（通信与信息系统专业论文）基于大面阵cmos图像传感器的成像系统研究.pdf

摘要 摘要 随着c m o s 图像传感器技术的发展，发达国家已经将c m o s 图像传感器应用于 遥感相机、星敏感器等空间探测领域。通过对民用级的c m o s 图像传感器进行研 究，掌握以其为核心的成像系统的开发方法，对我国今后相应的航天设备的设计 工作有很大帮助。 本文研究了c m o s 图像传感器的发展历史、性能特点、工作原理，并对c m o s 图像传感器和c c d 进行了比较。在实验系统设计中，以f i l l f a c t o r y 公司的 i b i s 5 - a 一1 3 0 0 图像传感器为成像核心，通过研究其特有的双快门模式卷帘 式快门和同步式快门，以及分析其工作时序，用v h d l 语言在f p g a 上实现了传感 器的时序设计。系统的硬件部分具体实现时，采用了前端图像传感器和后端控制 的分离设计，p c b 采用四层板的制板结构，利用低压差稳压器实现对c m o s 图像 传感器的稳定供电，使系统具有高集成度、稳定性和灵活性的特点。实验证明， 该系统工作稳定，功耗低，采集到的图像效果较好。 本文最后提出了该系统的不足之处和改进方法。本系统的设计对于其他同类 系统具有较高的借鉴意义。 关键词：c m o s 图像传感器卷帘式快门同步式快门现场可编程门阵列低压差 稳压器 一苎查堕堕竺坚2 1 璺堡堡堕堡竺堕堡至丝婴塞 a b s t r a c t g ux i a o ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s ) d i r e c t e db yp r o f g a ow e i w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc m o si m a g es e n s o r ( c i s ) t e c h n o l o g y , c i sh a sb e e n a p p l i e dt ot h ed o m a i no fs p a c ee x p l o r a t i o ns u c ha sc a m e r a sf o rr e m o t es e n s i n gi m a g e s ， s t a rt r a c k e r s t h er e s e a r c h e so nc o m m e r c i a lc i sc o u l df a c i l i t a t et h er & d o nt h ec i s i m a g i n gs y s t e m ，w h i c hw i l lb eo fg r e a tb e n e f i tt od e s i g n so nt h er e l e v a n ta e r o s p a c e e q u i p m e n t t h i st h e s i sp r e s e n t st h eh i s t o r y , f e a t u r e sa n dt h ec a r d i n a lp r i n c i p l e so fc i s t h e c o m p a r i s o n sb e t w e e nc i sa n dc c d a r ea l s oi n t r o d u c e d t h e na ne x p e r i m e n t a ls y s t e m i sp r o p o s e d ，i nw h i c ht h ei m a g es e n s o ri si b i s 5 - a 一1 3 0 0m a n u f a c t u r e db yf i l l f a c t o r y n v b a s e do nt h er e s e a r c h e so i li t su n i q u er o l l i n gs h u t t e ra n ds y n c h r o n o u ss h u t t e ra n d t h ea n a l y s i so fi t st i m i n gd i a g r a m ，t h et i m i n gc o n t r o li sr e a l i z e do nt h ef p g av i a v h d l a so f h a r d w a r ed e s i g n ，t h es e p a r a t i o no ft h ei m a g i n gp a r ta n dt h ec o n t r o l l i n g p a r t ，f o u rl a y e r so fp c ba n dt h es t a b l es u p p l yv o l t a g eo u t p u t t e db yl o wd r o p o u t r e g u l a t o r sa r ea p p l i e dt om a k et h i ss