应用于空间环境的CMOS图像传感器

1、董佳,等:应用于空间环境的CMOS 图像传感器18期应用于空间环境的CMOS 图像传感器董佳1,2邱跃洪1陈智1,2(中科院西安光学精密机械研究所1,西安710068;中国科学院研究生院2,北京100039摘要空间环境的特殊性对图像传感器的功耗、体积、抗辐射能力等有特殊的要求。在空间技术应用领域,CMOS 图像传感器由于具有集成度高、抗辐射能力强、功率低等优势,正得到越来越多的应用;提供了一个采用航天级CMOS 图像传感器进行数字照相系统开发的设计方案。关键词CMOS APS 总剂量损害位移损害空间辐射数字照相系统中图分类号TN386.1;文献标识码B 2005年5月24日收到第一作者简介:董

2、佳,男,中科院西安光机所通信与信息系统专业硕士研究生,研究方向:CMOS 智能相机。第5卷第18期2005年9月1671-1815(200518-1235-04科学技术与工程c在传统的空间技术应用中,CCD 在遥感、航天观测等领域获得了广泛的使用。然而随着近年来CMOS 图像传感器的飞速发展,CMOS 图像传感器已经开始应用于空间成像领域,并且相比于CCD 器件,具有功耗低、集成度高、体积小、抗干扰能力强、只需要单一电源等优点1,在天文观测等应用领域表现出极大的应用潜力。1CMOS 图像传感器的内部结构目前CMOS 图像传感器主要分为无源像素传感器(PPS 和有源像素传感器(APS 。大部分应

3、用都使用有源像素传感器,即CMOS APS 。CMOS 图像传感器像元结构主要有光敏二极管型无源像素结构、光敏二极管型有源像素结构和光栅型有源像素结构,其它特殊结构还有对数传输型、钉扎光敏二极管型、浮栅放大器型等。一个典型的CMOS 图像传感器通常包含:一个图像传感器核心,相应的时序逻辑和控制电路、AD 转换器、存储器、定时脉冲发生器和译码器等。定时控制电路用来设置传感器的工作模式,产生工作时序,控制数据的输出等。像素采集到的信号在芯片内部就经过了放大、AD 转换、存储等处理,最后可输出需要的数字信号,也可以输出模拟信号,这给用户在设计时提供了较大的灵活性,其结构见图1。2CMOS 图像传感器

4、对空间环境的适应性CCD 和CMOS 图像传感器都是非常敏感的器件,因而很容易受到太空中辐射的影响2。在空间辐射环境下,传感器会受到地球周围辐射带中电子和质子的轰击,且这些粒子中的一部分被卫星或飞船和屏蔽材料吸收的同时又会产生gamma 射线辐射。另外,器件还会受到来自宇宙空间的重离子轰击。这些辐射会对电子器件产生严重的影响,甚至导致设备无法正常工作。1962年的telstar 1通信卫星,1995年我国的“实践4号”和“风云一号”等都曾经受到过辐射的影响3。当高能重离子或质子打到电子部件的芯片上图1CMOS 图像传感器芯片结构示意图工业技术科学技术与工程5卷时,在芯片的P-N结上产生的电荷使

5、逻辑电路发生非正常电位翻转、锁定或击穿,这种现象称为单粒子事件。频繁发生的单粒子事件,可导致航天器失效。由于CMOS图像传感器中大都集成了CMOS SRAM等可能产生单离子翻转的器件,所以也要具有一定的抗损害能力。高能质子和重离子都会产生位移损害。原子的位移损害,是由停留在物质中的相对低能量的粒子引起的。这些停止的粒子将硅原子撞出适当的晶格位置,使晶格结构产生缺陷,导致各种半导体器件性能衰退,甚至完全损坏。总剂量损害效应是各种辐射长期积累的总效应。总剂量损害通常限制了航天器电子部件的寿命。固体部件的电子学性质因暴露在辐射环境中而改变。由于损害的积累,这些变化使得部件的参数偏离电路正常工作的设计

