CMOS图像传感器介绍

2019-01-09 16:20:32 Pooher Inc. 159

分辨率固态成像器件(主要是电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器)的到来,预示着光学显微镜的新时代,它将威胁到传统影像记录技术,例如电影,视频管和光电倍增管。众多原始设备和售后市场制造商提供专为显微镜应用而设计的电荷耦合器件相机系统,CMOS成像传感器现在也可用于一些显微镜。

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这两种技术都是在20世纪70年代早期和晚期开发的,但CMOS传感器具有不可接受的性能,并且直到20世纪90年代初才被忽略或被视为好奇心。到那时,CMOS设计的进步正在产生具有更小像素尺寸,更低噪声,更强大图像处理算法和更大成像阵列的芯片。CMOS传感器的主要优点包括低功耗,主时钟和单电压供电,与CCD不同,这些CCD在不同的时钟速度下通常需要5个或更多的电源电压,功耗显着更高。利用光电技术,CMOS和CCD芯片通过类似的机制感应光线当光子与结晶硅相互作用以促使电子从价带进入导带时发生。请注意,术语“CMOS”是指制造图像传感器的过程,而不是指特定的成像技术。

当可见光的宽波长带入射在特定掺杂的硅半导体材料上时,可变数目的电子与入射在光电二极管表面上的光子通量密度成比例地释放。实际上,产生的电子的数量是撞击半导体的光的波长和强度的函数。电子被收集在一个势阱中,直到积分(照明)周期结束,然后它们被转换成电压(CMOS处理器)或传输到计量寄存器(CCD传感器)。测得的电压或电荷(在转换成电压之后)然后通过模数转换器,该模数转换器形成由传感器成像的场景的数字电子表示。

光电二极管通常被称为像素,是数字图像传感器的关键元素。灵敏度由光电二极管可以累积的最大电荷,以及入射光子对电子的转换效率,以及器件在封闭区域内积聚电荷而没有泄漏或溢出的能力决定。这些因素通常由光电二极管的物理尺寸和孔径以及与阵列中相邻元件的空间和电子关系决定。另一个重要因素是电荷电压转换比率,它决定了集成电子电荷如何有效转换为可以测量和处理的电压信号。光电二极管通常以正交网格组织,其大小范围从128×128像素(16K像素)到更常见的1280×1024(超过100万像素)。最新的几款CMOS图像传感器,如为高清电视设计的HDTV),包含数百万像素,组织成超过2000平方像素的非常大的阵列。为了从光电二极管电荷累积数据组装图像,必须准确检测和测量(读出)来自组成阵列的每行和每列的所有像素的信号。

在光学显微镜,由物镜聚集的光被投影透镜聚焦到含相同的光电二极管,被称为的二维阵列传感器表面的图像元素像素。因此,阵列大小和像素尺寸决定了传感器的空间分辨率。CMOS和CCD集成电路本质上是单色(黑色和白色)器件,仅对光电二极管中累积的电子总数起反应,而不是对从硅衬底释放的光的颜色有反应。通过使入射光通过红色,绿色和蓝色滤光片的顺序系列,或者以在像素阵列上以马赛克图案沉积的微型透明聚合物薄膜滤光片来检测颜色。

CMOS光电二极管的剖析

CMOS图像传感器享有超过CCD相机的主要优势是能够将超出光子采集主要任务的多种处理和控制功能直接集成到传感器集成电路上。这些功能通常包括时序逻辑,曝光控制,模数转换,快门,白平衡,增益调整和初始图像处理算法。为了执行所有这些功能,CMOS集成电路架构更接近于随机存取存储器单元而非简单的光电二极管阵列。最流行的CMOS设计是围绕有源像素传感器APS)构建的)技术,其中光电二极管和读出放大器都集成到每个像素中。这使得由光电二极管累积的电荷能够被转换成像素内部的放大电压,然后以连续的行和列的形式传送到芯片的模拟信号处理部分。

因此,除了光电二极管之外,每个像素(或成像元件)还包含将累积的电子电荷转换成可测量的电压的三重晶体管,重置光电二极管,并且将该电压传输到垂直列总线。得到的阵列是一个有组织的金属读出总线棋盘,在每个交叉点包含一个光电二极管和相关的信号准备电路。总线向光电二极管施加定时信号并将读出信息返回到远离光电二极管阵列的模拟解码和处理电路。这种设计可以使用简单的x,y寻址技术读取阵列中每个像素的信号,而采用当前的CCD技术则无法实现。