y s t e mb ec h a r a c t e r i s t i co fh i g hi n t e g r a t e dq u a l i t y , r e l i a b i l i t ya n df l e x i b i l i t y e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h es y s t e mw o r k ss t a b l ya n dh a sl o w p o w e rd i s s i p a t i o n t h ei m a g e sc a p t u r e db yt h i ss y s t e mh a v eg o o de f f e c t s a tl a s t ，t h et h e s i si n d i c a t e st h ed e f i c i e n c i e si nt h es y s t e ma n dh o wt oi m p r o v ei t s p e r f o r m a n c e t h i ss y s t e mw i l lb eau s e f u lr e f e r e n c ef o ro t h e rs i m i l a rs y s t e m si nt h i s d o m a i n k e y w o r d s ：c m o si m a g es e n s o r ，r o l l i n gs h u t t e r ，s y n c h r o n o u ss h u t t e r , f p g a ，l d o i i 科研道德声明 秉承研究所严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中所引用的内容都已给予 了明确的注释和致谢。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名 知识产权声明 本人完全了解中科院西安光学精密机械研究所有关保护知识产权的规定 即：研究生在所攻读学位期间论文工作的知识产权单位系中科院西安光学精密机 械研究所。本人保证离所后，发表基于研究生工作的论文或使用本论文工作成果 时必须征得产权单位的同意，同意后发表的学术论文署名单位仍然为中科院西安 光学精密机械研究所。产权单位有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和 借阅；产权单位可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名 日期 导师签名：圣生 日期：型! ! ! 竺 第一章日【言 第一章引言 空间探测领域的一些设备，如遥感相机、星敏感器等，需要大视场、抗辐射 能力强的光电成像器件。目前大面阵的图像传感器主要有两种，一种是c c d 图像 传感器，一种是c m o s 图像传感器。随着集成电路技术的飞速发展，原先在性能 上处于劣势的例o s 图像传感器已经在灵敏度、噪声等方面越来越接近c c d ，而 且c m o s 图像传感器集成度高，无需复杂的驱动电路，具有重量轻，体积小，功 耗低，抗辐照能力强等特点，因此c m o s 图像传感器在空间探测领域具有非常广 阔的应用前景。 1 1 国外相关领域的发展概况 国外对c m o s 图像传感器的研究起步早，有众多的科研机构、大学和企业进 行相关研发，比如美国的喷气推进实验室( j p l ) 、斯坦福大学、柯达、o m n i v i s i o n 、 美光、f o v e o n ，日本的佳能、索尼，咀及比利时的f i l l f a c t o r y 。而且已经有成 熟产品推向市场，比如佳能、索尼、f o v e o n 、f i l l f a c t o r y 都已经有6 0 0 万像素 以上的c m o s 图像传感器应用在专业级单反数码相机上。 2 0 世纪9 0 年代初期，美国国家航空和宇航中心委托j p l 对c m o s 有源像素 图像传感器( c m o sa c t i v ep i x e li m a g es e n s o r ，c m o sa p s ) 和在星敏感器中的应 用进行重点研究，第一代试验性称之为s t r a c k e r 的a p s 星敏感器，证明了基于 c m o sa p s 的星敏感器的精度可以满足要求。j p l 研制的c m o sa p s 中，代号为r h a p s 的高水平的辐射加固a p s ，在冷却条件下，其星敏感器的精度在视星为5 等时可 达0 1 像元；代号为v i d i 的超低功耗c m o sa p s 是专门为卫星有效载荷设计的第 二代产品，是高度集成的单片相机，只需3 ，3v 供电，内置模数转换，1 0 位数 字输出，可编程曝光时间、分辨力和窗口模式，抗模糊等特点，功耗仅为2 0m 珥， 数据读出率可达2 0 兆位秒。 