（通信与信息系统专业论文）基于cmos图像传感器的成像系统研究.pdf

摘要 随着c m o s 图像传感器技术在近几年的飞速发展，采用c m o s 图像传 感器的成像设备已经开始应用于工业、消费品、手机、汽车、医疗、安保、 监控、航空、航天、军工等众多领域。相比于c c d 器件，c m o s 图像传感 器在集成度，工艺复杂度，功耗，成本和开发周期等方面具有明显的优势， 西方发达国家已经对基于c m o s 的成像系统的开发具有了一定的经验和成 功先例，而在我国，对大面阵高帧频的c m o s 成像系统的开发还相对薄弱。 在未来的工业、军事、航空航天领域中，对高性能低成本的数字成像系统 存在着巨大的需求。因此，通过对基于高性能指标c m o s 图像传感器成像 系统进行研究和开发，迅速掌握核心技术，积累必要的技术储备和经验， 对满足我国将来在相关领域的需求有着积极的推动意义。 本文回顾了在实现高帧频大面阵c m o s 成像系统中采用的主要器件和 技术的发展历程及现状，着重讨论实现该系统的关键技术和方法；详细分 析了f i l l f a e t o r y 公司i b i s 5 - a - 1 3 0 0 型c m o s 图像传感器的性能和技术特点， 实现了两种快门模式以及对工作状态的可变配置；基于a l t e r a 公司的m a x 2 系列c p l d ，使用v c r i l o g 语言设计了时序电路，完成对c m o s 传感器的控制； 采用c y p r e s s 公司的6 8 0 1 3 a 型u s b 控制芯片实现高速数据传输；固件的开 发采用k e i lc 完成，数据采集应用程序的开发由v c + + 完成。 p c b 电路板采用了4 层板设计，l d o 低压差电源供电。整体系统体 积小，功耗低，性能指标较高，可根据需要更改工作方式。 关键词：c m o s 图像传感器成像系统u s b 2 0 c p l d 基于c m o s 图像传感器的成像系统研究 a b s t 【r a c t d o n gj i a ( 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 m f q i uy u e h o n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc m o si m a g i n gs e r t s o r , t h e r eh a v eb e e nm a n y a p p l i c a t i o n so ni n d u s t r y , m o b i l e ，a u t o m o b i l e ，c o n s u m a b l e ，s e c u r i t y , m e d i c i n e ， a e r o p l a n e ，s p a c et e c h n o l o g y ，m i l i t a r ye t c c o m p a r e dw i t hc c d ，c m o si m a g i n g s e n & o rh a s a d v a n t a g e s o l l i n t e g r a t i o n , c o m p l e x , p o w e r , c o s t a n d d e v e l o p c y c l e w e s t e r nd e v e l o p e dc o u n t r i e sh a v ea c c u m u l a t e ds u c c e s s f u le x p e r i e n c e h o w e v e rw cs t i l lk n o wl i t t l ea b o u tl a r g ef r a m ec m o si m a g i n gs y s t e m t h e r ea r e g r e a tr e q u i r e m e n tf o rh i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wc o s tv i d e os y s t e m si nt h e f u t u r e s oi ti sv e r yi m p o r t u n tt oo b t a i nk e r n e lt e c h n o l o g yb yr e s e a r c h i n gh i g h p e r f o r m a n c ec m o si m a g i n gv i d e os y s t e mt om e e tt h er e q u i r e m e n t t h i sp a p e rr e v i e w st h ed e v e l o p m e n to fk e r n e ld e v i c e sa n dt e c h n o l o g yo f b i g hs p e e d & l a r g ef r a m ec m o si m a g i n gs y s t e m , r e s e a r c h st h ek e r n e lt c c h n o l o g y , a n a l y s e s t h e p e r f o r m a n c e a n d c h a r a c t e r i s t i c o f m i s 5 一a 1 3 0 0 m a n u f a c