一個(gè)簡(jiǎn)單的傳感器測(cè)量技術(shù) 淺談CMOS和CCD傳感器的區(qū)別

目前，大概有95%的數(shù)碼相機(jī)使用的是CMOS圖像傳感器，只有很小一部分在用CCD。從傳感器輸出的角度來(lái)看，CMOS和CCD傳感器的主要區(qū)別在于，CMOS傳感器中的每個(gè)像素在光敏區(qū)旁邊都有自己的讀出電路。在CCD中，在施加于柵極結(jié)構(gòu)的電壓影響下，以單個(gè)像素收集的電荷隨后沿著傳輸通道移動(dòng)以讀出。

要理解圖像傳感器測(cè)量，就得了解傳感器技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)。此外，值得注意的一點(diǎn)是，對(duì)內(nèi)置在移動(dòng)電話等終端設(shè)備中的圖像傳感器進(jìn)行測(cè)量的機(jī)會(huì)非常有限。這是因?yàn)闆](méi)有直接訪問(wèn)傳感器輸出。測(cè)量通常在傳感器芯片上進(jìn)行。

我們快速回顧一下IC的一些基礎(chǔ)知識(shí)。

切開(kāi)CCD，會(huì)發(fā)現(xiàn)CCD的結(jié)構(gòu)就像三明治一樣，第一層是微型鏡頭，第二層是分色濾色片，以及第三層感光匯流片。

第一層鏡頭。這是為了有效提升CCD的像素，又要確保單一像素持續(xù)縮小以維持CCD的標(biāo)準(zhǔn)體積。

第二層分色濾色片，目前有兩種分色方式，一是RGB原色分色法，另一個(gè)則是CMYG補(bǔ)色分色法，這兩種方法各有利弊。

第三層感光匯流片，這層主要是負(fù)責(zé)將穿透濾色層的光源轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)，并將信號(hào)傳送到影像處理芯片，將影像還原。

CCD傳感器基本工作原理，光照射每個(gè)像素產(chǎn)生電荷并累積。由于CCD只有一個(gè)讀出端口，因此需要串行的將每個(gè)像素的電荷在像素之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移到輸出端口。最終將電荷轉(zhuǎn)換為電壓，進(jìn)行放大和AD轉(zhuǎn)換得到圖像。

CCD結(jié)構(gòu)reCCD芯片包含大量的二維排列的光敏(像素)元素。當(dāng)偏壓正確時(shí)，元件會(huì)捕獲并保持光子誘導(dǎo)的載流子。CCD的基本光敏單元是一個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電容器，它作為光電二極管和載流子存儲(chǔ)設(shè)備工作。反向偏壓導(dǎo)致帶負(fù)電荷的電子遷移到帶正電荷的柵電極下面的區(qū)域。被光子相互作用釋放的電子被儲(chǔ)存在耗竭區(qū)，達(dá)到所謂的全井儲(chǔ)層容量。

在一個(gè)完整的CCD中，陣列中的單個(gè)傳感元件被施加在表面電極上的電壓隔離在一個(gè)維度內(nèi)。它們也通過(guò)硅襯底內(nèi)的絕緣屏障或通道停止，在另一個(gè)方向上與相鄰的元素隔離。

CCD的高敏感光電二極管元件通過(guò)吸收大部分能量來(lái)響應(yīng)入射光子，從而釋放電子。這一過(guò)程會(huì)在硅晶格中形成缺電子點(diǎn)(空穴)，每個(gè)吸收的光子都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)。在每個(gè)像素中累積的電荷與入射光子的數(shù)量成線性比例。

施加在每個(gè)像素電極上的外部電壓控制累積電荷的存儲(chǔ)和移動(dòng)。雖然負(fù)電荷的電子或正電荷的洞可以積累(取決于CCD設(shè)計(jì))，由入射光產(chǎn)生的電荷通常被稱為光電子。

CCD的成像過(guò)程通常分為四個(gè)階段:

光電轉(zhuǎn)換——電荷儲(chǔ)存——電荷轉(zhuǎn)移——電荷檢測(cè)。光電轉(zhuǎn)換就是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，CCD內(nèi)部是由許多的光敏像素組成的，每像素就是一個(gè)光敏二極管，檢測(cè)像素上產(chǎn)生的電荷，產(chǎn)生的信號(hào)電荷的數(shù)量直接與入射光的強(qiáng)度及曝光時(shí)間成正比。

CCD圖像傳感器可直接將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)圖像的獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。其顯著特點(diǎn)是：

1.體積小重量輕;

2.功耗小，工作電壓低，抗沖擊與震動(dòng)，性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng);

3.靈敏度高，噪聲低，動(dòng)態(tài)范圍大;

