【導讀】圖像傳感器是數字成像系統的主要組成部分之一，對整體系統性能有很大影響。圖像傳感器的兩種主要類(lèi)型是電荷耦合器件 (CCD) 和 CMOS 成像器。在本文中，我們將了解 CMOS 圖像傳感器的基礎知識。
圖像傳感器是數字成像系統的主要組成部分之一，對整體系統性能有很大影響。圖像傳感器的兩種主要類(lèi)型是電荷耦合器件 (CCD) 和 CMOS 成像器。在本文中，我們將了解 CMOS 圖像傳感器的基礎知識。
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CMOS 光電探測器
大多數 CMOS 光電探測器都基于 PN 結光電二極管的工作原理。當光電二極管反向偏置時(shí)（反向電壓小于雪崩擊穿電壓），與入射光強度成正比的電流分量將流過(guò)二極管。該電流分量通常稱(chēng)為光電流。
由于光電流隨光強度線(xiàn)性增加，我們可以使用光電二極管來(lái)構建光電探測器。這種光電檢測結構的抽象表示如下所示。
(a) 光電探測器示例示意圖 (b) 光電流值隨時(shí)間的變化。圖片由Abbas El Gamal提供。
復位開(kāi)關(guān)在曝光周期開(kāi)始時(shí)閉合，以將光電二極管反向偏置到電壓 VD。接下來(lái)，開(kāi)關(guān)打開(kāi)，產(chǎn)生與入射光強度成正比的光電流。該電流在飛安到皮安的范圍內，并且太小而無(wú)法直接測量。如果我們讓光電二極管暴露在光線(xiàn)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易于測量的更強的累積信號。此外，合并的平均過(guò)程使累積信號更忠實(shí)地表示測得的光強度，尤其是在處理微弱或嘈雜的信號時(shí)。
請注意，阱容量 Qwell 設置了 CD 可以容納的電荷量的上限。超過(guò)一定的光照強度，二極管將飽和，累積的電荷將等于值，如上圖所示。因此，必須謹慎選擇積分期。
另一個(gè)應該考慮的非理想效應是，除了光電流之外，還有另一種稱(chēng)為暗電流的電流分量流過(guò)二極管。暗電流是在沒(méi)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構如下圖所示。
圖片由Edmund Optics提供。
二維光電探測器陣列用于檢測入射光強度。光電探測器產(chǎn)生的電荷被轉換為電壓信號，并通過(guò)“行選擇”和“列選擇”開(kāi)關(guān)陣列傳遞到輸出放大器。ADC 用于將放大信號數字化。
為了執行讀出，給定行的像素值被并行傳輸到一組存儲電容器（上面未示出），然后，這些傳輸的像素值被順序讀出。
上圖顯示了 APS（有源像素傳感器）架構。在 APS 設備中，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(chēng)為 PPS（無(wú)源像素傳感器）的更簡(jiǎn)單的架構沒(méi)有將放大器集成到像素中。在 DPS（數字像素傳感器）設備中，每個(gè)像素都有自己的模數轉換器和存儲塊。因此，DPS 架構中的像素輸出與光強度成比例的數字值。
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 圖像傳感器采用標準 CMOS 技術(shù)制造。這是一個(gè)主要優(yōu)勢，因為它允許我們將傳感器與成像系統所需的其他模擬和數字電路集成在一起。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)，它們基于針對電荷轉移和成像優(yōu)化的專(zhuān)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)變噪聲。此外，制造不一致會(huì )導致不同像素的電荷電壓放大器之間的不匹配。這會(huì )導致固定模式噪聲，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(mén)偽影
對于許多 CMOS 圖像傳感器，不同像素行的曝光周期開(kāi)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(guò)去后，它的讀數應該開(kāi)始。因此，光積分從上到下依次發(fā)生，就像重置過(guò)程一樣。在捕捉快速移動(dòng)的物體時(shí)，這可能會(huì )導致一種稱(chēng)為滾動(dòng)快門(mén)偽像的失真。這是因為當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(mén)偽影本身表現為捕獲場(chǎng)景中的一些非剛性或彎曲。下圖對此進(jìn)行了說(shuō)明。
圖片由安森美半導體提供。
現代高端 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(mén)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)間結束時(shí)，不同像素的累積電荷被同時(shí)轉移到存儲區以供進(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(mén)效果。
結論
反向偏置光電二極管產(chǎn)生與入射光強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 CMOS 圖像傳感器。CMOS 圖像傳感器中的像素可以具有不同級別的復雜性。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（數字像素傳感器）設備采用更復雜的像素，其中每個(gè)像素都有自己的模數轉換器和存儲塊。
CMOS 圖像傳感器重要的優(yōu)勢是可以將傳感器與成像系統所需的其他模擬和數字電路集成在一起?？梢越档?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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