t u r e d b yf i l l f a c t o r y , i m p l e m e n tt w os h u t t e rm o d l e sa n dt h ef l e x i b l ec o n f i g u r a t i o no f s t a t e d e s i g nt i m i n gc i r c u i tw i t hv e r i l o gh a r d w a r ed e s i g nl a n g u a g eb a s e do n c p l do fa x 2s e r i e so fa l t e r at oc o n t r o lc m o si m a g es y s t e m i m p l e m e n t e d h i g hs p e e d i n t e r f a c ed e s i g nw i t h6 8 0 1 3 au s b 2 0c h i pm a n u f a c t u r e db y c y p r e s sa n dd e v e l o p e d 五l r l n w a l ea n da p p f i c a t i o ns o r w a r e 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 f t h ei m a 百n gp a r ta n dt h ec o n t r o m n g p a r t , f o u rl a y e r so fp c ba n dt h e s 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 w d r o p o u tr 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 h i 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 k e yw o r d s ：c m o si m a g i n gs e n s o r , v i d e os y s t e m , u s b 2 0 ，c p l d 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 了瞻确的注释郄致谢。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献垮已在论文 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：丝日期；圣翌坐! 旦塑 知识产权声嘴 本人完全了解中辩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) 爿” 论文作者签名：l 丝 导师签名： 砼燧丝 日期：堡垒垒量匿期：趔堕趱镏 第一章引言 第一章引言 1 1c m o s 图像传感器及其发展状况 c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l - o x i d e - m i c o n d u c t o ri m a g es e n s o r ) 图像传 感器是一种采用c m o s 工艺制造的图像传感器，最初是由n a s a 的喷气推 动实验室发明的。 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 有源象 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 ) 及其在星敏感 器中的应用进行重点研究，第一代称为s t r a c k e r 的a p s 星敏感器，证明了基 于0 4 0 sa p s 的星敏感器的精度可以满足要求。 发展初期，由于成像质量不高，c m o s 图像传感器一直未得到广泛的重 视和应用，所以在过去的十几年中，c c d 图像传感器在图像传感器市场上一 直居于主宰地位。随着集成电路技术的飞速发展，c m o s 图像传感器技术水 平已经有了很大的进步，其分辨率、动态范围、灵敏度等指标明显提高。而 且c m o s 图像传感器采用标准的半导体工艺，其技术难度低于c c d 工艺， 拥有该工艺的厂家都可以生产c m o s 图像传感器，因此c m o s 图像传感器 在最近十几年中迅速发展。 1 2 国外c m o s 图像传感器的应用状况 j p l 研制的0 4 0 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，l o 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 w ，数据读出率可 达2 0 兆位秒。 比利时微电子研究中心( i 她c ) 与欧洲宇航局合作研究的i b 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 2 岫5 3m m x 5 3m m ，精度优于3 0 ”5 等 基于c m o s 图像传感器的成像系统研究 星，视场为2 0 。x 2 0 。，帧频l o h z ，在相同的光学条件下，该指标完全可与 c c d 比拟。 