4.響應(yīng)速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無(wú)殘像。

CCD中每個(gè)感測(cè)元件存儲(chǔ)的電荷通過(guò)電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程轉(zhuǎn)移到一個(gè)讀出節(jié)點(diǎn)。通過(guò)控制電容器門(mén)上的電壓，使電荷從一個(gè)電容器溢出到下一個(gè)電容器，或從一排電容器溢出到下一排電容器，電荷就可以在設(shè)備之間移動(dòng)。因?yàn)镃CD是一個(gè)串行設(shè)備，所以每次讀取一個(gè)電荷包。

并行和串行傳輸?shù)慕M合將每個(gè)傳感器元件的電荷包按順序傳送到單個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)。CCD電極(柵)網(wǎng)絡(luò)形成電荷轉(zhuǎn)移的移位寄存器。整個(gè)并行寄存器的電荷耦合移位將最接近寄存器邊緣的像素電荷行移動(dòng)到沿著芯片的一個(gè)邊緣的專門(mén)的單行像素，稱為串行寄存器。從這一行電荷包依次移動(dòng)到片上放大器進(jìn)行測(cè)量。一旦清空，串行寄存器就會(huì)被另一個(gè)并行寄存器的行移位重新填充，循環(huán)重復(fù)。

所以，對(duì)近乎完美的電荷轉(zhuǎn)移的需求，造成了CCD圖像傳感器的制造復(fù)雜化。

CMOS傳感器剛好避免了這個(gè)問(wèn)題。最簡(jiǎn)單的CMOS成像儀使用沒(méi)有放大的像素，每個(gè)像素由一個(gè)光電二極管和一個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)組成。CMOS傳感器在每個(gè)像素處即將電荷轉(zhuǎn)換為了電壓，因而導(dǎo)致了很多獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)，如今已經(jīng)在絕大多數(shù)應(yīng)用中代替了CCD。第一代CMOS傳感器技術(shù)為PPS（passive pixelssensor）,第二代為APS（active pixels sensor）。APS每個(gè)像素包含一個(gè)或多個(gè)MOSFET放大器，將光產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換為電壓，放大信號(hào)電壓，并減少噪聲。CMOS傳感器還使用一種特殊的光電探測(cè)器，稱為pin型光電二極管，這種光電二極管對(duì)低延遲、低噪聲、高量子效率和低暗電流進(jìn)行了優(yōu)化。

今天的標(biāo)準(zhǔn)CMOS APS像素包括一個(gè)光電探測(cè)器(pin型光電二極管)，一個(gè)浮動(dòng)擴(kuò)散，以及由四個(gè)CMOS晶體管組成的所謂的4T電池，一個(gè)轉(zhuǎn)移門(mén)、復(fù)位門(mén)、選擇門(mén)和一個(gè)源跟隨讀出晶體管。固定的光電二極管允許電荷完全轉(zhuǎn)移到浮動(dòng)擴(kuò)散(進(jìn)一步連接到讀出晶體管的柵極)，消除了延遲。

CMOS和CCD傳感的一個(gè)很大的區(qū)別是，每個(gè)CMOS傳感器像素都有自己的讀出電路，它位于光敏區(qū)旁。CMOS圖像傳感器足夠便宜，可以用于智能手機(jī)，而且比CCD傳感器消耗更少的電能。它們還允許像素級(jí)的圖像處理，用于感興趣的區(qū)域、分類、過(guò)濾等。但是CMOS傳感器往往表現(xiàn)出較低的動(dòng)態(tài)范圍，更多的讀取噪聲和更不均勻的空間響應(yīng)。由于這些原因，測(cè)量傳感器的特性必不可少。

這里介紹一個(gè)簡(jiǎn)單的傳感器測(cè)量技術(shù)，使用一個(gè)小的積分球(基本上是一個(gè)空心球腔，內(nèi)部覆蓋著一層漫射的白色反射涂層)，由一個(gè)白色LED，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)光電二極管照明，其光譜響應(yīng)已知，以及一個(gè)發(fā)射窄波段可選光波長(zhǎng)的小型單色器。

測(cè)量傳感器質(zhì)量的一種方法是從黑暗狀態(tài)下開(kāi)始。在具有可設(shè)置積分時(shí)間(即光傳感器暴露于環(huán)境光的時(shí)間)的傳感器中，通常的方法是將積分時(shí)間保持在約1毫秒或更短的時(shí)間內(nèi)。然后測(cè)量暗輸出，通常在數(shù)據(jù)表上以ADU(模擬數(shù)字單元)的形式列出，ADU也曾被稱為最低有效位。這個(gè)讀數(shù)可以與數(shù)據(jù)表上列出的值相比較，數(shù)據(jù)表值通常在25°C。這一差異說(shuō)明了為什么在低照度環(huán)境下使用的傳感器必須冷卻。

為了求出探測(cè)器的光譜響應(yīng)，我們使用了已知光譜響應(yīng)的單分子和光二極管。簡(jiǎn)單回顧一下，單色儀傳輸由操作者選擇的可選的窄帶波長(zhǎng)的光。通過(guò)使用校準(zhǔn)的光電二極管可以測(cè)量傳感器的輻照度，即單位面積的輻射能落在傳感器上的功率。