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典型CMOS图像传感器的架构如图1所示,其集成电路芯片包含640×480像素的有效图像区域。位于芯片大红褐色中心区域的光电二极管阵列由一个有序的红色,绿色和蓝色聚合物滤光片薄层覆盖,每个滤光片尺寸适合安装在单个光电二极管上(方式类似于用于彩色CCD的技术)。为了将入射光子集中到光电二极管电子收集井中,滤波后的光电二极管也被放置在称为微透镜或透镜阵列的小型正弯月透镜(见图2,3和4)下方。图1中的插图揭示了滤光片和微透镜阵列的高放大率视图。在图1所示的集成电路中还包括收集和解释由光电二极管阵列产生的信号的模拟信号处理电路。然后将这些信号发送到位于芯片上部光电二极管阵列附近的模拟 - 数字转换电路(如图1所示)。CMOS图像传感器执行的其他任务包括逐步电荷生成,电压采集,传输和测量任务的时钟时序,以及累加信号的图像处理和输出。

仔细观察光电二极管阵列,可以看到以柯达工程师Bryce E. Bayer命名的镶嵌图案排列的红色,绿色和蓝色滤色片的顺序图案。这个彩色滤光片阵列(拜耳滤波器模式)被设计为从来自光学透镜系统的宽带入射照明中捕捉颜色信息。滤光片排列成四个排列(图2(a)和图2(b)),排列成连续排列,交替排列红色和绿色或蓝色和绿色滤光片(图2(a))。图2中显示的是由典型拜耳滤波器阵列和底层光电二极管的高分辨率光学显微镜捕获的数字图像。图2(a)示出了交替的过滤器行的视图。每个红色滤镜由四个绿色滤镜和四个蓝色滤镜包围,而每个蓝色滤镜由四个红色滤镜和四个绿色滤镜包围。相比之下,每个绿色滤镜由两个红色,四个绿色和两个蓝色滤镜包围。图2(b)显示了基本重复单元的高倍率图像,并包含一个红色,一个蓝色和两个绿色滤镜,使阵列中绿色滤镜的总数等于红色和蓝色滤镜的总数。高度重视绿色滤光片是由于人类视觉响应,在可见光谱的550纳米(绿色)波长区域达到最大灵敏度。

在图2(b)中还示出了微透镜阵列(也称为小透镜)的一小部分,其通过光刻法沉积到拜尔滤光器的表面上并且被对准,使得每个透镜覆盖单独的滤光器。微型透镜元件的形状接近凸弯月形透镜的形状并且用于将入射光直接聚焦到光电二极管的光敏区域中。拜耳滤光片和微透镜阵列下方是光电二极管本身,如图2(c)所示为四个完整的光电二极管组件或像素单元。图2(c)中的一个光电二极管用一个大的白色方框(右上角)标识,该白色方框在较大的网格内也包含一个较小的矩形框。白色方框用字母P标识T,它们分别指像素的光子收集(光敏)和支撑晶体管区域。

从检查图2(c)中的光电二极管元件可以明显看出,大部分像素(在本例中大约为70%)专用于支持晶体管(放大器,复位和行选择),这些晶体对于可见光光子,不能用于光子检测。剩余的30%(图2(c)中标记为P的较小白色框)表示像素的感光部分。因为光电二极管的这样一小部分实际上能够吸收光子来产生电荷,填充因子孔径图1,图2和图3所示的CMOS芯片和光电二极管仅占总光电二极管阵列表面积的30%。结果是灵敏度显着降低并且信噪比相应降低,导致动态范围有限。填充因子比例因器件而异,但一般来说,它们的范围是CMOS传感器像素面积的30%到80%。

复合减小的填充因子问题是光子吸收的波长依赖性质,该术语适当地称为CMOS和CCD图像传感器的量子效率。三个主要机制的作用是阻止光敏区域的光子收集:吸收,反射和透射。如上所述,超过70%的光电二极管区域可以被晶体管和堆叠或交错的金属总线所屏蔽,所述金属总线线路是光学不透明的并且吸收或反射与结构碰撞的大部分入射光子。这些堆叠的金属层也会导致不希望的效果,例如渐晕,像素串扰,光散射和衍射。