c m o s a p s 目前已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 i i 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 n 5 4 2 6c m o s 相机模块，分辨率为 3 8 2 x 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 脏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 ，c ) 分别用于欧 洲宇航局的x i - 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 l 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 x 2 8 8 象素的c m o s 相机，以及一个小视角的 3 5 0x2 8 8 象素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 l 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 x 2 5 6 像元) 。 1 3 本文的背景和主要研究内容 在工业、军事、航天等领域，都需要有性能指标较高，成本较低，集成 度高，应用方便的成像采集系统。c m o s 图像传感器的特性正好满足这方面 的要求。目前我国c m o s 成像系统的开发还比较少，在系统开发上缺乏工程 试验数据和经验积累。因此选择一款性能指标较高的c m o s 图像传感器并以 其为基础进行c m o s 成像系统的开发，通过工程实践了解c m o s 成像系统 的开发规律，掌握开发方法，积累一定的试验数据和经验，对将来开发高性 能的可应用于工业或军事、航天领域的成像系统具有重大的参考价值。 第二章主要介绍c m o s 图像传感器的原理；比较c c d 与c m o s 图像传 感器的差异；当前的技术发展水平；c m o s 图像传感器在航天方面的应用前 景；简单介绍了当前c i v i o s 成像系统的发展情况。 第三章介绍f i l l f a c t o r y 公司的c m o s 图像传感器的工作原理和性能特点， 概述其结构和原理以及两种快门方式，随后介绍时序的设计。首先介绍可编 程器件的分类、原理，简单介绍了本文采用的器件的特性。重点讲述在 q u a r t u s 2 环境下使用w - r i l o g 语言进行时序设计。 2 第一章引言 第四章介绍如何使用u s b 接口实现高速数据传输。首先介绍u s b 技术 的原理，其次是对6 8 0 1 3 a 的技术特点的介绍，最后介绍了驱动开发的原理。 重点是讲解固件的设计开发。 第五章介绍p c b 的设计，针对u s b 接口高速信号传输要求所采取的措 施。 第六章对试验结果进行分析，提出改进的建议。 基于c m o s 图像传感器的成像系统研究 第二章c m o s 图像传感器简介 2 1c m o s 图像传感器的早期发展 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 x 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。 在上世纪9 0 年代初，c m o s 传感器技术取得了突破性的进展，n a s a 旗下 的j e tp r o p u l s i o nl a b o r a t o r y ( 简称j p l ) 成功地研制出a c t i v ep i x e l s e n s o r s ( 简称a p s ) 。这项技术的理念早在数十年前就已经萌发了，但是直 到1 9 9 3 年才得以应用。a p s 在每一个象素点上增加了一个放大器，这样电荷 转变为电压的过程就可以在象素点进行了。它提供了随机访阔传感器象素点 的能力，这与r a m 技术中的行列存储单元访问非常相似。 因为在芯片上增加了附加电路，噪声问题成为c m o s 最大的困扰，直到目 前，固定模式噪声仍被看作是c m o s 图像传感器的主要闻题。 2 2c m o s 图像传摩器的分类 目前已研制出三大类c m o s 图像传感器，i l p c - m o s 无源象素传感器( c m o s p p s ) 、c m o s 有源象素传感器( c m o s a p s ) 和c m o s 数字象素传感器( c m o s - - d p s ) 。 在此基础上又研制出c m o s 视觉传感器( c m o sv i s u a ls e n s o r ) 、c m o s 应力传感 器( c m o ss t r e s ss e n s o r ) 、c m o s 对数极性传感器( l o g - - p o l a rc m o ss e n s o r ) 、 c m o s 视网膜传感器( c m o sr e t i n a ls e n s o r ) 、c m o s 凹型传感器( c m o sf o v e a t e d s e n s o r ) 、对数变换形o d o s 图像传感器( l o g a - - r i t h m i c - - c o n v e r t i n gc m o s i m a g es e n s o r ) 、轨对轨c m o s 有源象素传感器( r a i l t o _ - r a i lc m o sa c t i v e p i x e ls e n s o r ) 、单斜率模式c m o s 图像传感器( s i n g l es l o p em o d ec m o si m a g e s e n s o r ) 和c m o s 指纹图像传感器( c m o sf i n g e rf r i n g e rs e n s o r ) 等。