比利时微电子研究中心( i m e c ) 与欧洲宇航局合作研究的i r i s 系列产品，其 抗辐射能力为2 0 k r a d ，信噪比为6 7d b ，8 位数字读出，已用于小卫星的星敏感 器，其星敏感器尺寸仅为6 2m m x5 3 m m x5 3m m ，精度优于3 0 ”5 等星，视场 为2 0 。2 0 。，帧频1 0h z ，在相同的光学条件下，该指标完全可与c c d 比拟。 一墨主查耍堕! 竺竺! 里堡鲎壁堂坚壁堡墨堕婴錾 c m o sa p s 目前己应用于各种空间科学研究和空间探测任务中。其中，a p s 首 次用于空间可视监控系统是比利时i m e c 的f u g a l 5 型a p s ，应用在1 9 9 7 年英国和 比利时联合研制的a r i a n e5 0 2 的可视遥感系统( v t s ) 中。1 9 9 8 年英国萨里大学 在t m s a t 小卫星中试用了v i s i o nv m 5 4 2 6c m o s 相机模块，分辨率为3 8 2 2 8 7 ， 获得了比较满意的结果。1 9 9 9 年和2 0 0 0 年，i m e c 的a p s 产品f u g a 和i r i s l 作 为可视监控相机( v i s u a lm o n i t o r i n gc a m e r a s ，v m c ) 分别用于欧洲宇航局的 x m m n e w t o n 飞船和c l u s t e ri i 卫星。2 0 0 0 年7 月英国萨里空间中心研制的s n a p - i 纳型卫星发射成功，这颗纳型卫星仅重6 公斤，上面搭载了3 个广角( 9 0 。视角) 的3 5 0 2 8 8 像素的c m o s 相机，以及一个小视角的3 5 0 2 8 8 像素c m o s 相机。2 0 0 3 年，在加拿大s c i s a t 发射的a c e f t s 中的可视系统采用了f i l i f a c t o r y 生产的 s t a r 系列辐射加固a p s ( 2 5 6 2 5 6 像元) 。 1 2 国内相关领域的发展状况 我国开展对c m o s 图像传感器的研究较晚，但借助于飞速发展的集成电路技 术，可以实现跨越式的发展。1 9 9 6 年西安交通大学开元微电子科技有限公司研 制成功了3 6 9 2 8 7 、7 6 8 5 7 4 、6 4 0 x 4 8 0 、5 1 2 5 1 2 像素的c m o s 图像传感器， 像素尺寸均为1 0 8 “m 1 0 8 “m ，功耗为1 5 0 2 0 0m w 。并且用该器件开发出了 系列c m o s 微型摄像机和可视电话。 目前三家具有海归背景的公司在市场上非常活跃，它们是上海格科微电子、 上海派视尔信息科技有限公司和北京思比科公司。格科微的1 4 英寸v g a 产品 0 c 0 3 0 5 已在今年3 月开始量产；1 3 0 万像素的g c l 3 0 3 也将于今年第三季度开始 萤产，产品将应用于电脑摄像头、手机方案以及影像玩具等产品。其1 2 7 英寸 2 0 0 万像素u x g a 产品0 c 2 0 0 1 ，将在今年第四季度以0 1 8 微米进行量产；该公司 3 0 0 像素的产品将在今年第三季度投片。这两款产品的目标应用均为照相手机。 派视尔信息科技有限公司于今年4 月推出了全球首宽带有自动调整聚焦( a f ) 的 2 0 0 万像素级p o l 2 0 0 n 。北京思比科公司表示将在今年5 月设计出第一颗百万像 素级的c m o s 传感器产品。 国内对于c m o s 图像传感器在空间探测领域的研究也在同时开展。清华大学 宇航技术研究中心对c m o s 图像传感器在空间技术中的应用进行了研究。中国科 第一章引言 学院成都光电技术研究所用叫o sa p s 开发成功了微型星载敏感器成像系统。但 是至今还未有成熟的产品实际应用于我国的空间科学探测的报道。再加上我国目 前还不能自行生产宇航级的c m o s 图像传感器，仍然需要从国外进口，这也在 定程度上限制了我国相关研究的开展。 1 3 本论文的研究意义和研究内容 由于我所在使用c m o s 图像传感器方面还没有先例，对于c m o s 图像传感器的 实际性能、外围电路的设计要领等方面都没有可靠的工程数据和实验结果作为参 考，因此先对民用级的c m o s 图像传感器进行研究，并以其为核心设计一个成像 系统。从而了解c m o s 图像传感器的实际特性，掌握其使用方法，就可以为今后 开发航天产品积累一些可借鉴的经验。 论文将对以c m o s 图像传感器为核心的实验系统的设计与开发实现过程进行 了详细论述。论文中涉及到的关于这款芯片的使用方法、c m o s 图像传感器的时 序设计流程、硬件电路设计方法将对今后类似的设计工作有一定的借鉴意义。 1 4 本论文的组织结构 第二章是对c m o s 图像传感器的简介，主要内容包括：c m o $ 图像传感器的发 展过程、基本原理、c m o s 图像传感器和c c d 的主要特性对比、c m o s 图像传感器 的主要性能指标。 第三章首先对c m o s 图像传感器i b i s 5 一a 一1 3 0 0 的结构和性能特点进行了概 述；其次介绍了该传感器特有的两种快门模式同步快门和卷帘快门；然后对 其内部关键的序列发生器和寄存器做了介绍；最后通过分析其时序图，提出切实 可行的工作流程。 