6、值。在空间技术应用中,CMOS图像传感器比CCD的抗辐射能力要强。虽然CCD的制造工艺使得CCD器件有一定的抗总剂量损害能力,但其性能往往因此又会大幅度降低,在考虑高能质子的影响后,其性能损失更为严重。位移损害对CCD和CMOS APS都会有影响,但是因为CMOS APS的信号输出只经过一次电荷转移,所以电荷转移损失要小于CCD。除此之外,CMOS APS还有以下特性适合于空间应用。(1CMOS图像传感器驱动简单,易于开发,并且功耗小。APS型结构消耗的电能大约是CCD的1/100,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。CCD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

7、些外部驱动电路消耗了大量的电能,同时CCD系统需要不止一个电源和电压调节器。而APS仅使用单一的5V电源,大大提高了电源使用效率。一般来说,CCD系统需要(2 5W(数字输出的电能,而具有相同像素输出的APS系统仅需要(2050mW。(2CMOS图像传感器应用灵活,可以在面阵上只读取感兴趣的区域甚至只对感兴趣的像素进行读取。在CMOS APS中,光探测部件和输出放大器都是每个像素的一部分,这使积分电荷可以在像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CCD中那样使用电荷移位寄存器。这种与普通DRAM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。

8、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4,为实现较复杂的星上图像处理功能提供了基础。(3CMOS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。CMOS图像传感器相对于CCD的优点使前者得到迅速发展,尽管它还存在电离环境下暗电流稍大、高分辨率、高性能器件有待进一步发展等问题,但随着这些问题的解决,CMOS图像传感器在空间技术的相应领域中将成为C

9、CD的替代者。3基于航天级CMOS图像传感器的相机开发目前用于空间技术的CMOS图像传感器种类比较少。比利时的Fillfactory公司致力于CMOS图像传感器的研究,已经开发出STAR系列产品,包括STAR65、STAR250和STAR1000三种型号,可以用于空间摄像系统的开发。下面以基于STAR250的数字相机为例介绍。3.1传感器性能STAR250的分辨率为512×512像素,0.5mCMOS 工艺,象元尺寸为25m,片内集成有双采样电路用以减少固定模式噪声(FPN,一个10bit的A/D转换器完成模数转换,封装形式采用陶瓷JLCC封装,光谱范围从200nm到1000nm,动

10、态范围74dB,最大输出帧速率为30f/s。如果要获得更高的帧速率,可以在面阵上开一个较小的窗口。27无辐射时的平均暗电流大约为200pA/cm2。STAR250的暗电流增益明显小于普通标准的CMOS图像传感器,并呈对数增长。由总离子剂量损害产生的暗电流增益可由式(1的经验公式表示2DC T ID(TID=max0,Klog10TIDTID thres!"(1式(1中,TID表示总离子剂量,TIDthres是总离子剂量门限,K表示暗电流增益的比例系数。K=0.54 nAcm-2dec-1,TID thres=350Gy时,实测数据显示,在TID为(0.10.15kGy之间,采用一般工

11、艺(未采用防辐射技术的CMOS图像传感器的暗电流增益由5 nA/cm2迅速增长为25nA/cm2,增长曲线为指数增1236董佳,等:应用于空间环境的CMOS图像传感器18期长。STAR250在这个TID范围的暗电流增益5仅为(1-2pA/cm2,增长曲线为对数增长;即使TID到达100Gy时,其暗电流增益也只有1.5nA/cm2。因此,STAR250的抗辐射能力比未经防辐射处理的普通CMOS图像传感器的0.5Gy提高了几个数量级,达到100Gy左右。STAR250列放大器采用的输出校正技术有效抑制了图像传感器中的固定模式噪声(FPN。因此,STAR250的FPN并没有因为总离子剂量的影响而增长

12、。在高能粒子、重离子、质子、中子等的轰击下,原子会脱离其原先所在的晶格。这种辐射导致的暗电流增益可以表示为:DC D D=K1FV dep NIEL(2式中K是损害因子,表示每MeV能量积累对暗电流增益的影响,是硅的密度,F是每平方厘米的质子数,Vdep是根据像素的设计规划和仿真得到的,取130m3。NIEL表示非电离能量损失。可见,暗电流增益与NIEL成比例。图2给出了在1×1011质子/cm2的11.7MeV辐射下,STAR250中某一行像素的暗电流密度。横坐标为像素坐标,纵坐标表示暗电流密度。虚线右边作为对比区域,在测试时用2mm的铝箔进行了防护。3.2数字照相系统的构建相机主