其中发展 最快的是c m o s - - p p s 和c m o s - - a p s 。p p s 结构简单。量子效率高，但是缺点是 t 第二章c n o s 图像传蓐器简介 噪声大，并且不利于向大型阵列发展；a p s 在象素中加入了至少一个晶体管 来实现对信号的放大和缓冲，改善了p p s 的噪声问题，但恶化了阈值和增益 的一致性，也减小了填充系数。 2 2 1 无源象素c m o s 图像传感器 无源象素c i 0 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 - i ( a ) ，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。 p 雌像囊结构 ( b ) p s 像囊结构 图2 - 1p p s 和a p s 的象素结构示意图 p p s 允许在给定的象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，无源象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 2 2 有源象素c m o s 图像传感器 从上世纪9 0 年代初开始，有源象素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：在象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 - 1 ( 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 t 5 基于c m o s 图像传感器的成像系统研究 t 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 ws 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象素单元内放大，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 在象素单元内有放大器 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，其象素单元尺寸较大，填充系数小，设计填充系数的典型值为 2 0 3 0 。 2 2 3 数字象素c m o s 图像传感器 数字象素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 转换是在象素单元外进行，d p s 将a d 转换 集成在每一个象素单元里，每一个象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 3c m o s 图像传感器的发展现状 目前主流的c m o s 图像传感器芯片达到的技术水平已经可以在中低端 领域取代c c d 芯片。在分辨率上，c m o s 芯片从最初的c 标准普遍达到 了1 m 3 m 象素甚至更高；帧速率一般1 m 象素的商业产品可以达到l o 3 0 f p s ，部分产品的帧速率可以达到几百；动态范围一般在5 5 7 0 d b 之间， 有些厂家采用特别的技术可以达到1 0 0 d b 左右；像元尺寸普遍达到了5 u m 以 下；芯片的集成度也进一步提高，一般在芯片中都集成了a d 转换，增益放 大，信号处理等功能。 美国o m n i v i s i o n 公司是世界上最大的c m o s 芯片供应商之一，其芯片 的特点是较高的灵敏度和动态范围，其产品既有模拟输出又有数字输出， 6 第二章c m o s 图像传感器简介 o v 7 0 0 0 系列及o v 8 0 0 0 部分产品数字输出可达1 6 b i t ；o m n i v i s i o n 开发的 c l f 0 5 2x2 8 8 ) 等级的cm os 传感器，其特色为低耗电，目标市场定位在移 动电话上，其产品发展策略和各大研究调查机构不谋而合，目前在移动电话 市场上，cmos 模组的摄相模块已经成为移动通讯应用的最大量产品。 安捷伦( a g i l e n t ) 公司致力于小型c m o s 芯片的开发，产品多为c i f 和v g a 产品，其特点为高画质、低功耗、高帧速、体积小，目前其最新的 a d c s - - 1 0 2 1 和a d c s - - 2 0 2 1 c m o s 图像传感器拥有较高的画质和灵敏度， 可以随机选取读取区域，功耗为1 5 0 r o w ，待机时仅为1 5 0 u w 。其产品适合应 用于手机、玩具、掌上设备等对小型化水平要求高的领域，而其单色图像传 感器则为生物检测( 识别如指纹的个体特征) 、监控和安全、机器视觉和条码 扫描仪提供了理想之选。 创建于1 9 9 7 年的f o v e o n 公司独创了x 3 技术，该技术改变了以往c m o s 传 感器每个像元只感应光强的工作方式( 图2 2 ) ，把每个像元分为3 层，分别 感应蓝、绿、红光，这样一个像元相当于传统技术的3 个像元，图像更为锐利， 色彩更为逼真，是一种革新性的技术，目前已经有4 5 m 和1 0 2 m 两个系列的 产品，并在p o l a r o i dx 5 3 0 ，s i g m as d 9 ，s i g m as d i o 等d s c 上使用。