第四章主要介绍用硬件描述语言v h d l 设计传感器控制时序的过程，重点介 绍了如何用有限状态机实现同步快门和卷帘快门两种快门模式，同时给出了仿真 波形。 第五章介绍了实验系统的组成，重点介绍了硬件电路的实现。 第六章分析了系统调试过程中遇到的问题，给出了实验结果，并进行了分析。 第七章对整个论文的内容和所做工作进行了总结，同时指出了系统中需要 基于大面阵c m o s 图像传感器的成像系统研究 改进的地方。 4 销二章c m o s 图像传感器简介 第二章o m o s 图像传感器简介 本章首先介绍了c m o s 图像传感器的发展过程，然后对c m o s 图像传感器的基 本原理进行了描述，接着把c m o s 图像传感器和c c d 的主要特性进行了对比，最 后介绍了c m o s 图像传感器的几个主要性能指标。 2 1c m o s 图像传感器的发展过程 c m o s 图像传感器的发展过程就是像素单元结构的改进过程，像素单元结构 韵每次重大改进都使的c m 。s 图像传感器的性能有了狠大提高。 2 ，1 1m o s 像惑器 上世纪6 0 年代，有许多研究机构采用n m o s 、p m o s 或双极型工艺研究固体图 像传感器。1 9 6 4 年，i b m 报道了通过一个电阻网络寻址的n p n 结阵列扫描器， 这种扫描器产生与入射光光强成比例的输出脉冲。1 9 6 6 年，西屋公司报道了一 个5 0 5 0 的单片式光敏晶体管阵列。以上这些传感器都只能产生与瞬间入射光 光强成比例的信号，不能输出任何有意义的积分光生信号。 1 9 6 7 年，仙童公司的w e c k l e r 提出了以光子通量 | ! = 分模式工作的p - n 结，光 电流收集在反向偏置的pn 结电容中，并提出了采用p m o s 开关读出积分电荷的 方法。 1 9 6 8 年，英国p l e s s e y 的n o b l e 在一篇文章中描述了几种自扫描硅图像传感 器阵列结构，描述了表亟光敏二极管和埋沟道光敏二极管，讨论了用于读出的电 荷积分放大器，还报道了首次用于像元内信号读出缓冲的m o s 源跟随晶体管。 1 9 7 0 年，f r yn o b l e 和r y c e o f z 在一篇文章中探讨了固定模式噪声( f p n ) 。直到 目前，固定模式噪声仍被看作是m o s 和c m o s 图像传感器的主要问题。 2 1 2 无源像素删o s 图像传感器 无源像素c m o s 图像传感器( p ? s ，p a m s i v ep i x e ls e n s o r ) 诞生于上世纪8 0 年代。它主要由反向偏置的光敏二极管和地址选通开关构成。其结构如图2 - 1 ( a ) ， 年代。它主要由反向偏置的光敏二极管和地址选通丌关构成。其结构如图2 - 1 ( a ) ， 一 塑三苎! 坚旦! 里堡竺堡堡箜尘 第二章c m 0 s 图像传感器简介 本章首先介绍了c m o s 图像传感器的发展过程，然后对c m o s 图像传感器的基 本原理进行了描述，接着把c m 0 8 图像传感器和c c d 的主要特性进行了对比，最 后介绍了c m o s 图像传感器的几个主要性能指标。 2 1c m o s 图像传感器的发展过程 c m o s 图像传感器的发展过程就是像素单元结构的改进过程，像素单元结构 的每次重大改进都使的c m o s 图像传感器的性能有了很大提高。 2 1 1m o s 像感器 上世纪6 0 年代，有许多研究机构采用n m o s 、p m o s 或双极型工艺研究固体图 像传感器。1 9 6 4 年，i b m 报道了通过一个电阻网络寻址的n - p n 结阵列扫描器， 这种扫描器产生与入射光光强成比例的输出脉冲。1 9 6 6 年，西屋公司报道了一 个5 0 5 0 的单片式光敏晶体管阵列。以上这些传感器都只能产生与瞬间入射光 光强成比例的信号，不能输出任何有意义的积分光生信号。 1 9 6 7 年，仙童公司的w e c k l e r 提出了以光子通量积分模式工作的p - n 结，光 电流收集在反向偏置的p - n 结电容中，并提出了采用p m o s 开关读出积分电荷的 方法。 1 9 6 8 年，英国p l e s s e y 的n o b l e 在一篇文章中描述了几种自扫描硅图像传感 器阵列结构，描述了表面光敏二极管和埋沟道光敏二极管，讨论了用于读出的电 荷积分放大器，还报道了首次用于像元内信号读出缓冲的m o s 源跟随晶体管。 1 9 7 0 年，f r yn o b l e 和r y c e o f t 在一篇文章中探讨了固定模式噪声( f p n ) 。直到 目前，固定模式噪声仍被看作是m o s 和c m o s 图像传感器的主要问题。 2 1 2 无源像素c i a o s 图像传感器 无源像素c m o s 图像传感器( p p s ，p a s s i v ep i x e ls e n s o r ) 诞生于上世纪8 0 年代。它主要由反向偏置的光敏二极管和地址选通开关构成。其结构如图2 一l ( a ) ， 一苎三盔耍堕! 坚旦! 里堡堡壁矍盟堕堡墨垫! ! 