【導(dǎo)讀】圖像傳感器是數(shù)字成像系統(tǒng)的主要組成部分之一，對(duì)整體系統(tǒng)性能有很大影響。圖像傳感器的兩種主要類型是電荷耦合器件 (CCD) 和 CMOS 成像器。在本文中，我們將了解 CMOS 圖像傳感器的基礎(chǔ)知識(shí)。
圖像傳感器是數(shù)字成像系統(tǒng)的主要組成部分之一，對(duì)整體系統(tǒng)性能有很大影響。圖像傳感器的兩種主要類型是電荷耦合器件 (CCD) 和 CMOS 成像器。在本文中，我們將了解 CMOS 圖像傳感器的基礎(chǔ)知識(shí)。
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CMOS 光電探測(cè)器
大多數(shù) CMOS 光電探測(cè)器都基于 PN 結(jié)光電二極管的工作原理。當(dāng)光電二極管反向偏置時(shí)（反向電壓小于雪崩擊穿電壓），與入射光強(qiáng)度成正比的電流分量將流過二極管。該電流分量通常稱為光電流。
由于光電流隨光強(qiáng)度線性增加，我們可以使用光電二極管來構(gòu)建光電探測(cè)器。這種光電檢測(cè)結(jié)構(gòu)的抽象表示如下所示。
(a) 光電探測(cè)器示例示意圖 (b) 光電流值隨時(shí)間的變化。圖片由Abbas El Gamal提供。
復(fù)位開關(guān)在曝光周期開始時(shí)閉合，以將光電二極管反向偏置到電壓 VD。接下來，開關(guān)打開，產(chǎn)生與入射光強(qiáng)度成正比的光電流。該電流在飛安到皮安的范圍內(nèi)，并且太小而無法直接測(cè)量。如果我們讓光電二極管暴露在光線下一段時(shí)間，tint，電流將在二極管電容 CD 上積分。存儲(chǔ)的電荷為我們提供了更易于測(cè)量的更強(qiáng)的累積信號(hào)。此外，合并的平均過程使累積信號(hào)更忠實(shí)地表示測(cè)得的光強(qiáng)度，尤其是在處理微弱或嘈雜的信號(hào)時(shí)。
請(qǐng)注意，阱容量 Qwell 設(shè)置了 CD 可以容納的電荷量的上限。超過一定的光照強(qiáng)度，二極管將飽和，累積的電荷將等于值，如上圖所示。因此，必須謹(jǐn)慎選擇積分期。
另一個(gè)應(yīng)該考慮的非理想效應(yīng)是，除了光電流之外，還有另一種稱為暗電流的電流分量流過二極管。暗電流是在沒有光的情況下產(chǎn)生的電流。必須化該電流分量以化器件靈敏度。
CMOS 圖像傳感器的框圖
CMOS圖像傳感器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。
圖片由Edmund Optics提供。
二維光電探測(cè)器陣列用于檢測(cè)入射光強(qiáng)度。光電探測(cè)器產(chǎn)生的電荷被轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并通過“行選擇”和“列選擇”開關(guān)陣列傳遞到輸出放大器。ADC 用于將放大信號(hào)數(shù)字化。
為了執(zhí)行讀出，給定行的像素值被并行傳輸?shù)揭唤M存儲(chǔ)電容器（上面未示出），然后，這些傳輸?shù)南袼刂当豁樞蜃x出。
上圖顯示了 APS（有源像素傳感器）架構(gòu)。在 APS 設(shè)備中，每個(gè)像素位置不僅包含光電二極管，還包含放大器。一種稱為 PPS（無源像素傳感器）的更簡(jiǎn)單的架構(gòu)沒有將放大器集成到像素中。在 DPS（數(shù)字像素傳感器）設(shè)備中，每個(gè)像素都有自己的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和存儲(chǔ)塊。因此，DPS 架構(gòu)中的像素輸出與光強(qiáng)度成比例的數(shù)字值。
DPS 或圖表像素傳感器的示意圖。圖片由Abbas El Gamal提供。
CMOS 圖像傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)
顧名思義，CMOS 圖像傳感器采用標(biāo)準(zhǔn) CMOS 技術(shù)制造。這是一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗试S我們將傳感器與成像系統(tǒng)所需的其他模擬和數(shù)字電路集成在一起。集成解決方案使我們能夠降低功耗并提高讀出速度。其他圖像傳感器技術(shù)并非如此，例如電荷耦合器件 (CCD)，它們基于針對(duì)電荷轉(zhuǎn)移和成像優(yōu)化的專用制造技術(shù)。
CMOS 圖像傳感器的一個(gè)缺點(diǎn)是讀出路徑中有幾個(gè)有源器件會(huì)產(chǎn)生時(shí)變?cè)肼暋４送猓圃觳灰恢聲?huì)導(dǎo)致不同像素的電荷電壓放大器之間的不匹配。這會(huì)導(dǎo)致固定模式噪聲，其中不同的像素即使暴露在均勻的光照下也會(huì)產(chǎn)生不同的值。
滾動(dòng)快門偽影
對(duì)于許多 CMOS 圖像傳感器，不同像素行的曝光周期開始時(shí)間略有不同。通常，行從上到下按順序重置。在給定行的積分時(shí)間過去后，它的讀數(shù)應(yīng)該開始。因此，光積分從上到下依次發(fā)生，就像重置過程一樣。在捕捉快速移動(dòng)的物體時(shí)，這可能會(huì)導(dǎo)致一種稱為滾動(dòng)快門偽像的失真。這是因?yàn)楫?dāng)所有像素都被捕獲時(shí)，具有快速移動(dòng)物體的場(chǎng)景可能會(huì)發(fā)生變化。滾動(dòng)快門偽影本身表現(xiàn)為捕獲場(chǎng)景中的一些非剛性或彎曲。下圖對(duì)此進(jìn)行了說明。
圖片由安森美半導(dǎo)體提供。
現(xiàn)代高端 CMOS 傳感器具有更快的讀出速率，并且可以更輕松地避免這種不理想的效果。此外，還有帶有全局快門的 CMOS 圖像傳感器，其中所有像素的重置和曝光周期同時(shí)發(fā)生。在積分時(shí)間結(jié)束時(shí)，不同像素的累積電荷被同時(shí)轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)區(qū)以供進(jìn)一步處理。由于所有像素的曝光周期同時(shí)發(fā)生，因此不會(huì)有滾動(dòng)快門效果。
結(jié)論
反向偏置光電二極管產(chǎn)生與入射光強(qiáng)度成正比的電流分量。這些光電探測(cè)器的二維陣列可用于實(shí)現(xiàn) CMOS 圖像傳感器。CMOS 圖像傳感器中的像素可以具有不同級(jí)別的復(fù)雜性。例如，CMOS 圖像傳感器的像素不僅可以包含光電二極管，還可以包含放大器。DPS（數(shù)字像素傳感器）設(shè)備采用更復(fù)雜的像素，其中每個(gè)像素都有自己的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和存儲(chǔ)塊。
CMOS 圖像傳感器重要的優(yōu)勢(shì)是可以將傳感器與成像系統(tǒng)所需的其他模擬和數(shù)字電路集成在一起。可以降低 CMOS 圖像傳感器性能的兩個(gè)噪聲源是不同像素組件之間的制造不匹配以及讀出路徑中有源器件的噪聲。
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