根 据有关方面报道，f o v e o n 和国家半导体公司采用0 1 8 u m 例0 s 工艺首次成功开 发了1 6 0 0 万象素( 4 0 9 6 x4 0 9 6 元) c m o s 图像传感器，这是迄今为止全球集成度 最高的器件，像元尺寸为5 u m x5 u m ，芯片尺寸为2 2 m m x2 2 m m 。 图2 - - 2f o v e o n 公司独创的x 3 技术 美光( m i c r o n ) 公司的c m o s 产品面向p d a 、手机、d s c 等消费领域。 7 基于c m o s 图像传感器的成像系统研究 美光的d i g i t a l c l a r i t y 技术，在保持原有尺寸、功耗以及集成优势的同时， 在噪声、敏感度、暗电流几个性能指标上均达到了较高的水平，其c m o s 图像传感器在某些方面已经达到了c c d 的水平。目前美光的c n o s 传感器 主要应用的领域包括d s c 、d v c 、p c 、安全气囊、c e l lp h o n e ，机器视觉、 动态分析等。 比利时f i l l f a c t o r y 公司采用1 1 阱象素结构，极大地提高了传感器的灵 敏度，同时使用的一种称为双斜率行转移模式的技术可使传感器动态范围达 到i o o d b ，其中l u p a l 3 0 0 帧速率达4 5 0 f p s ，可用于高速成像领域。f i l l f a c t o r y 有专门的航天级c m o s 芯片，可用于航天项目的开发。 2 4c m o s 图像传感器的工作原理 典型的c m o s 图像传感器由象素单元阵列及辅助电路构成，图2 3 为其原 理框图。其中象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。 图2 3c m o s 图像传感器的原理框图 象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 3 中。象素单元阵列x 和y 方向排列成方阵，方阵中的每一个单元都有 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 列象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 第二章删0 s 图像传感器简介 向地址译码器的控制下依次接通每行象素单元的模拟开关，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 i 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。 由于与电子c m o s 工艺完全兼容，c m o s 图像传感器可实现象素单元阵列、 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 器主要由象素单元阵列、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 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 髓) 、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1 2 c 接口电路控制。 2 5 与c c d 的性能比较 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。 l 灵敏度 c c d 图像传感器灵敏度较c m o s 图像传感器高3 0 5 0 。c m o s 图像传感器由 于采用0 1 8 o 5m 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， 象素单元耗尽区深度只有1 2 珊，其吸收截止波长小于6 5 0 舳，导致象素单 元对红光及近红外光吸收困难。 2 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。这主要是由于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其噪声相对较大。 3 暗电流 标准咧o s 图像传感器具有较高的暗电流，暗电流密度为1n a c l n 2 量级，经 过工艺最佳化后可降低到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 9 基于c m o s 图像传感器的成像系统研究 2 1 0p c m 2 4 电子快门 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象素单元尺寸缩小的限制。 c m o s 图像传感器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。这种方式减少了象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象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。 5 速度 由于大部分相机电路和c m o 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，c m o s 图像传感器工作速度优于c c d 。通常的c c d 信号读出速率 不超过7 0 呦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 ) 作在每个象 素单元中，使c m o s 图像传感器信号读出速率可达1 0 0 0 m p i x e l s s 。 