高速CMOS圖像傳感器及發(fā)展趨勢

關(guān)鍵詞： CMOS , 發(fā)展趨勢 , 圖像傳感器

傳感器架構(gòu)可由兩分式、四分式或一個(gè)像素陣列組成。輸出可為并行模擬輸出， 或一個(gè)10位數(shù)字輸出或數(shù)字串行 LVDS輸出。每個(gè)輸出可高達(dá)每秒5,000萬次的采樣速度，這樣就能實(shí)現(xiàn)每秒55億像素的吞吐量。迄今為止，該圖像傳感器是具有最高連續(xù)像素吞吐量的一款。圖像質(zhì)量至少達(dá)到10位精度，因此攝像頭數(shù)字化之后，數(shù)據(jù)吞吐量可為每秒55Gbit。這樣高速的應(yīng)用通常需要6個(gè)電晶體快照像素，且需要較高的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。圖像傳感器的靈敏度很大程度上取決于像素尺寸，而大的像素尺寸就需要大面積特定應(yīng)用的定制圖像傳感器。內(nèi)部多路復(fù)用技術(shù)可支持更高幀速率的隨機(jī)窗口。如果將窗口大小縮至較小的ROI(圈選目標(biāo)區(qū)域)，那么最快速度器件的幀速率可達(dá)每秒170,000幀。大多數(shù)傳感器都采用0.25工藝。

目前， CMOS是高速成像所青睞的技術(shù)。在當(dāng)前市場中，我們可以發(fā)現(xiàn)高速圖像傳感器有三大發(fā)展趨勢，一是向極高速方向發(fā)展，二是向片上特性集成方向發(fā)展，三是向通用高速圖像傳感器方向發(fā)展。

分辨率和幀速率相結(jié)合，發(fā)揮著重要的作用。目前，我們可以推出1024×1024像素的圖像傳感器，工作速度達(dá)到每秒5,000個(gè)全幀。如果模數(shù)轉(zhuǎn)換為10位的話，那么這就是說攝像頭上的總數(shù)據(jù)速率可達(dá)每秒55Gbit。為了實(shí)現(xiàn)傳感器上極高的數(shù)據(jù)速率和高圖像質(zhì)量，尤其是對這種高敏感度的應(yīng)用而言，我們不僅要設(shè)計(jì)出正確的電子線路，還要確保整個(gè)線路布局實(shí)現(xiàn)良好的平衡性。這就是說，電源線路應(yīng)實(shí)現(xiàn)極佳的分布，而且布局中每個(gè)線路節(jié)點(diǎn)的所有光學(xué)和雜散光靈敏反應(yīng)都應(yīng)得到很好的控制。并需要采用低功耗模塊設(shè)計(jì)，以確保滿足整體功耗要求。

高速成像領(lǐng)域還有另一種趨勢，就是把高速 ADC、時(shí)序發(fā)生器、LVDS發(fā)射器和校正算法的片上集成趨勢。這種圖像傳感器通常在速度和靈敏度方面不如上述圖像傳感器，但在易用性和系統(tǒng)集成功能方面頗有長處。目前市場上新興的第三種圖像傳感器就是通用高速圖像傳感器。具有模擬輸出或不具有時(shí)序發(fā)生器功能的老式(簡單式)通用圖像傳感器正在被速度更快、更復(fù)雜的圖像傳感器所取代。這種新型圖像傳感器使我們能在較短時(shí)間內(nèi)就設(shè)計(jì)出通用高速攝像頭。  

6晶體管像素

賽普拉斯推出的大多數(shù)高速圖像傳感器使用了所謂的6晶體管(6T)像素。這種圖像傳感器有一點(diǎn)非常重要，就是其管線化全局快門特性。就全局快門而言，所有像素都同時(shí)啟動(dòng)和終止光集成，這對高速應(yīng)用控制所有像素的運(yùn)動(dòng)影像模糊非常重要。全局快門技術(shù)使圖像傳感器能固定高速運(yùn)動(dòng)場景。下圖給出了典型的高速捕獲順序(小彈頭擊中火柴棍)。管線特性確保像素陣列在讀取期間就能進(jìn)行下一幀像素中的光集成工作，這樣才能確保幀速率不受集成時(shí)間的影響。  