傳感器芯片制造商會(huì)公布其設(shè)備的光譜響應(yīng)，通常以1 nJ/cm2輸入的輸出電平與波長(zhǎng)(以納米為單位)的圖表表示。單色儀讀數(shù)可以與公布的水平進(jìn)行比較，以驗(yàn)證傳感器響應(yīng)。

在普通的Czerny-Turner 單色器中，一個(gè)寬帶照明光源(a)指向入口狹縫(B)?？捎玫墓饽軘?shù)量取決于狹縫(寬×高)定義的空間中光源的強(qiáng)度和光學(xué)系統(tǒng)的接受角度。狹縫被放置在曲面鏡的有效聚焦處(準(zhǔn)直器，C)，這樣從狹縫反射的光線就是平行的(無(wú)限聚焦)，通常被稱為準(zhǔn)直光束。準(zhǔn)直光束從光柵(D)中衍射出來(lái)，由另一個(gè)鏡子(E)收集，鏡子(E)將分散的光重新聚焦在出口狹縫(F)上。在棱鏡單色儀中，反射棱鏡代替衍射光柵，在這種情況下，光線被棱鏡折射。在出口狹縫處，不同顏色的光被擴(kuò)散開(kāi)來(lái)。由于每種顏色都到達(dá)出口狹縫平面上的一個(gè)單獨(dú)的點(diǎn)，所以在出射縫平面上有一系列的聚焦圖像。由于入口狹縫的寬度有限，附近圖像的部分重疊。離開(kāi)出口狹縫(G)的光包含所選顏色的進(jìn)口狹縫的整個(gè)圖像加上附近顏色的進(jìn)口狹縫圖像的部分。由于色散元件的旋轉(zhuǎn)使得色帶相對(duì)于出口狹縫多少有些移動(dòng)，因此所需的入口狹縫圖像就集中在出口狹縫上。離開(kāi)出口狹縫的顏色范圍是狹縫寬度的函數(shù)。入口和出口的狹縫寬度是一起調(diào)整的。

最后總結(jié)一下CMOS vs CCD

“獨(dú)具慧眼”的量子圖像傳感器

最后，介紹一下一種全新圖像傳感器，量子圖像傳感器(QIS)。QIS通過(guò)計(jì)算光電子在空間和時(shí)間上的數(shù)量來(lái)計(jì)算圖像。QIS由映像點(diǎn)（jots）的特殊像素組成，而不是“像素(pixels)”，每個(gè)映像點(diǎn)(jots)都可以探測(cè)到單個(gè)光子。它們的全井容量(飽和前產(chǎn)生的載流子數(shù)量)只有幾個(gè)電子，而且它們不使用雪崩倍增。

QIS可能包含數(shù)億甚至數(shù)十億的jots，讀取速度可能達(dá)到每秒1000或更高，這意味著原始數(shù)據(jù)速率接近1 Tbit/sec。通過(guò)使用先進(jìn)的降噪算法，良好的灰度圖像可以在平均每像素不到一個(gè)光子的極低光線下捕獲。

得益于QIS對(duì)單個(gè)光子敏感，所以它具有令人艷羨的‘視力’，可以在微弱的光線下看到物體。例如，圣誕樹(shù)上的一顆裝飾燈泡，每秒產(chǎn)生的光子數(shù)量就高達(dá)10^19個(gè)，由此可以想想一個(gè)光子有多暗淡!”

芯片測(cè)試表明，在室溫和60℃下，QIS芯片的暗電流都非常低。同時(shí)，研究人員還對(duì)高速單光子成像進(jìn)行了測(cè)試，并展示了一百萬(wàn)像素分辨率、1040 fps的讀出速度。未來(lái)，他們將使QIS芯片能夠以非?？斓乃俣葤呙钄?shù)億甚至數(shù)十億個(gè)映像點(diǎn)(jots)。

普通的CCD和CMOS圖像傳感器將接收到的光電電荷集成并進(jìn)行數(shù)字化。它們的全井容量定義了動(dòng)態(tài)范圍的上限，而讀噪定義了下限。在下限處的一個(gè)問(wèn)題是，這些傳感器使用的光雪崩過(guò)程在微光下會(huì)引起問(wèn)題，例如電荷增益的變化。此外，它們對(duì)硅缺陷也很敏感，導(dǎo)致高暗電荷載流子計(jì)數(shù)率，這限制了低光性能和制造良率。

另一方面，在QIS光子計(jì)數(shù)圖像傳感器中，圖像像素由一系列隨時(shí)間和在指定空間內(nèi)的jots計(jì)算而成。當(dāng)QIS一次拍攝一個(gè)光子時(shí)，它仍然可以通過(guò)特殊的多次高速曝光來(lái)實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍(>120 dB)。

編輯：hfy