CMOS圖像傳感器框架圖及優(yōu)缺點(diǎn)

圖像傳感器是數(shù)字成像系統(tǒng)的主要構(gòu)建塊之一，對整個(gè)系統(tǒng)性能有很大影響。兩種主要類型的圖像傳感器是電荷耦合器件 （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。

查看我們關(guān)于電荷耦合器件 （CCD） 圖像傳感器的系列。您可以從 CCD 的結(jié)構(gòu)和功能開始。

1 CMOS 光電探測器

大多數(shù) CMOS 光電探測器都基于 PN 結(jié)光電二極管的操作。當(dāng)光電二極管反向偏置（且反向電壓小于雪崩擊穿電壓）時(shí)，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)建光電探測器。這種光檢測結(jié)構(gòu)的抽象表示如下所示。

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)打開并產(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。存儲的電荷為我們提供了更容易測量的更強(qiáng)的累積信號。此外，合并的平均過程使累積信號更忠實(shí)地表示測量的光強(qiáng)度，尤其是在處理微弱或嘈雜的信號時(shí)。

請注意，阱容量 Qwell 設(shè)置了 CD 可以容納的電荷量的上限。超過一定的光強(qiáng)，二極管將飽和，累積電荷將等于上圖所示的最大值。因此，必須謹(jǐn)慎選擇整合期。

另一個(gè)應(yīng)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。必須最小化該電流分量以最大化器件靈敏度。

2CMOS 圖像傳感器框圖

CMOS 圖像傳感器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。

二維陣列的光電探測器用于檢測入射光強(qiáng)度。光電檢測器產(chǎn)生的電荷被轉(zhuǎn)換為電壓信號，并通過“行選擇”和“列選擇”開關(guān)陣列傳遞到輸出放大器。ADC 用于將放大的信號數(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（主動像素傳感器）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，還包含一個(gè)放大器。一種更簡單的架構(gòu)，稱為 PPS（無源像素傳感器），不會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)換器和存儲塊。因此，DPS 架構(gòu)中的像素輸出與光強(qiáng)度成正比的數(shù)字值。

3CMOS 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，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。集成解決方案使我們能夠降低功耗并提高讀取速度。這與其他圖像傳感器技術(shù)不同，例如電荷耦合器件 （CCD），這些技術(shù)基于針對電荷轉(zhuǎn)移和成像而優(yōu)化的專用制造技術(shù)。

CMOS 圖像傳感器的一個(gè)缺點(diǎn)是在讀出路徑中有多個(gè)有源器件，它們會產(chǎn)生時(shí)變噪聲。此外，制造不一致會導(dǎo)致不同像素的電荷電壓放大器之間不匹配。這會導(dǎo)致固定模式噪聲，即使它們暴露在均勻的照明下，不同的像素也會產(chǎn)生不同的值。

4滾動快門偽像

對于許多 CMOS 圖像傳感器，不同像素行的曝光周期開始的時(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，應(yīng)開始讀出。因此，光積分就像重置過程一樣從上到下依次發(fā)生。在捕捉快速移動的物體時(shí)，這會導(dǎo)致一種稱為滾動快門偽影的失真。這是因?yàn)樵诓东@所有像素時(shí)，具有快速移動對象的場景可能會發(fā)生變化。卷簾快門偽像表現(xiàn)為捕獲場景中的一些非剛性或彎曲。這如下圖所示。

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非理想效應(yīng)。此外，還有具有全局快門的 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同時(shí)轉(zhuǎn)移到存儲區(qū)域以供進(jìn)一步處理。由于所有像素的曝光周期同時(shí)發(fā)生，因此不會出現(xiàn)卷簾快門效果。

5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程度的復(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)換器和存儲塊。

CMOS 圖像傳感器最重要的優(yōu)勢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。會降低 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來自讀出路徑中的有源器件的噪聲。

編輯：jq