典型的高速捕獲順序。

為了實(shí)現(xiàn)盡可能高的敏感度，采集光電荷并將其轉(zhuǎn)換為電壓的光電二極管應(yīng)設(shè)計(jì)得盡可能小型化，以盡可能減少光電二極管的寄生電容。此外，像素填充因數(shù)(像素開放區(qū)域與光敏區(qū)域之比)應(yīng)盡可能大。我們可采用N-well像素專利技術(shù)，再配合光電二極管周邊的P-well開口，就能實(shí)現(xiàn)光電二極管小型化和較大的填充因數(shù)。除了高敏感度之外，我們還應(yīng)使像素存儲(chǔ)電容，與光實(shí)現(xiàn)良好的屏蔽并且減少泄漏, 確保它不會(huì)造成任何噪聲。該像素架構(gòu)在像素讀數(shù)期間的信號存儲(chǔ)方面實(shí)現(xiàn)了良好的性能。但這種像素架構(gòu)尚缺乏像素的固定圖案噪聲校正功能，該功能必須在圖像傳感器以外的系統(tǒng)上完成。

更快的速度

圖像傳感器的速度是指精度和幀速率的乘積，反映出傳感器的像素速率。在非常高端的高速成像市場中，人們對速度的需求是沒有止境的。在高端市場中，客戶希望通過高級攝像頭實(shí)現(xiàn)極高的全幀速率，比如汽車碰撞檢測。

只有采用并行模擬輸出才能實(shí)現(xiàn)這樣極高的速度，但并行模擬輸出(最多128個(gè)輸出)也會(huì)對攝像頭系統(tǒng)的集成提出挑戰(zhàn)。這種類型的圖像傳感器架構(gòu)比較簡單：包括一個(gè)可被分為若干像限的6T像素陣列，幾個(gè)并行高速模擬總線以及用于驅(qū)動(dòng)輸出的并行輸出放大器。

6T晶體管可以實(shí)現(xiàn)非常高的速度。

上述芯片沒有采用ADC、時(shí)序發(fā)生器或其他片上圖像處理技術(shù)。整個(gè)芯片上的模擬總線確保所有并行輸出都能使用，而不管讀取圖像大小的寬度到底是多少。這就能在讀取部分圖像時(shí)加快幀速率。該款極高速圖像傳感器也存在一個(gè)重要問題，就是x方向上的重影現(xiàn)象，這是由于整個(gè)芯片上模擬總線相對較大的RC常量造成的。由于總線上的信號穩(wěn)定到10位精度之內(nèi)需要一定的時(shí)間，因此前一個(gè)像素的一部分信息在當(dāng)前像素上還存在。在圖像中，這就會(huì)導(dǎo)致x方向上的重影。這種重影在圖像后處理階段難以糾正。我們專為這種圖像傳感器開發(fā)了一種特殊技術(shù)，在每個(gè)新信號之前以很短時(shí)間對總線進(jìn)行預(yù)充電，這就會(huì)消除所有此前像素的信息。該技術(shù)要求生成較短的預(yù)充脈沖，用以將模擬總線短路到接地上。大多數(shù)這樣的圖像傳感器都是根據(jù)客戶要求推出的定制產(chǎn)品。