13、要分为以下几个部分:相机头部、时序控制电路、图像处理单元、数据存储发送模块、指令接收模块,见图3。相机头部包括镜头和CMOS图像传感器STAR250。STAR250提供512×512的像素矩阵,片上集成的ADC将像素接收到的模拟信号量化为10bit 的数字信号,通过数据接口传送到下一级模块中。相机系统的总体操作控制由时序控制模块完成,具体功能包括给相机头部的CMOS图像传感器提供时序和根据接收到的指令控制整个照相系统的工作。时序控制单元包括FPGA芯片和FIFO以及数据接口电路。FPGA根据实现技术机理的不同,可分为反熔丝型、EPROM或EEPROM型、Flash型、SRAM型等几种

14、。根据航天器件要求,FPGA控制器件宜选择反熔丝型FPGA产品。目前可选用的FGPA 在频率上不可能太高,本相机采用的ACTEL器件,工作频率设定在20MHz。受后端接口以及图像处理单元速度的影响,本系统中STAR250并不全速工作,而是根据指令接收单元接收到的要求,对CMOS图像传感器采用窗口操作或者降低帧频。当系统启动后,FPGA先向CMOS图像传感器发出芯片复位指令,芯片复位完成后,让读取指针沿着像素矩阵逐行移动。当指针到达某一目标行,并且其间所间隔的时间满足积分时间时,即开始激活指针,并开始移动,进行读取、复位等操作。如此循环移动指针,不断进行读间行复位、行读取、读间等待,即可保证整个

15、像素阵列各行都符合所要求的积分时间并有序读出。具体的FPGA工作状态见图4。需要注意的问题是,考虑到空间辐射造成的数据记录错误所导致的操作指令错误,控制部分的设计采用了三模冗余纠错技术(TMR,以确保控制器件读取正确的指令。图像处理单元可以进行比较灵活的功能分配,根据需要完成编码、数据加密、图像压缩、图像稳定、色彩编码、滤波等功能。比较理想的选择是采用DSP图2STAR250在1×1011质子/cm2的11.7MeV辐射下的暗电流密度图3 相机结构示意图1237科学技术与工程5卷 CMOS Imaging Sensor Applicated in Space EnvironmentD

16、ONG Jia 1,2,QIU Yuehong 1,CHEN Zhi 1,2(Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS 1,Xi'an 710068;Graduate School of the Chinese Academy of Sciences 2,Beijing 100039Abstract The space environment commands special performances in power,cubage,radiation and so on.CMOSimaging senso

17、r fits in with the requirement of applications of space technology for its advantages in power,integration and radiation.A project of digital camera systemwith CMOS imaging sensor applicated in space technology is adviced.Key words CMOS APS total dose displacement damage space radiation digital came

18、ra system实现比较复杂的算法或完成运算量较大的处理工作,但是高性能并且可应用于空间环境的DSP 价格比较昂贵,并且难以获得。本系统的替代的办法是采用符合航天标准的ARM 或者FPGA ,虽然处理能力有限,但是完成一些必要的编码、加密等处理已经足够;在FPGA 中嵌入软核,也可以实现相对复杂的功能。如果系统对复杂度的要求比较苛刻,也可以考虑去掉图像处理单元,改为在地面对信号进行处理。存储和发送模块用于储存和发送数据。根据不同的探测任务要求,卫星不一定在任何时刻都可以向地面发送数据,所以大容量存储器要预留足够的空间。整个系统中的所有半导体存储器都要注意空间辐射问题,要选用符合航天标准、带有抗辐射设计的器件,或者对器件进行抗辐射处理。指令接收部分用于接收卫星总体和地面发送的同步信息、相机状态控制信息等指令。整个数字相机系统采用模块化设计,可以根据设计任务需要增加或减少一些功能模块,比如图像处理模块,可以预先设计FPGA 模块、ARM 模块和专用芯片模块,根据不同的应用需要选择相应的模块,或者不装图像处理模块,留待地面对数据进行进一步处理。因此,各个模块之间必须保证接口遵从统一的标准。本系统的数据总线和接口采用PC104。由于CMOS APS 的高度集成性,整个系统的设计相对于采用CCD 器件的数字照相系统,系统复杂度大大降低,而且体积小、功