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入射光子的反射和透射作为波长的函数发生,具有较高百分比的较短波长(小于400纳米)被反射,尽管这些损失可以(在某些情况下)很好地延伸到可见光谱区域中。许多CMOS传感器在制造期间施加黄色聚酰亚胺涂层,在这些光子可以到达光电二极管区域之前吸收蓝色光谱的显着部分。减少或最小化多晶硅和聚酰亚胺(或聚酰胺)层的使用是优化这些图像传感器中量子效率的主要关注点。

较短的波长在光敏区域的前几个微米被吸收,但是逐渐变长的波长在被完全吸收之前钻入更深的深度。另外,最长的可见光波长(超过650纳米)通常会通过光敏区域而不被捕获(或产生电子电荷),从而导致光子损失的另一个来源。虽然微透镜阵列的应用有助于将入射光子聚焦并引导到光敏区域,并且可以将光电二极管灵敏度提高一倍,但这些微小元素还可以展示基于波长和入射角度的选择性。

图3中示出了典型的CMOS有源传感器像素的三维剖视图,示出了光敏区域(光电二极管),总线,微透镜,拜耳滤波器和三个支撑晶体管。如上所述,CMOS图像传感器中的每个APS元件包含放大器晶体管,该放大器晶体管表示通常被称为源极跟随器的输入设备(源极跟随器的负载在像素的外部,并且对于列中的所有像素是公共的)。源极跟随器是一个简单的放大器,它将光电二极管产生的电子(电荷)转换为输出到列总线的电压。另外,该像素还具有用于控制积分或光子累积时间的复位晶体管和用于将像素输出连接到列总线以供读出的行选择晶体管。特定列中的所有像素都连接到读出放大器。

在操作中,朝向图像捕获的第一步是初始化复位晶体管,以便从光敏区域消耗电荷并反向偏置光电二极管。接下来,积分周期开始,并且与像素的光电二极管区域相互作用的光产生电子,这些电子存储在位于表面之下的硅势阱中(见图3)。当积分时间结束时,行选择晶体管导通,将选定像素中的放大器晶体管连接到其负载以形成源极跟随器。光电二极管中的电子电荷因此通过源极跟随器操作转换成电压。产生的电压出现在列总线上,可以通过读出放大器检测。

三像素APS设计的主要缺点之一是被称为固定模式噪声FPN)的较高级别伪像。放大器晶体管增益和偏移量的变化(这是制造过程中CMOS技术工艺波动的基本问题)会导致整个阵列的晶体管输出性能不匹配。其结果是在捕获的图像中明显的噪声模式是恒定的,并且可以从一幅图像重现到另一幅图像。在大多数情况下,通过设计位于阵列外围的模拟信号处理电路的设计调整或通过电子减影暗图像(平场校正),可以显着减少或消除固定模式噪声。

马赛克过滤器阵列和图像重建

拜耳滤光片镶嵌阵列的不平衡性质,其绿色滤光片的数量是蓝色或红色的两倍,对于单个像素的准确颜色再现也会出现问题。用于构造拜耳滤光片的常见染料的典型透射光谱曲线如图4所示。红色滤光片的量子效率明显高于绿色和蓝色滤光片,它们在整体效率上彼此接近。请注意滤光片之间的光谱重叠程度较大,特别是在520至620纳米(绿色,黄色和橙色)区域。

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经常会出现一个问题,就是光电二极管阵列的颜色复制和空间分辨率的确切性质,这些光电二极管阵列的像素被划分为拜耳滤波器模式的基本元素。像素尺寸为640×480像素的光电二极管阵列总共包含307,200个像素,其产生76,800个拜耳四重奏。这是否意味着实际有用的图像空间分辨率降低到320×240像素?幸运的是,空间分辨率主要取决于彩色图像的亮度分量而不是色度(色彩)分量。出现这种情况是因为人类的大脑能够将相当粗糙的颜色信息添加到精细的空间信息中,并将这两者几乎无缝地结合在一起。此外,拜耳滤光片具有宽广的波长传输频带(见图4),具有较大的重叠区域,

