像素級雙采樣存儲技術可提高CMOS圖像的實時處理速度

1、 前言

近些年來，隨著CMOS技術的飛速發(fā)展，以及持續(xù)增加的應用需求，CMOS圖像傳感器技術得以迅速發(fā)展。CMOS圖像傳感器具有高度集成化、功耗低、單一工作電壓、局部像素可編程隨機讀取等優(yōu)點。但隨著應用的需要，CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍有待進一步提高，如典型的CMOSAPS（ActivePixelSensor）圖像傳感器動態(tài)范圍為65～75dB，難于滿足更寬照度范圍攝像場景要求。一般來說，具有較高動態(tài)范圍的傳感器可以探測更寬的場景照度范圍，從而可以產(chǎn)生更多細節(jié)的圖像，可以說，動態(tài)范圍在一定意義上，決定著CMOS圖像傳感器的質量。CMOSAPS圖像傳感器動態(tài)范圍的擴展可采用各種方法，其中多次曝光技術是一種較為有效的方法，其在獲得高動態(tài)范圍的同時，有較高的信噪比SNR。采用多次曝光方法，一幅場景以不同的曝光時間被攝像幾次，所捕獲圖像用于組合成更高動態(tài)范圍的圖像，曝光次數(shù)愈多，信號變化范圍愈均勻，但多于兩次的曝光，一般需要在片上或片外存儲器支持，信號處理復雜，使傳感器的幀頻受到限制，如果在像素內應用兩次曝光采樣存儲的方法，可在擴展動態(tài)范圍基礎上，適合于高速應用場合。

2 、像素級采樣存儲技術的工作原理

為了擴展CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍，可應用兩次曝光方法，即一幅場景用長積分時間曝光和短積分時間曝光攝像兩次，兩幅圖像組合成一幅高動態(tài)范圍的圖像。從理論上說，短的積分時間圖像捕獲了場景高照度區(qū)域，長積分時間圖像在足夠的積分時間后，捕獲了場景低照度區(qū)域，若短曝光時間為Tint2和長曝光時間為Tint1，則傳感器的動態(tài)范圍增強因子DRF為：

其中，qmax是傳感器的最大阱容，a=Tint1/Tint2，id是暗電流?？梢?，當暗電流較小時，動態(tài)范圍增強因子為a，同時理論分析表明雙采樣技術也可獲得較高信噪比SNR。在CMOSAPS圖像傳感器中，采用傳統(tǒng)的PD（PhotoDiode）APS像素結構，應用兩次曝光方法，采用兩個并行列信號處理路徑實現(xiàn)雙采樣，可以同時讀出兩幅圖像，雖然可獲得寬動態(tài)范圍的圖像，但圖像組合處理在片外執(zhí)行，使得圖像的實時處理速度受到一定的限制，難于滿足高速應用場合的要求。

為了能夠在擴展動態(tài)范圍同時，且適合于高速應用場合，一種可行的方法是應用像素級采樣存儲技術，將曝光采樣及圖像組合處理在像素內實現(xiàn)，這樣可有效提高圖像的實時處理速度。為此，人們對像素級的采樣存儲技術進行了廣泛的研究，幾種可能的像素單元結構如圖1所示。圖1（a）中，采樣保持電路中只采用MOS開關，這種結構雖然可獲得較小的面積，但讀出數(shù)據(jù)時，與CMOSPPS（PassivePixelSensor）像素結構類似，容易受噪聲的干擾，因而SNR較差，并且讀取一次數(shù)據(jù)后，像素內存儲器C1上數(shù)據(jù)信息被毀壞，而實際應用中往往希望能夠對像素數(shù)據(jù)多次讀取，這需要存儲電容上的電壓值在讀取期間保持不變，因此這種結構難于獲得可接受的效果。

圖1像素級的采樣存儲技術：（a）只用MOS開關;（b）采用單級緩沖器;（c）采用兩級緩沖器

為了改善讀出噪聲，并且適合于多次讀取的應用，可在存儲電容C1和讀出選通開關之間增加緩沖器A2，如圖1（b）所示，緩沖器一般采用簡單的源極跟隨器配置結構，和典型的CMOSAPS像素結構相似，這可以有效改善像素的性能，但增加了像素面積。所報道的應用像素存儲技術的CMOS圖像傳感器大多采用了這種結構，在這種結構中，在對光敏二極管上像素信息采樣期間，二極管中光生電荷與存儲電容C1共享，當采樣開關打開時，由于MOS開關的非理想特性，導致電荷注入效應，引起采樣誤差，為了減小這種效應，在像素設計時，需要使光電二極管電容與存儲電容的比值最佳化，通常使兩者近似相等。為了提高光生電荷的收集效率，改善SNR，一般光敏二極管有較大的電容，這使得存儲電容也應當具有差不多同樣的量值，而源極跟隨器A2柵極節(jié)點處的寄生電容相對較小，難于滿足存儲電容的需要，所以通常采用CMOS工藝中可行的具有良好性能的MOS電容來增加存儲電容，由于版圖設計規(guī)則的要求，使像素面積有較大的增加。