6 一开窗口 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 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。 2 6c m o s 图像传感器在航天应用中的优势 c m o s a p s 在以下几个方面的特性适合于空间应用： ( 1 ) c m o s 图像传感器驱动简单，易于开发，并且功耗小。a p s 型 结构消耗的电能大约是c c d 的1 1 0 0 ，这对于用太阳能电池供电的卫星来说 是一个极重要的优点。c c d 需要外部控制信号和时钟信号以获得满意的电荷 转移效率，这些外部驱动电路消耗了大量的电能，同时c o d 系统需要不止一 个电源和电压调节器。而a p s 仅使用单一的电源，大大提高了电源使用效率。 + 一般来说，c o d 系统需要较高的能耗，而具有相同象素输出的a p s 系统所需能 耗则大大降低。 ( 2 ) c m o s 图像传感器应用灵活，可以在面阵上只读取感兴趣的区 1 0 第二章c m 0 s 图像传感器简介 域甚至只对感兴趣的象素进行读取。在c m o sa p s 中，光探测部件和输出放大 器都是每个象素的一部分，这使积分电荷可以在象素内被转换为电压信号，然 后通过x y 输出线输出( 而不是像在c c d 中那样使用电荷移位寄存器) 。这 种与普通d r a m 相似的行列编址使兴趣窗口输出( 即窗口操作) 成为可能，可 以进行在片平移、旋转和缩放。窗口操作为需要图像压缩、运动检测和目标 跟踪的应用方式提供了许多附加的灵活性。这就使得整个成像系统可以实现 许多数字信号处理功能，包括抗跳动( 图像稳定) ，图像压缩( 输出之前或之 后) ，色彩编码，计算机数据总线接口，多分辨率成像等，为实现较复杂的星上 图像处理功能提供了基础。 ( 3 ) c m o s 图像传感器具有很高的集成潜力，可以将多个功能模块集 成在一个芯片上，因此很有利于提高系统的集成度，减小系统的体积，降低 功耗。 2 7c i v i o s 图像传感器的主要性能指标 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。 2 量子效率 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 9 6 。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。 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。 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。 1 2 第三章i b i s 5 一 一1 3 0 0 大面阵高帧频例0 s 图像传罄器时序设计 第三章旧i s 5 一a 一1 3 大面阵高帧频c m o s 图像传感器时序设计 f i l l f a c t o r y 公司是比利时一家专业从事c m o s 图像传感器设计制造的 公司，其产品涵盖工业、高速摄像、航天等多个领域，最近合并到c y p r e s s 公司，成为其图像事业部的一员。本论文选择了该公司的i s 5 一a 一1 3 0 0 c m o s 图像传感器，在单个芯片上集成了模拟图像获取、a d 转换等功能， 有同步快门和翻转快门两种快门方式，象素数1 3 m ，帧频为3 0 f p s ，主要用 于机器视觉等领域。 3 1i b i s 5 - - a - - 1 3 0 0 的技术特点 3 1 1 动态范围 目前的c m o s 图像传感器动态范围多在6 0 d b 左右。i b i s 5 - a - 1 3 0 0 在单斜 率积分模式下为6 4 d b ( 16 0 0 ：1 ) 。在同步快门模式下，使用者可以采用多斜 率积分模式来进一步提高动态范围。多斜率积分采用不同的曝光时间，当光 强很弱时采用长时间曝光，输出信号曲线的斜率很大：而当光强很强后，改 用短时间曝光，曲线斜率便会降低，从而可以扩大动态范围。图3 1 表示在 采用双斜率快门的时候，光强一输出电压关系曲线。 图3 1 多斜率快门 基于c m o s 图像传蓐器的成像系统研究 多斜率快门能够适应较大的光强变化，采用这种技术，i b i s 5 一a 一1 3 0 0 的动态范围可以达到8 0 l o o d b 。 3 1 2 增益可变放大器 通过4 b i t 的增益控制字，可以控制增益曲线按指数规律变化。偏置控制 字为7b i t ，它由一个7b i t 的d a c 控制，d a c 令偏置电压在两个参考电压 ( d a c _ v h i g h 和d a cv l o w ) 之间呈线性变化。这样就将信号的抖动限制在片载 1 0 一b i ta i e 的输入范围内。 ， 3 1 3 片上a d c i b i s 5 一a 一1 3 0 0 内部集成有一个独立的a d c 。因此在提供模拟信号输出 的同时，也可以通过将模拟信号连接到a d c 的输入端实现片上模数转换。片 上a d c 是一个和图像传感器电气隔离的模块，有独立的电源、参考电压等电 路设计方面的要求。 3 1 4 随机开窗与亚采样 随机开窗可对片上任意兴趣区域( r e g i o no fi n t e r e s t ) 进行读取，并且 每帧图像可以读取不同的区域。