壅 复位脉冲首先启动复位操作，将光电二极管的输出电压置0 ；接着光电二极管开 始光信号的积分。当积分工作结束时，选址脉冲启动行选择开关，光电二极管中 的信号传输至列总线上，然后经过公共放大器放大后输出。 r 心1 荫删“ic 。h i 。n 8 u 9 l ( a ) p p s 像翥结构 ( b ) a p s 像素结梅 图2 - 1p p s 和a p s 的像素结构示意图 p p s 允许在给定的像素尺寸下有最高的设计填充系数；同时由于填充系数高 且没有许多c c d 中多晶硅叠层，无源像素结构的量子效率较高。 但是其输出放大器的输入电容大，所以它的噪声性能和灵敏度都较差。 2 i 3 有源像素o l i o s 图像传感器 从上世纪9 0 年代初开始，有源像素c m o s 图像传感器( a p s ，a c t i v ep i x e l s e n s o r ) 渐成主流。a p s 和p p s 最主要的区别是：在像素单元内部集成了一个放 大器。每一光电转换信号首先经过放大器放大，而后再通过场效应管模拟开关传 输。 图2 一l ( b ) 为a p s 结构的原理示意图，其中复位场效应管( r e s e tt r a n s i s t o r ) 构成光电二极管的负载，其栅极与复位信号线相连。当复位脉冲出现时，复位管 导通，光电二极管被瞬时复位：而当复位脉冲消失后，复位管截止，光电二极管 开始对光电信号进行积分：由场效应管构成的源极跟随放大器( a m p l i f i e r ) 将光 电二极管的高阻输出信号进行电流放大；当选通脉冲到来时，行选择开关( r o w s e l e c t o r ) 导通，使得被放大的信号输出到列总线上。 a p s 将经光电转换后的信号立即在像素单元内放大，然后用x y 地址方式读 出，从而提高了图像传感器的灵敏度：由于a p s 在像素单元内有放大器而p p s 没 有，前者比后者具有良好的消噪功能：它不受电荷转移效率的限制，速度快，图 第二章c m o s 图像传感器简介 像质量明显改善。因此a p s 结构是目前应用的主流。但是，与p p s 结构相比，其 像素单元尺寸较大，填充系数小，设计填充系数的典型值为2 0 3 0 。2 1 4 数 宇像素o l i o s 图像传感器 数字像素c m o s 图像传感器( d p s ，d i g i t a lp i x e ls e n s o r ) 是当今研究的热点。 它不像p p s 和a p s 的a d 转换是在像素单元外进行，d p s 将a d 转换集成在每一 个像素单元里，每一个像素单元输出的是数字信号，工作速度更快，功耗比a p s 更低。 2 2c m o s 图像传感器的基本原理 典型的c m o s 图像传感器由像素单元阵列及辅助电路构成，图2 - 2 为其原理 框图。其中像素单元阵列主要实现光电转换功能，辅助电路主要完成驱动信号的 产生、光电信号的处理、输出等任务。 2 2 1 像素单元阵爹q 图2 - 2c m o s 图像传感器的原理框图 像素单元阵列是由光电二极管和m o s 场效应管阵列构成的集成电路。在图 2 - 2 中，像素单元阵列x 和y 方向排列成方阵，方阵中的每个单元都有它的x 、 y 方向上的地址，并可分别由两个方向的地址译码器进行选择；每一列像素单元 都对应于一个列放大器，列放大器的输出信号分别与由x 方向地址译码器控制的 墨主查雯堕曼竺竺! 璺堡堡壁壁塑垡堡墨堑婴堑 模拟多路开关相连。在实际工作中，c m o s 图像传感器在y 方向地址译码器的控 制下依次接通每行像素单元的模拟开关，信号通过行开关传送到列线上，再通过 x 方向地址译码器的控制，传送到放大器。输出放大器的输出信号由a d 转换器 进行模数转换，经预处理电路处理后通过接口电路输出。 2 2 2c m o s 图像传蒜器辅助电路 由于与电子c m o s 工艺完全兼容，c m o s 图像传感器可实现像素单元阵列、信 号读出电路、信号处理电路和控制电路的高度集成。典型的c m o s 图像传感器主 要由像素单元阵列、水平垂直控制和时序电路、模拟信号读出处理电路、a d 转换电路、数字信号处理电路和接口电路等构成。c i o s 图像传感器的时序电路 主要产生各种驱动和控制脉冲；模拟信号处理电路集成了自动增益控制( a g c ) 、 自动曝光补偿( a e c ) 、自动白平衡( a w b ) 、伽玛校正、背光补偿和自动黑电平校正 等电路；数字信号处理电路集成有彩色矩阵处理电路和全电视信号编码器，可输 出标准的n t s c 或p a l 制式的全电视信号，可通过a d 转换电路实现数字图像输 出：片上功能可通过i2 c 接口电路控制。 2 2 3c m o s 图像传感器的工作流程 由于c m o s 图像传感器的组成部分较多而且较为复杂，这就需要使诸多的组 成部分按一定的程序工作。为了实施工作流程，还要设置时序脉冲，利用它的时 序关系去控制各部分的运行次序；并用它的电平或前后沿信号去适应各组成部分 的电气性能。 c m o s 图像传感器的典型工作流程图如图2 - 3 所示。 ( 1 ) 初始化 初始化时要确定器件的工作模式，如输出偏压、放大器的增益、取景器是否 开通等，并设定积分时间。 ( 2 ) 帧读出( y r ) 移位寄存器初始化 利用同步脉冲s y n c y r ，可以使y r 移位寄存器初始化。s y n c y r 为行启动脉 冲序列，不过在它的第一行启动脉冲到来之前，有一消隐期间，在此期间内要发 送一个帧启动脉冲。 第二章c m o s 图像传感器简介 ( 3 ) 启动行读出 s y n c y r 指令可以启动行读出，从第一行( y = 0 ) 开始，直到y = y 。；止；y 。 等于行的像索单元减去积分时间所占用的像素单元。 ( 4 ) 启动x 移位寄存器 利用同步信号s y n c x ，启动x 移位寄存器开始读数，从x = o 起，到x = x 。， 止；x 移位寄存器存一幅图像信号。 ( 5 ) 信号采集 a d 转换器对一幅图像信号进行a d 数据采集。 ( 6 ) 启动下一行读数 读完一行后，发出指令，接着进行下一行读数。 图2 - 3c m o s 图像传感器工作流程幽 ( 7 ) 复位 帧复位是用同步信号s y n c y l 控制的从s y n c y l 开始至s y n c y r 出现的时 间间隔便是曝光时间。为了不引起混乱，在读出信号之前应当确定曝光时间。 ( 8 ) 输出放大器复位 用于消除前一个像素单元信号的影响，由脉冲信号s i n 控制对输出放大器的 复位。 ( 9 ) 信号采样保持 童i 塑墅旦! 堕堡垡壁堡塑堕堡墨堕婴塑 为适应a d 转换器的工作，设置采样保持脉冲，该脉冲由脉冲信号s h y 控 制。 实现上述工作流程需要一些同步脉冲信号，这些脉冲信号按时序利用脉冲的 前沿( 或后沿) 触发，确保c m o s 图像传感器按事先设定的程序工作。 2 3c m o s 图像传感器与c c d 的比较 c c d 和c m o s 图像传感器作为固体图像传感器领域的竞争对手，两者在性能 表现上各有优劣。 1 灵敏度 灵敏度代表传感器的光敏单元收集光子产生电荷信号的能力。c c d 图像传感 器灵敏度较c m o s i 蛩像传感器高3 0 5 0 。这主要因为c c d 像素单元耗尽区深度可 达1 0i 3 m ，具有可见光及近红外光谱段的完全收集能力。c m o s 图像传感器由于采 用0 1 8 o 5m m 标准c m o s i 艺，且采用低电阻率硅片须保持低工作电压，像素单 元耗尽区深度只有l 2m m ，其吸收截止波长小于6 5 0n m ，导致像素单元对红光 及近红外光吸收困难。 2 电子一电压转换率 电子一电压转换率表示每个信号电子转换为电压信号的大小。由于c m o s 图 像传感器在像素单元中采用高增益低功耗互补放大器结构，其电压转换率略优于 c c d 图像传感器。c c d 图像传感器要达到同样的电压转换率需要付出进一步增大器 件功耗的代价。 3 动态范围 动态范围表示器件的饱和信号电压与最低信号阈值电压的比值。在可比较的 环境下，c c d 动态范围约较c m o s 的高2 倍。主要由于c c d 芯片物理结构决定通过电 荷耦合，电荷转移到共同的输出端几乎没有噪声，使得c c d 器件噪声可控制在极 低的水平。c m o s 器件由于其芯片结构决定它具有较多的片上放大器、寻址电路、 寄生电容等，导致器件噪声相对较大，这些噪声即使通过采用外电路进行信号处 理、芯片冷却、采用好的光学系统等手段，c m o s 器件的噪声仍不能降到与c c d 器 件相当的水平。c c d 的低噪声特性是由其物理结构决定的。 4 响应均匀性 第二章c m o $ 图像传感器简介 由于硅片工艺的微小变化、硅片及工艺加工引入缺陷、放大器变化等导致图 像传感器光响应不均匀。响应均匀性包括有光照和无光照( 暗环境) 两种环境条 件。c m o s 图像传感器由于每个像素单元中均有开环放大器，器件加工工艺的微小 变化导致放大器的偏置及增益产生可观的差异，且随着像素单元尺寸进一步缩 小，差异将进一步扩大，使得在有光照和暗环境两种条件下c m o s 图像传感器的响 应均匀性较c c d 有较大差距。 5 暗电流 标准c m o s 图像传感器具有较高的暗电流，暗电流密度为1n a c m 2 量级，经 过工艺最佳化后可降 氐至u 1 0 0p a c m 2 量级，而精心制作的c c d 的暗电流密度为2 1 0p a c m 2 。 6 电子快门 快门代表了任意控制曝光开始和停止的能力。c c d 特别是内线转移结构具有 优良的电子快门功能，由于器件可纵向从衬底排除多余电荷，电子快门功能几乎 不受像素单元尺寸缩小的限制。 c m o s 图像传感器在每个像素单元中需要一定数量的晶体管来实现电子快门 功能，增加电子快门功能将增加像素单元中的晶体管数量，压缩感光区的面积。 因此其设计者采用在不同时间对不同行进行曝光的滚动快门方式解决此问题。这 种方式减少了像素单元中的晶体管数，但在高性能应用中运动目标会出现明显的 图像变形。此外可采用较大尺寸的像素单元以兼顾图像高性能和具有与c c d 类似 的同时曝光的电子快门功能。 7 速度 由于大部分相机电路可c m 0 s 图像传感器在同一芯片上制作，信号及驱动传 输距离缩短，电感、电容及寄生延迟降低，信号读出采用x y 寻址方式，c m o s 图 像传感器工作速度优- 于c c d 。