為了實現(xiàn)像素級的雙采樣和圖像組合處理，可采用圖1（b）類似的像素結構，首先進行長時間積分曝光，采樣時，長積分時間的光生電荷在光敏二極管電容與存儲電容間共享，然后進行短積分時間曝光，使長短兩次積分時間曝光的光生電荷在光敏二極管內直接組合，從而獲得動態(tài)范圍的改善。在這種像素結構中曝光模式采用了傳統(tǒng)的滾動曝光，而在一些工業(yè)和科學應用中，常需要對快速運動的目標或脈沖光照攝像，若采用滾動曝光模式將導致嚴重的運動失真，此時應采用具有同步曝光模式，即所有像素同時積分曝光，隨后將信號電荷存儲到像素內的采樣保持電容，一直到讀出。如果使這種結構像素工作于同步曝光模式，由于圖像直接組合處理在光敏二極管內進行，若在像素數(shù)據(jù)讀出的同時進行曝光采樣將毀壞當前幀的數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)的讀出和曝光不能同時進行，這將極大限制了傳感器的數(shù)據(jù)處理速度。因此，這種像素雙采樣方法雖然可以獲得動態(tài)范圍的改善，但是難于應用于需要同步曝光的高速應用。

可見要適合于同步曝光的高速應用，雙采樣圖像的組合處理不能在光敏二極管內直接進行，而只能在像素內的存儲器內進行，一種方法是在圖1（b）結構的基礎上在像素內增加另一路采樣保持電路，如文獻［14］提出的可以直接幀差讀出的像素結構。但是，在這種像素結構中，需要兩個較大的存儲電容，使像素面積較大，這對于巨大像素陣列傳感器將是難于接受的。為了能夠減小存儲電容所占面積，可采用圖1（c）所示的結構，在光敏二極管和存儲電容間增加一級緩沖器A1，這樣在良好SNR和允許多次讀取的基礎上，如果存儲能力能夠滿足應用需求，則可以采用較小的存儲電容。一般，電容的存儲能力與漏電流導致的電容漏電和光導致電容的放電有關，隨著CMOS工藝技術的不斷改善、有效光掩蔽方法應用及其它工藝技術如將PD置于阱中、采用保護環(huán)隔離PD等，使電容的存儲能力得到了極大改善，使得源隨器柵節(jié)點處較小寄生電容可以滿足存儲電容的需要。這樣雖然在像素內增加了一級緩沖器，但不再需要面積較大的額外MOS電容，從而可能使像素面積減少。

3 、像素級雙采樣存儲技術

一種具有雙采樣存儲功能的像素結構如圖2所示，和直接幀差輸出的像素結構相類似，為了能夠在像素級實現(xiàn)雙采樣存儲和圖像的直接組合處理，并且適合于同步曝光的高速應用，采用了兩路采樣保持電路，采樣保持電路由采樣開關和保持節(jié)點組成，采樣開關作為電子曝光器控制曝光時間。但不同的是在信號采樣讀出均采用了緩沖器，如前所述，這使得不再需要兩個額外的MOS存儲電容，圖2中所示存儲電容表示源極跟隨器柵極節(jié)點處的總寄生電容，這樣有效地減少了像素面積，可以應用于巨大像素陣列情況。

圖2雙采樣存儲的像素結構

一般在像素設計中，所有晶體管應盡量采用相同的類型，以避免像素版圖中設計規(guī)則所要求的巨大阱間距。然而當電源電壓較低時，信號的擺幅將成為主要的考慮。如復位（Reset）采用NMOS晶體管，光電二極管僅能復位到VDD-VT（VT為閾值電壓），限制了傳感器的動態(tài)范圍，并且隨著CMOS技術的發(fā)展，特征尺寸越來越小，VDD-VT下降很快，對動態(tài)范圍影響更加顯著。另一方面，隨著深亞微米CMOS技術在CMOS圖像傳感器中的廣泛采用，為在像素級采用性能更有效的功能單元提供了設計空間，因而在像素結構中復位晶體管和曝光晶體管均采用了PMOS晶體管，這不僅避免了閾值電壓降的損失，改善了動態(tài)范圍，并且可使光敏二極管完全復位，從而消除圖像拖尾現(xiàn)象，這對于高速應用非常重要。這種像素結構中一個潛在的問題是信號采樣級緩沖器的功耗問題，由于保持節(jié)點電容較小，因而可以使該級緩沖器偏置電流盡可能小，為了進一步減小功耗，應使其只有在采樣S1和S2信號有效時激活，這樣進一步減小了功耗。