灵活采用随机开窗功能可以实现多窗口数据 读取。如图3 2 。 图3 2 多窗口读取 随机开窗功能的实现是通过控制传感器内部的x 和y 移位寄存器起点指 针，控制x 方向和y 方向的起始读出位置，实现r o i 操作的。x 方向地址的 最小步进距离是2 ( 只能选择偶数列作为起始地址) ，y 方向为l ( 每一行都 可以作为起始地址) ，所以最小可以输出2 x1 窗口大小的象素单元。进行r o i 操作时，帧速率近似成线性增长。利用这一功能，可以根据实际使用需要， 1 4 第三章i b i s 5 一a 一1 3 0 0 大面阵高帧频删( ) s 图像传感器时序设计 通过减小成像区域提高帧速率。 亚采样( s u b - s a m p li n g ) 也叫“抽点取样”，即通过选取某一区域的某点 ( 或某些点) 代替该区域，从而将影像的分辨率缩小到指定点。i b i s 5 一a 一1 3 0 0 的x 方向和y 方向分别有四种亚采样模式，能够很好的满足用户直接输出压 缩图像的需要。 同时，i b i s 5 一a 一1 3 0 0 采用双采样技术消除固定模式噪声，并且提供了 两种快门模式：翻转快门( r o l l i n gs h u t t e r ) 和同步快门( s y n c h r o n o u s ) ， 这是i b i s 5 一a 一1 3 0 0 的一个特点。 3 , 2m i s 5 一a 一1 3 的主要性能指标 作为一款高性能的c m o s 图像传感器，i b i s 5 一a 一1 3 0 0 ，提供了较好的性 能指标： 分辨率：1 2 8 0 1 0 2 4 ( s x g a ) 1 3 mp i x e l s 填充系数：6 7 u m 时钟：4 0 姗z 动态范围：6 4 d b 或采用多斜率积分达到8 0 l o o d b 量化长度：l o b i t a d c 采样率：4 0 m s a m p l e s s 固定模式噪声：小于0 5 帧速率：2 7 5 f p s 3 3i b i s s - - a - - 1 3 0 0 内部结构 i b i s 5 一a 1 3 0 0 的图形核心，包括一个象素单元阵列，一个x 地址寄存 器和两个y 地址寄存器分别用于x 方向和y 方向的读出，一个列放大器用于 矫正固定模式噪声，一个模拟多路转换器和一个模拟输出放大器。如图3 3 。 基于c m o s 图像传感器的成像系统研究 图3 3i b i s 5 一a 一1 3 0 0 图形核心 左侧的y 地址寄存器用作读出操作。右侧的y 地址寄存器用作复位整行 的象素单元：在多斜率同步快门模式下，右侧y 地址寄存器以一个较低的复 位电压复位整个核心象素单元；在卷帘快门模式下，右侧y 地址寄存器复位 一行象素单元。 控制成像核心的大多数信号由片载序列发生器产生，还有部分信号( 如 积分起止，行和帧同步信号等) 必须从外部产生。 片内的1 0b i ta d c 与成像核心在电气上是分离的，模拟象素信号输出需 要在芯片外部与a d c 的模拟输入相连。 3 4 像元结构 i b i s 5 一a 一1 3 0 0 象素采用了4 晶体管结构( 4 t ) ，如图3 4 ，该像元结 构使用了高填充因子技术。 1 6 第三章i b i s 5 一a 一1 3 0 0 大面阵高帧频c 坤0 s 图像传感器时序设计 图3 44 晶体管结构 采用4 t 技术主要用于实现同步快门，但是在关闭m 2 的时候，也可以看 作是3 t 结构。m 4 是全局同步采样开关。在这种结构下，使用同步快门时， 无法在读出时进行积分。 3 5 图形核心的工作模式和信号 图3 5 是i b i s 5 一a 一1 3 0 0 图形核心的功能示意图，其中不含亚采样和 行列切换部分。大多数所涉及的信号都不需要从外部提供，而是由x 序列发 生器和s s 序列发生器产生，这能够有效的简化设计。 由外部信号s s _ s t a r t 和s s _ s t o p 控制的s s 序列发生器产生复位、采样、 保持等内部信号来控制象素单元的光积分。同时加y - s t a r t 和yc l o c k 信号 于传感器，对象素阵列的读出操作开始。随后内部会有一个校准序列用来校 准输出放大器( 在行空白时间内进行) ，这个校准序列有片内的x 序列发生器 产生，其典型值为3 5 肚s 。它的作用是通过双采样技术消除象素单元和列放 大器的固定模式噪声。经过行空白时间之后，象素信号被送入输出放大器 象素速率等于s y s _ c l o c k 信号的频率。 成像核心需要几种供电电压： v d d h 是控制采样开关的电压，必须等于片上的最高电压。 v d d r _ _ l e f t 是核心的最高标称复位电压。 v d d r _ r i g h t 由v d d r l e f t 根据寄存器中k n e e p o i n t _ l s b m s b 的值， 再通过一个可编程电路产生的。通过设定寄存器中v d d r _ r i g h t _ e x t 的比特值，v d d r _ r i g h t 管脚可电路上断开，然后一个外部电压值可 基于c m o s 图像传感器的成像系统研究 以被用作多斜率模式的复位电压。当不采用外部电压时( 推荐) ， v d d r _ r i g h t 管脚应该接一个电容( 推荐值1 虾) 。 v d d c 是成像核心的供电电压。 v d d a 是成像核心和其外围部分的模拟供电电压。 v d d d 是成像核心和其外围部分的数字供电电压。 由于i b i s 5 一a - 1 3 0 0 片内没有功率抑制电路，因此模拟供电