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(shí)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(diǎn)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(jià)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(diǎn)，它適合大規(guī)模批量生產(chǎn)，適用于要求小尺寸、低價(jià)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議系統(tǒng)、無線手持式視頻會(huì)議系統(tǒng)、條形碼掃描器、傳真機(jī)、玩具、生物顯微計(jì)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(dòng)器、列驅(qū)動(dòng)器、時(shí)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(dòng)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(jì)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(gè)圖像系統(tǒng)。一個(gè)典型的CMOS圖像傳感器通常包含：一個(gè)圖像傳感器核心（是將離散信號電平多路傳輸?shù)揭粋€(gè)單一的輸出，這與CCD圖像傳感器很相似），所有的時(shí)序邏輯、單一時(shí)鐘及芯片內(nèi)的可編程功能，比如增益調(diào)節(jié)、積分時(shí)間、窗口和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。事實(shí)上，當(dāng)一位設(shè)計(jì)者購買了CMOS圖像傳感器后，他得到的是一個(gè)包括圖像陣列邏輯寄存器、存儲器、定時(shí)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(gè)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(jià)格更低的優(yōu)點(diǎn)。

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(shí)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(shí)用攝像頭，芯片中必須包含各種控制電路，如曝光時(shí)間控制、自動(dòng)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(dòng)作，必須使用多個(gè)時(shí)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(shí)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(gè)像素位置內(nèi)都有一個(gè)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(diǎn)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(shí)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(gè)像素中都設(shè)計(jì)并使用了6個(gè)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(gè)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?yàn)槊總€(gè)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(huì)落到連接點(diǎn)或晶體管上的光線重回到對光敏感的二極管區(qū)域。

因?yàn)殡姾杀幌拗圃谙袼匾詢?nèi)，所以CMOS圖像傳感器的另一個(gè)固有的優(yōu)點(diǎn)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(gè)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?huì)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(gè)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(huì)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(jì)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(jì)算機(jī)顯示器中的攝像機(jī)、帶相機(jī)的移動(dòng)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(jì)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(gè)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(gè)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(shí)，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(gè)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(shí)，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(dòng)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(gè)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(shí)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(gè)二維的像素陣列，每一個(gè)像素上都包括一個(gè)光敏二極管，每個(gè)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(shí)時(shí)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(shí)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(diǎn)在于像素光生電荷的讀出方式。典型的CMOS像素陣列，是一個(gè)二維可編址傳感器陣列。傳感器的每一列與一個(gè)位線相連，行允許線允許所選擇的行內(nèi)每一個(gè)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(dòng)式傳感器（PPS）和有源像素主動(dòng)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(dòng)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(gè)像素包含一個(gè)光敏二極管和一個(gè)開關(guān)管TX。當(dāng)TX選通時(shí)，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(diǎn)，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(gè)較小的電容就能夠檢測到整個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)，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(shí)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(shí)驗(yàn)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(gè)復(fù)位晶體管，一個(gè)源跟隨器和一個(gè)行選通晶體管。當(dāng)光照射在像素單元時(shí)，在光柵PG處產(chǎn)生電荷；與此同時(shí)，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(dòng)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(diǎn)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(gè)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(gè)像素單元里，每一個(gè)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(gè)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(diǎn)像在設(shè)計(jì)模擬放大器時(shí)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(shí)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(huì)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(huì)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(shí)間成正比。暗電流的產(chǎn)生也是一個(gè)隨機(jī)過程，它是散彈噪聲的一個(gè)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(shí)間的積分單元被采用時(shí)，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(shí)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(shí)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(gè)輸入上限，對于CMOS圖像傳感芯片來說，它也有一個(gè)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(shí)，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(dòng)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(shí)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?cái)?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?cái)?shù)目直接決定了CMOS圖像傳感器的分辨能力。

3、動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)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(dòng)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(shí)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(gè)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。