图像传感器

图像传感器1.初步了解图像传感器2.CMOS图像传感器整体架构3.CMOS传感器的内部结构4.CMOS图像传感器的感光过程5.CMOS传感器的读取过程6.CMOS传感器的动态范围21初步认识图像传感器图像传感器已经发展多年，早期以CCD技术为主，应用在各种摄像机上，但随着便携设备越来越重视产品的使用时间，以及产品数字化的风潮的带动，因此更为省电、易于集成的CMOS技术逐渐成为主流，广泛应用在数码相机与手机等电子产品上。1.1图像传感器的发展3CCD代表电荷耦合器件。它是数字和机器视觉相机中用于捕捉静止和移动物体的一种传感器。CCD传感器捕捉光线，并将其转换为数字数据以转换成图像。1初步认识图像传感器1.2什么是CCD图像传感器图1.1CCD图像传感器4CMOS代表互补金属氧化物半导体，这是一种为集成电路供电的技术。CMOS技术为当今的许多电子设备提供动力，包括电池，微处理器，数字和智能手机相机。1.3什么是CMOS成像传感器?1初步认识传感器图1.2CMOS图像传感器51初步认识传感器1.4CDD与CMOS传感器的对比上述两种影像传感器技术，在影像质量上并没有太大的优劣之分。不过，在同等条件下，CMOS感光组件所用的组件数相对更少，从而功耗更低，数据吞吐也比CCD更高。由于CMOS感光组件可以直接制作在主板电路上，所用的信号传输距离较短，电容，电感的延迟降低，此外，CMOS的制造成本也比CDD低，现在目前市场上几乎已经呈现CMOS技术独霸的现象。6CMOS图像传感器本质是一块芯片，主要包括：感光区阵列（Bayer阵列，或叫像素阵列）、时序控制、模拟信号处理以及模数转换等模块（如图）。各模块的作用分别为：像素阵列：完成光电转换，将光子转换为电子。时序控制：控制电信号的读出、传递。模拟信号处理（ADC）：对信号去噪。2.1CMOS图像传感器整体架构其中，像素阵列占整个芯片的面积最大，像素阵列是由一个个像素组成，它对应到我们看到每张图片中的每个像素。每个像素包括感光区和读出电路，每个像素的信号经由模拟信号处理后，交由ADC进行模数转换后即可输出到数字处理模块。图2.1CMOS传感器示例7像素阵列的信号读出如下：1、每个像素在进行reset，进行曝光。2、行扫描寄存器，一行一行的激活像素阵列中的行选址晶体管。3、列扫描寄存器，对于每一行像素，一个个的激活像素的列选址晶体管。4、读出信号，并进行放大。2.1CMOS图像传感器整体架构图2.2CMOS传感器信号读出示意图8CMOS传感器上的主要部件是像素阵列，这是其与传统芯片的主要区别。每个像素的功能是将感受到的光转换为电信号，通过读出电路转为数字化信号，从而完成现实场景数字化的过程。2.2CMOS传感器的像素结构图2.3像素结构1、On-chip-lens:该结构可以理解为在感光元件上覆盖的一层微透镜阵列，它用来将光线聚集在像素感光区的开口上。可以增加光电转化效率，减少相邻像素之间的光信号串扰。2、Colorfilter：该结构是一个滤光片，包括红/绿/蓝三种，分别只能透过红色、绿色、蓝色对应波长的光线。该滤光片结构的存在，使得每个像素只能感应一种颜色，另外的两种颜色分量需要通过相邻像素插值得到。3、Metalwiring：金属排线，用于读出感光区的信号（其实就是像素内部的读出电路）。4、Photodiode：即光电信号转换器，其转换出的电信号会经过金属排线读出。9最简单的像素结构只有一个PN结作为光电信号转换器来感光，以及一个与它相连的reset晶体管作为一个开关（如图2.2）。2.2CMOS传感器的像素结构这种像素结构，其读出电路完全位于像素外面，称为PassivePixel。PassivePixel的读出电路简单，整个Pixel的面积可以大部分用于构造PN结，所以其满阱电容一般会高于其他结构。但是，由于其信号的读出电路位于Pixel外面，它受到电路噪声的影响比ActivePixel大。图2.4最简单的像素结构2.2.1PassivePixel10passivelPixel噪声较大有2个主要原因：2.2CMOS传感器的像素结构1、相对读出电路上的寄生电容，PN结的电容相对较小。代表其信号的电压差相对较小，这导致其对电路噪声很敏感。2、如图2.5(b)，PN结的信号，先经过读出电路，才进行放大。这种情况，注入到读出信号的噪声会随着信号一起放大。图2.5ActivePixel和PassivePixel噪声注入对比112.2.2ActivePixel图2.6展示了基于PN结的ActivePixel结构，也成为3T像素结构（每个像素包含3个三极管）。在这种结构中，每个像素包含一个PN结作为感光元件，一个复位三极管RST，一个行选择器RS，以及一个信号放大器SF。2.2CMOS传感器的像素结构其工作方式和PassivePixel类似：1、复位。给PN结加载反向电压，或者说激活RST给PN结进行复位。复位完成后，不再导通RST。2、曝光。和在PassivePixel中一样，光子打到PN结及硅基，被吸收后产生电子-空穴对。这些电子空穴对通过电场移动后，减小PN结上的反向电压。3、读出。在曝光完成后，RS会被激活，PN结中的信号经过运放SF放大后，读出到columnbus。4、循环。读出信号后，重新复位，曝光，读出不断的输出图像信号。图2.6PN结像素结构12基于PN结的ActivePixel流行与90年代中期，它解决了很多噪声问题。但是由PN结复位引入的kTC噪声，并没有得到解决。为了解决复位kTC噪声，减小暗电流，引入了基于PPD结构（PinnedPhotodiodePixel）的像素结构。2.2CMOS传感器的像素结构132.2CMOS传感器的像素结构PPDpixel包括一个PPD的感光区，以及4个晶体管，所以也称为4T像素结构（如图2.5）。PPD的出现，是CMOS性能的巨大突破，它允许相关双采样（CDS）电路的引入，消除了复位引入的kTC噪声，运放器引入的1/f噪声和offset噪声。图2.7PPD像素结构对于PPD，右边部分电路只是信号读出电路。读出电路与光电转换结构通过TX完全隔开，这样可以将光感区的设计和读出电路完全隔离开，有利于各种信号处理电路的引入（如CDS，DDS等）。另外，PPD感光区的设计采用的是p-n-p结构，减小了暗电流2.2.3PPDpixel14由于PPD像素结构在暗电流和噪声方面的优异表现，近年来市面上的CMOS传感器都是以PPD结构为主。但是，PPD结构有4个晶体管，有的设计甚至有5个，这大大降低了像素的填充因子（即感光区占整个像素面积的比值），这会影响传感器的光电转换效率，进而影响传感器的噪声表现。2.2CMOS传感器的像素结构152.2CMOS传感器的像素结构在PPD结构中，像素的感光区和读出电路由TX晶体管隔开，相邻像素减可以共用读出电路（如图2.6）。图2.6所示的2x2像素共享读出电路，一共有7个晶体管，平均一个像素1.75个晶体管。这样可以大大减少每个像素中读出电路占用的面积，可以提高填充因子，这样可以使得像素面积更小（比如1微米）。图2.8共享读出电路的PPD像素结构2.2.4共享读出电路的PPDpixel163CMOS传感器的内部结构174.Cmos图像传感器的感光过程185.传感器的读取过程196.cmos传感器的动态范围