通常的c c d 由于采用顺序传输电荷，组成相机的电路 芯片有3 8 片，信号读出速率；f 超过7 0m p i x e l s s 。c m o s 图像传感器的设计者将 模数转换( a d c ) 作在每个像素单元中，使c m o s 图像传感器信号读出速率可达l0 0 0 m p i x e l s s 。 8 开窗口 c m o s 图像传感器由于信号读出采用x y 寻址方式，具有读出任意局部画面 基于大面阵c m o s 图像传感轱的成像系统研究 的能力，这使它可以提高感兴趣区域的帧或行频。这种功能可用于在画面局部区 域进行高速瞬时精确目标跟踪。c c d 由于其顺序读出信号结构决定它在画面开窗 口的能力受到限制。 9 抗晕能力 抗晕能力指将过度曝光产生的多余电荷排出像素单元，不影响画面其他部分 的能力。通常的c 8 4 0 s 的像素结构决定它具有自然的抗晕能力。c c i ) 图像传感器需 要特殊的结构设计才能具有抗晕能力。大多数商用c c d 均具有抗晕能力，但高性 能的科学级c c d 由于其多用于弱信号探测，通常未设计抗晕结构。 l o 偏置与功耗 c m o s 图像传感器通常在单一的较低外接信号偏置电压与时钟电平下工作， 非标准电压偏置通过芯片内部转换解决。典型的c c d 像感器需要几组较高的偏置 电压才能工作，近期的c c d 器件通过改进，其时钟工作电压降低到与c m o s 相近， 但其输出放大器偏压仍较高。 1 1 抗辐射性 由于c c d 的像素单元由m o s 电容构成，电荷激发的量子效应易受辐射线的影 响，而c m o s 图像传感器的像素单元由光电二极管构成，因此c m o s 图像传感器的抗 辐射能力比c c d 大十多倍，有利于军用和强辐射应用。 2 4c m o s 图像传惑器的性毹指标 表征c m o s 图像传感器的性能参数与表征c c d 的性能指标参数基本上是一致 的。近年来，c m o s 图像传感器技术取得了重大进展，其性能指标已与c c d 接近。 1 光谱响应 c m o s 图像传感器是有光谱选择性的光电转换器件，对于不同波长的光的响应 度是不同的。光谱响应特性表示c m o s 图像传感器对于各种单色光的相对响应能 力，其中响应度最大的波长称为峰值响应波长。通常把响应度等于峰值响应的 5 0 所对应的波长范围称为光谱响应范围。c m o s 图像传感器的光谱响应范围基本 上是由所使用的材料性质决定的，但也与器件的光敏单元结构和所使用的电极材 料密切相关。 图2 4 所示为c m o s 图像传感器的光谱响应特性曲线。由图可见，其光谱范 第二章c m o $ 图像传感器简介 围为3 5 0 l1 0 0r i m ，峰值响应波长在7 0 0r i m 附近，峰值波长响应度达到0 4a w 。 2 量子效率 量子效率表示出在一定的曝光量下，像素单元势阱中所收集的光生电荷数与 入射到像素单元表面上的光子数之比，它与像素单元结构和衬底结构有关。 器件的光谱响应特性与量子效率受器件表面光反射、光干涉、光透过表面层 的透过率的差异和光电子复合等因素影响，量子效率总是低于1 0 0 。此外，由 于上述影响会随波长而变，所以量子效率也是随波长而变化。图2 - 4 中的不平行 的斜线即表示量子效率的这种变化关系。 图2 - 4c m o s 图像传感器像敏单元光谱响应特性曲线 3 填充因子 填充因子是光敏面积对全部像敏面积之比，它对器件的有效灵敏度、噪声、 时间响应、模传递函数m t f 等的影响很大。 因为c m o s 图像传感器包含有驱动、放大和处理电路，它会占据一定的表面 面积，因而降低了器件的填充因子。无源像素单元结构的器件具有的附加电路少， 它的填充因子会大些：大面积的图像传感器结构，光敏面积所占比例会大一些。 提高填充因子，使光敏面积占据更大的表面面积，是充分利用半导体制造大光敏 面图像传感器的关键。 目前提高填充因子的方法主要有两种： 一 苎主查蜜堕! 竺旦! 型堡些壁竖堕些堡墨堕型塑 一种是采用微透镜，即在g m o s 图像传感器像素单元阵列的上方安装有一层 矩形的面阵微透镜，它将入射到像素单元的全部光线都会聚到各个面积较小的光 敏元件上，所以填充因子可以提高到9 0 。此外，由于光敏元件面积减小，提 高了灵敏度，降低了噪声、减小了结电容，提高了器件的响应速度，所以这是一 种很好的提高填充因子的方法，它在c c d 上已经得到成功的应用。 另外一种方法就是本论文中所着重研究的i b i s 5 一a 一1 3 0 0 图像传感器所采用 的商填充系数像素单元结构，这种技术将在第三章进行详细介绍。 4 噪声 c m o s 图像传感器的噪声来源于其中的光敏单元的光电二极管、用于放大器 的场效应管和行列选择开关的场效应管。这些噪声既有相似之处也有很大差别。 此外，由光电二极管阵列和场效应管电路构成c m o s 图像传感器时，还可能产生 新的噪声，下面分别讨论。 ( 1 ) 光敏器件的噪声 热噪声 热噪声为电子在光敏器件中的热随机运动而产生的噪声，是一种白噪声。