目前此類極高速圖像傳感器基本不會(huì)作為通用產(chǎn)品出現(xiàn)。多年來，賽普拉斯已經(jīng)為市場中幾家頂尖的高速攝像頭制造商推出了幾款極高速圖像傳感器，分辨率涵蓋VGA級到1,000萬像素的范圍，而速度則支持每秒500幀到10,000幀。近年來，速度和靈敏度不斷提高，現(xiàn)在最快的產(chǎn)品的數(shù)據(jù)吞吐量達(dá)到每秒5.5G像素。在典型的極高速圖像傳感器架構(gòu)中，并行讀出圖的兩部分，每一部分都提供64個(gè)并行模擬輸出，這樣我們可以得到128個(gè)高速并行模擬輸出。

更多應(yīng)用

與上面圍繞傳感器構(gòu)建的(大型)極復(fù)雜攝像系統(tǒng)相矛盾的是，市場對小型化高速圖像傳感器的需求越來越多，并希望提高其易用性。高速圖像傳感器已開始在掃描儀、視覺系統(tǒng)和全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等類似消費(fèi)類電子產(chǎn)品應(yīng)用中出現(xiàn)。

上述應(yīng)用需要圖像傳感器在板上集成許多系統(tǒng)功能。因此，ADC、時(shí)序發(fā)生器、圖像處理和其他輸出級都集成在芯片上。對這種圖像傳感器來說，板上功能集成與靈敏度和速度一樣重要。大多數(shù)這種圖像傳感器都是根據(jù)客戶需要定制推出的，以提供給定的特性，這些特性有助于簡化定制高速攝像頭的設(shè)計(jì)工作。此類高速圖像傳感器通常只有一個(gè)時(shí)鐘輸入，為數(shù)不多的電源和一些同步引腳。圖像傳感器讀取和曝光的所有其他信號都在片上生成。

通用高速圖像傳感器

我們在市場中看到的第三種類型的高速圖像傳感器(去年就已經(jīng)推出)就是通用高速圖像傳感器，其應(yīng)用范圍包括機(jī)器視覺攝像頭、交通監(jiān)控、科學(xué)運(yùn)動(dòng)捕獲以及碰撞檢測等。最早推出的通用高速圖像傳感器僅包括并行模擬輸出，不提供板上邏輯(很像現(xiàn)在的極高速圖像傳感器)。不過現(xiàn)在，芯片本身已經(jīng)集成了許多特性，使圖像傳感器能適用于多種不同的應(yīng)用(多坡度曝光、次采樣、分級、鏡像、增益、偏移等)。賽普拉斯目前提供多種高速全局快門圖像傳感器，規(guī)格從VGA、250幀每秒(LUPA300)到1.3M像素、1000幀每秒(正在開發(fā))不等。所有這些圖像傳感器都支持管線快照功能和多坡度曝光功能。不同傳感器的板級特性是有差異的。

結(jié)論

本文概括介紹了幾種不同類型的高速圖像傳感器，分別對應(yīng)于當(dāng)前不同的市場需求。我們將市場中的產(chǎn)品分為三類：

極高速成像：純模擬的圖像傳感器，幀速率極高，數(shù)據(jù)吞吐量也極大 —＞ 復(fù)雜的攝像頭設(shè)計(jì) —＞ 主要用于定制設(shè)計(jì)。  

具有板級特性的高速成像：這種圖像傳感器具有很多特定的板級特性，有助于開展圖像傳感器的內(nèi)部設(shè)計(jì)，滿足類似消費(fèi)類電子應(yīng)用中的高速攝像頭需求。有關(guān)特性是根據(jù)客戶需要提供的，主要為定制設(shè)計(jì)。  

通用高速圖像傳感器：這種圖像傳感器將上述圖像傳感器最常見的特性與通用圖像傳感器相結(jié)合，可適合多種應(yīng)用的攝像頭需要。  

市場發(fā)展趨勢證明，板級特性、數(shù)據(jù)速率和精度方面的要求還將不斷上升。真正的挑戰(zhàn)在于，如何將數(shù)據(jù)速率極高的圖像傳感器與LVDS和圖像處理等眾多板級特性實(shí)現(xiàn)有效結(jié)合。