傳感器工作于同步曝光模式時，像素工作時序如圖3所示。Reset、S1和S2是全局信號，在經(jīng)過長積分時間Tint1曝光后，S1脈沖選通，將當前幀像素陣列中光敏二極管PD所產(chǎn)生的信號第一次采樣到存儲節(jié)點，隨后Reset對全局像素復位;再經(jīng)短積分時間Tint2曝光后，S2脈沖選通，將光敏二極管產(chǎn)生信號二次采樣到另一存儲節(jié)點，之后，各行的選通信號SEL依次將像素中存儲的兩次采樣信號差分組合輸入到列放大電路讀出處理，可見在像素級實現(xiàn)了兩次曝光采樣存儲及圖像組合處理。在當前幀像素數(shù)據(jù)讀出處理的同時，開始對下一幀圖像的長積分時間曝光，在當前幀像素內存儲器數(shù)據(jù)完全讀出后，即可進行下一幀的長積分時間采樣存儲，數(shù)據(jù)的讀出和曝光可以同時進行，因而可獲得高速實時數(shù)據(jù)處理。當然，傳感器也可工作于滾動曝光模式，像素工作時序和圖3所示類似，但Reset、S1和S2不再是全局信號，在當前行數(shù)據(jù)讀出的同時，可對下一行像素進行曝光采樣操作，也可獲得較高速度的實時數(shù)據(jù)處理。此外，當兩次曝光時間相等時，可很容易實現(xiàn)可用于運動探測的直接幀差讀出模式。

圖3像素級兩次曝光采樣存儲同步曝光時序

光敏二極管在積分曝光期間放電，其上電壓可表示為：

其中，ipd、idc分別是光敏二極管的光電流和暗電流，Cpd是光敏二極管電容，pd=20fF，Tint1=5ms，Tint2=64μs時，忽略暗電流的影響，雙采樣存儲的模擬結果如圖4所示，圖中曝光的最大入射光強1相應于約105fA光電流。圖4（a）中，第一次長時間積分曝光，信號輸出隨著入射光強度的增加而線性增加，在強光照時信號輸出達到飽和不再增加;第二次短時間積分曝光，光照較弱時，信號輸出近似為零，隨著光照的增強，信號輸出緩慢增加，強光照射，信號輸出增加顯著;圖4（b）中，雙采樣信號差分輸出，由兩次曝光的信號組合而成，場景較低照度區(qū)域主要由第一次長積分時間的曝光采樣決定，場景較高照度區(qū)域主要由第二次短積分時間曝光采樣決定。CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍一般依賴于其可分辨的最小信號及可測量的最大信號，顯然雙采樣組合輸出擴展了傳感器可測量的最大光強信號，從而增加了動態(tài)范圍。

圖4 雙采樣存儲的模擬：（a）兩次曝光采樣;（b）雙采樣組合

另外，雙采樣組合讀出采用了差分讀出模式，在一定程度上也減小了伴隨著信號的暗電流，從而進一步改善了動態(tài)范圍。應注意到，雙采樣差分讀出減小了最大飽和信號的幅度，并且在Tint1遠大于Tint2時，像素雙采樣差分信號輸出近似于對圖像場景較高照度區(qū)域的幅度信息作灰度反轉處理。像素工作的Spectres模擬結果如圖5所示，其中PR是復位信號，Vpd1是被采樣的光敏信號，可見較好實現(xiàn)了雙采樣存儲、差分讀出功能。

圖5像素的雙采樣存儲、差分讀出

4 、結束語

CMOS圖像傳感的動態(tài)范圍對俘獲的圖像質量有著重要意義，多次曝光技術是擴展動態(tài)范圍的有效方法之一，但多于兩次的曝光，信號處理復雜，傳感器的幀頻受到限制，而像素級雙采樣存儲技術將兩次曝光采樣及圖像組合處理在像素內實現(xiàn)，在擴展動態(tài)范圍的基礎上，可有效提高圖像的實時處理速度。具有兩級緩沖的雙采樣存儲的像素結構，在改善動態(tài)范圍的基礎上，不僅可以工作于高速同步曝光模式，也可工作于滾動曝光模式。