嗓 声电压的均方值为： u 缸= 4 k t a f 式中，k 为玻尔兹曼常数，t 为光敏器件工作的绝对温度，f 是工作频率的带 宽。降低工作温度是减小热噪声的有效方法。 散粒噪声 光敏器件工作时需要加入偏置电流。当电荷运动时，会因与晶格碰撞而改变 方向，电子的速度便出现了涨落，引起了偏置电流的起伏，由此而产生的噪声为 散粒噪声。它也是一种白噪声。噪声电流均方值为： i 2 = 2 q l o 式中，q 为电子电荷量，i o 为光敏器件的偏置电流。减小偏置电流，可以减小散 粒噪声，但是有可能降低光电响应度，也可能增大非线性。 复合噪声 这时由于光生载流子的寿命不同，引起电流的起伏而产生的噪声，它是光敏 器件所特有的。噪声电流均方值为： 艮4 露最每厂 式中，风为载流子产生率，f 是载流子寿命，移为器件的工作频率。可见这种 噪声不是白噪声，提高工作频率有利于降低这种噪声。 电流噪声 电流噪声是由于材料缺陷、结构损伤和工艺缺陷等引起的。当电子在带有缺 陷的器件中运动时，就会出现电流变化，从而引起噪声。因为它与l t f 成正比， 故也称1 f 噪声。电流噪声均方值为： ，刍= 等 式中口，卢和k 均为常数，一般口= 2 ，卢= 1 ，i 为流过器件的电流。从公式可以看 出，电流噪声不但与器件工作电流的平方成正比，而且与器件的工作频率成反比， 选择较高的工作频率，有利于减小电流噪声。但是，因为c _ i o s 图像传感器的帧 频较低，电流噪声常常是不可忽略的。 ( 2 ) c m o s 图像传感器中的工作噪声 c m o s 图像传感器在工作过程中，除去上述噪声外，还要产生一些新的噪声。 例如，复位开关工作时会带来复位噪声，即k t c 噪声；而多个像素单元组成c m o s 成像器件时，又会因为各个像素单元的特性不致而出现空间噪声；此外，还存 在电磁干扰和多个时钟变化而引起的时间跳变干扰。 复位噪声 复位开关与低阻电源断开时，信号存储在电容上的残存电荷是不确定的，这 就引起了复位噪声。复位噪声电荷的均方根值为： q 。= 4 k t c 式中，k 为玻尔兹曼常数，t 为绝对温度，c 为电路电容。当c = i o d f 时，q 。= 4 0 个电子：而当c = l p f 时，q 。= 4 0 0 个电子。 空间噪声 空间噪声包括：暗电流不均匀直接引起的固定模式噪声( f p n ) 、暗电流的产 生与复合不均匀引起的噪声，像素缺陷带来的响应不均匀引起的噪声和成像器件 基于大面阵c m o s 图像传感器的成像系统研究 中存在温度梯度引起的热图案噪声等。这些空间噪声是由成像器件材料的不均匀 或工艺方法缺陷带来的。有的( 如f p n ) 是可以用相关双采样方法消除的。 5 空间传递函数 c m o s 图像传感器的理论空间传递函数为： r ( ，) = s i n c 阿) 式中，f 是空间频率，b 为像素尺寸，c 为常数。t ( f ) = o 的空间频率称为奈奎斯 特( n y q u ls t ) 频率f n 。从上式中可求得： 1 w2 万 一 蔓三兰曼坚2 1 璺堡堡壁矍坚! ! 兰：! ! ! ! 第三章c m o s 图像传感器i b i s 5 一a - 1 3 0 0 本论文中所采用的有源像素c m o s 图像传感器是由比利时f i l lf a c t o r y 公司 ( 已经被赛普拉斯公司收购，成为其图像存储事业部的一部分) 于2 0 0 4 年推出 的新产品。它将模拟图像获取、数字化和数字信号处理的功能集成在单一芯片中。 本章将对这款c m o s 图像传感器的特点、性能、结构和使用方法作详细的介绍。 3 1i b i s s - a - 1 3 0 0 的主要特点 16 7u m 高填充因子像素单元 由第二章的介绍可知，填充因子太低是有源像素传感器的一大缺陷，设计填 充因子的典型值只有2 0 3 0 。而i b i s 5 - a - 1 3 0 0 通过改进像素单元的结构来提 高填充因子。 图3 - i 高填充因子像素单元结构示意图 如图3 - i 所示，剖面a a 处的n - w e l l p 衬底型结是像素单元内的光敏 二极管，b b 处以及所有被p - w e l l 层覆盖的地方可以看作是像素单元内其余的 有源结构，光敏二极管和其余的有源结构是隔离的。在光敏二极管的n + 区下增 加了n - w e l l 区，用于接收扩散的光电子；而在其余的有源结构下，由于p - w e l l 层和p 外延层存在着一个6 0m e v 的静电势垒。因此这个静电势垒可以有效的阻 止非光敏区的p n 结收集在p 外延层产生的光生电荷；而光敏区由于没有p - w e l l 层覆盖，p 外延层产生的光生电荷就可以畅通无阻的到达光敏区。 从图3 一l 右侧的两个截面的电位分布图也可以看出，两个截面电位分布的差 堑奎亘堕! 塑q ! 里堡堡壁璺塑壁堡墨竺婴壅 剐主要在b b 处的p - w e l l 区和a - a 处对应的n - w e l l 区，前者的电位很低， 将阻挡光电子进入，而后者的电位很高，对光电子有吸引作用。 i b i s 5 一a 一1 3 0 0 采用这种像素单元结构，使得填充因子高达6 6 ，量子效率与 填充因子乘积的峰峰值为3 0 。 2 高动态范围 i