像素單元還包括一個復(fù)位晶體管，一個源跟隨器和一個行選通晶體管。當(dāng)光照射在像素單元時，在光柵PG處產(chǎn)生電荷；與此同時，復(fù)位管打開，對勢阱復(fù)位；然后復(fù)位管關(guān)閉，行選通管打開，復(fù)位后的電信號由此通路被讀出并暫存起來，之后傳輸門TX打開，光照產(chǎn)生的電信號通過勢阱并被讀出，前后兩次的信號差就是真正的圖像信號。

對數(shù)響應(yīng)型CMOS-APS

對數(shù)響應(yīng)型CMOS-APS擁有很高的動態(tài)范圍。它由光敏二極管、負(fù)載管、源跟隨器和行選通管組成，負(fù)載管柵極是一恒定偏置電壓（不一定要是電源電壓），該像素單元輸出信號與入射光信號成對數(shù)關(guān)系，它的工作特點是光線被連續(xù)地轉(zhuǎn)化為信號電壓，而不像一般APS那樣存在復(fù)位和積分過程。但是，對數(shù)響應(yīng)型CMOS-APS的一個致命缺陷就是對器件參數(shù)相當(dāng)敏感，特別是閾值電壓。

PPS和APS都是在像素外進(jìn)行模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換的，而DPS將模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換集成在每一個像素單元里，每一個像素單元輸出的是數(shù)字信號，工作速度更快，功耗更低。

影響CMOS傳感器性能的主要問題

噪聲

這是影響CMOS傳感器性能的首要問題。這種噪聲包括固定圖形噪聲FPN（Fixed pattern noise）、暗電流噪聲、熱噪聲等。固定圖形噪聲產(chǎn)生的原因是一束同樣的光照射到兩個不同的象素上產(chǎn)生的輸出信號不完全相同。噪聲正是這樣被引入的。對付固定圖形噪聲可以應(yīng)用雙采樣或相關(guān)雙采樣技術(shù)。具體地說來有點像在設(shè)計模擬放大器時引入差分對來抑制共模噪聲。雙采樣是先讀出光照產(chǎn)生的電荷積分信號，暫存然后對象素單元進(jìn)行復(fù)位，再讀取此象素單元地輸出信號。兩者相減得出圖像信號。兩種采樣均能有效抑制固定圖形噪聲。另外，相關(guān)雙采樣需要臨時存儲單元，隨著象素地增加，存儲單元也要增加。

暗電流

物理器件不可能是理想的，如同亞閾值效應(yīng)一樣，由于雜質(zhì)、受熱等其他原因的影響，即使沒有光照射到象素，象素單元也會產(chǎn)生電荷，這些電荷產(chǎn)生了暗電流。暗電流與光照產(chǎn)生的電荷很難進(jìn)行區(qū)分。暗電流在像素陣列各處也不完全相同，它會導(dǎo)致固定圖形噪聲。對于含有積分功能的像素單元來說，暗電流所造成的固定圖形噪聲與積分時間成正比。暗電流的產(chǎn)生也是一個隨機(jī)過程，它是散彈噪聲的一個來源。因此，熱噪聲元件所產(chǎn)生的暗電流大小等于像素單元中的暗電流電子數(shù)的平方根。當(dāng)長時間的積分單元被采用時，這種類型的噪聲就變成了影響圖像信號質(zhì)量的主要因素，對于昏暗物體，長時間的積分是必要的，并且像素單元電容容量是有限的，于是暗電流電子的積累限制了積分的最長時間。

為減少暗電流對圖像信號的影響，首先可以采取降溫手段。但是，僅對芯片降溫是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，由暗電流產(chǎn)生的固定圖形噪聲不能完全通過雙采樣克服?，F(xiàn)在采用的有效的方法是從已獲得的圖像信號中減去參考暗電流信號。

象素的飽和與溢出模糊

類似于放大器由于線性區(qū)的范圍有限而存在一個輸入上限，對于CMOS圖像傳感芯片來說，它也有一個輸入的上限。輸入光信號若超過此上限，像素單元將飽和而不能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。對于含有積分功能的像素單元來說，此上限由光電子積分單元的容量大小決定：對于不含積分功能的像素單元，該上限由流過光電二極管或三極管的最大電流決定。在輸入光信號飽和時，溢出模糊就發(fā)生了。溢出模糊是由于像素單元的光電子飽和進(jìn)而流出到鄰近的像素單元上。溢出模糊反映到圖像上就是一片特別亮的區(qū)域。這有些類似于照片上的曝光過度。溢出模糊可通過在像素單元內(nèi)加入自動泄放管來克服，泄放管可以有效地將過剩電荷排出。但是，這只是限制了溢出，卻不能使象素能真實還原出圖像了。

CMOS圖像傳感器參數(shù)

1、傳感器尺寸

CMOS圖像傳感器的尺寸越大，則成像系統(tǒng)的尺寸越大，捕獲的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。目前，CMOS圖像傳感器的常見尺寸有1英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等。

 

2、像素總數(shù)和有效像素數(shù)

像素總數(shù)是指所有像素的總和，像素總數(shù)是衡量CMOS圖像傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)之一。CMOS圖像傳感器的總體像素中被用來進(jìn)行有效的光電轉(zhuǎn)換并輸出圖像信號的像素為有效像素。顯而易見,有效像素總數(shù)隸屬于像素總數(shù)集合。有效像素數(shù)目直接決定了CMOS圖像傳感器的分辨能力。

3、動態(tài)范圍

動態(tài)范圍由CMOS圖像傳感器的信號處理能力和噪聲決定,反映了CMOS圖像傳感器的工作范圍。參照CCD的動態(tài)范圍,其數(shù)值是輸出端的信號峰值電壓與均方根噪聲電壓之比,通常用DB表示。

 

4、靈敏度

圖像傳感器對入射光功率的響應(yīng)能力被稱為響應(yīng)度。對于CMOS圖像傳感器來說,通常采用電流靈敏度來反映響應(yīng)能力,電流靈敏度也就是單位光功率所產(chǎn)生的信號電流。

5、分辨率

分辨率是指CMOS圖像傳感器對景物中明暗細(xì)節(jié)的分辨能力。通常用調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)來表示,同時也可以用空間頻率(lp/mm)來表示。

6、光電響應(yīng)不均勻性

CMOS圖像傳感器是離散采樣型成像器件,光電響應(yīng)不均勻性定義為CMOS圖像傳感器在標(biāo)準(zhǔn)的均勻照明條件下,各個像元的固定噪聲電壓峰峰值與信號電壓的比值。

7、光譜響應(yīng)特性

CMOS圖像傳感器的信號電壓Vs和信號電流Is是入射光波長λ的函數(shù)。光譜響應(yīng)特性就是指CMOS圖像傳感器的響應(yīng)能力隨波長的變化關(guān)系,它決定了CMOS圖像傳感器的光譜范圍。