CMOS图像传感器：视觉测量技术成果

2023-11-24 理论教育版权反馈

【摘要】：目前，CMOS有源像素图像传感器的开发目标在于提高传感器的综合性能，缩小单元尺寸，调整CMOS工艺参数，完善器件性能。寄存器模块用于保存及动态更新CMOS图像传感器工作所需参数等。

1.CMOS图像传感器的发展现状

自20世纪90年代初以来，已经研制出三类CMOS图像传感器，即CMOS无源像素图像传感器（CMOS PPS）、CMOS有源像素图像传感器（CMOS APS）和CMOS数字像素图像传感器（CMOS DPS）。其中，CMOS有源像素图像传感器发展最快。目前，CMOS有源像素图像传感器的开发目标在于提高传感器的综合性能，缩小单元尺寸，调整CMOS工艺参数，完善器件性能。随着亚微米、深亚微米和SoI CMOS工艺的不断发展和器件结构的改进，CMOS图像传感器性能不断提高，成为继CCD图像传感器之后普遍应用的多功能摄像器件。虽然，目前CMOS图像传感器在高端应用领域还与CCD图像传感器有一定差距，但它的发展前景是广阔的，已成功占领图像传感器的中低端市场，例如汽车尾视、电梯监控、超市防盗、高速公路车流量监视、网络相机、儿童玩具、手机相机、医用仪器仪表等都有应用，形成了与CCD图像传感器的竞争状态。

2.CMOS图像传感器的总体结构

CMOS图像传感器主要由以下模块组成。

（1）像素单元阵列

采用四个有源像素单元结构，完成对光电信号的采集功能。

（2）模拟功能模块

包括相关采样电路，对像素的光电信号进行采样。增益放大器，用于将像素采样得到的电信号进行可编程增益放大，然后交给A-D转换器进行处理。

（3）数字控制模块

包括行列地址选择译码器，为像素阵列提供可靠的行、列信号选择地址，使各像素信号能够有序地读出。数字时序控制单元，为整个传感器电路提供可靠的时序控制信号。数字图像预处理模块，对A-D转换器输出的数字信号进行处理，如坏像素检测与补偿、色彩插值、色彩校正、自动白平衡、色彩空间转换等。寄存器模块用于保存及动态更新CMOS图像传感器工作所需参数等。

3.CMOS图像传感器像素结构

CMOS图像传感器像素电路可分为无源像素和有源像素结构。主要有三种像素结构，即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电栅极型有源像素结构。(www.chuimin.cn)

（1）无源像素图像传感器像素单元结构

无源像素图像传感器（Passive Pixel Sensor，PPS）的像素单元基本结构如图2.40所示，它由一个光敏二极管和开关管TX组成。当TX选通时，光敏二极管中由于光照产生的相应电荷就传送到列线。col下端的积分放大器将该信号转化为电压输出。光敏二极管中产生的电荷与光信号成一定的比例关系。无源像素单元的结构简单、像素填充率高、量子效率高，但读出噪声大，因此，PPS不利于向大型阵列发展和提高读出速率。

（2）有源像素图像传感器像素单元结构

有源像素图像传感器（Active Pixel Sensor，APS）的像素单元内有有源放大器。像素单元内缓冲放大器可改善像素性能，并且放大器仅在读出时激活，因而功耗可最小化。与CMOS PPS相比，CMOS APS与隔行传输CCD类似，是以损失光信号来获得性能的改善。与CMOS PPS相比，CMOS APS读出噪声低，改善了巨大阵列结构的标度性，读出速度较高。

1）光敏二极管型APS（3T）图2.41所示是光敏二极管型APS的像素单元结构，它由光敏二极管、复位管M₁、源跟随器M₂和行选通管M₃组成。由于其结构中含有3个晶体管，所以也被称为3T结构。光敏型二极管型APS的工作过程如下：首先进入“复位状态”，M₁打开，对光敏二极管复位；然后进入“取样状态”，M₁关闭，光照射到光敏二极管上产生载流子，并通过源跟随器M₂放大输出；最后进入“读出状态”，这时行选通管M₃打开，信号通过列总线输出。APS像素单元结构里引入了源跟随器M₂，以实现信号的放大和缓冲，能够改善PPS的噪声问题。源跟随器还可加快总线电容的充放电，因而允许增加总线长度和增大像素规模。通常APS比PPS有更多的优点，包括低读出噪声和高读出速率等。但是由于其结构复杂，导致填充率降低。为了克服这个缺点，可以使用微透镜阵列，它能改变入射光线的方向，使本来落到连接点或晶体管上的光线重新回到光敏区。CMOS APS的另一个不利因素是每个像素中放大器的阈值电压不可能完全相同，这种不均匀性会引起传感器的固定模式噪声（Fixed Pattern Noise，FPN）。它表现为图像上不必要的背景花纹，因此需采取措施对固定模式噪声进行抑制。

图2.40 PPS的像素单元结构

2）光栅型APS（4T）光栅型APS生成的图像质量较高。其像素单元感光结构由光栅PG和传输门TX构成。光栅输出端为漂移扩散端FD，与光栅PG被传输门TX隔开。像素单元还包括一个复位晶体管M₁，一个源跟随器M₂和一个行选通晶体管M₃。读出电路为每列共有。后面将接采样保持电路用来存储信号电平和复位电平，以实现相关双采样（Correlated Double Sampler，CDS）。CDS技术可以抑制像素中FD端复位噪声、1/f噪声及由像素阵列内源跟随器阈值电压不匹配所引起的固定模式噪声。每列读出电路中采用P沟道源跟随器，与像素阵列中的N沟道源跟随器形成互补。开关晶体管既可以采用P沟道型也可以采用N沟道型。

图2.41 光敏二极管型APS像素单元结构

CMOS图像传感器：视觉测量技术成果

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