例如,考虑将大量黄光(以585纳米为中心)反射到CMOS数码相机的镜头系统中的物体。通过检查图4中的拜耳滤光片透射光谱,很明显,红色和绿色滤光片在该波长区域传输相同量的光。另外,蓝色滤光片还透射约20%通过其他滤光片的波长。因此,每个四方中的四个拜耳过滤器中的三个传递相等量的黄光,而第四(蓝)滤光片也传输一些这种光。相比之下,较低波长的蓝光(435纳米,见图4)仅通过蓝色滤光片达到任何显着程度,

在由彩色滤光片的Bayer图案覆盖的CMOS光电二极管阵列获得原始图像后,必须通过插值方法将其转换为标准的红色,绿色和蓝色(RGB)格式。这一重要步骤对于生成准确表示电子传感器拍摄的场景的图像是必要的。有多种复杂且完善的图像处理算法可用于执行此任务(直接在图像捕获后的集成电路上),包括最近邻线性立方三次样条技术。为了确定阵列中每个像素的正确颜色,算法平均选定的相邻像素的颜色值,并产生阵列中每个像素的颜色(色度)和强度(亮度)的估计值。图5(a)中显示的是通过插值重建之前的未经处理的拜耳模式图像,并且在图5(b)中显示了在用线性插值算法的相关调整版本处理之后获得的结果。

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作为色彩插值功能的示例,请考虑嵌套在拜耳滤波器阵列中心区域的绿色像素之一。像素被两个蓝色,两个红色和四个绿色像素包围,这是其最接近的邻居。插值算法通过检查相邻红色和蓝色像素的色度和亮度值来生成绿色像素的红色和蓝色值的估计值。对阵列中的每个像素重复相同的过程。如果图像颜色在大量像素上缓慢变化,但是在边缘和出现大颜色和/或强度转换的边界区域也可能遭受伪像(例如混叠),该技术会产生出色的结果。

为了提高量子效率和光谱响应,一些CMOS设计人员正在转向使用基于主要相减色彩(青色,黄色和品红色(CMY))的滤色器阵列,而不是标准的添加初级红色,绿色和蓝色(RGB),上面已经讨论过。使用CMY滤光片阵列的优点之一是提高了灵敏度,从而改善了通过滤光片的光线传输,并增强了信号。发生这种情况是因为与相应的添加剂滤光片相比,减色滤光片在可见光区域对光波的吸收减少。与红色,绿色和蓝色过滤器(两层或更多层产生添加剂吸收的复合材料)相反,CMY过滤器应用于具有出色透光特性的单层。CMY过滤器的缺点是需要将从传感器收集的CMY数据转换为必要的RGB值以便在计算机监视器上打印或显示图像所需的更复杂的色彩校正矩阵。

噪音的来源和救济

CMOS图像传感器的一个主要问题是在检查由这些设备产生的图像时变得很明显的高度噪声。传感器技术的进步使得信号处理电路与图像阵列的仔细整合成为可能,该技术大大减少了许多噪声源,并显着改善了CMOS性能。然而,其他类型的噪音经常困扰设计师和最终用户。如上所述,通过现代CMOS采集后信号处理技术已经实际上消除了固定模式噪声,但是其他形式(例如光子散粒噪声,暗电流,复位噪声和热噪声)不易处理。

在通过复位晶体管初始化或复位光电二极管期间,产生称为kTC(或复位)噪声的大噪声分量,如果没有增强的电路设计,则难以去除噪声分量。缩写k表示玻尔兹曼常数,T表示工作温度,C表示放大器晶体管输入节点出现的总电容,由光电二极管电容和放大器晶体管输入电容之和构成。复位噪声会严重限制图像传感器的信噪比。复位和另一个噪声源,通常称为放大器1 / f低频噪声可以用称为相关双采样CDS)的技术进行控制,该技术必须通过向每个像素添加第四个“测量”(或传输)晶体管来实现。双采样算法通过单独测量复位或放大器噪声,然后减去组合图像信号加上复位噪声来起作用。

由于照明量的统计波动,输出信号的时间变化会产生随机模式,所以拍摄图像中的光子散粒噪声是显而易见的。阵列中的每个光电二极管产生的光子散粒噪声水平略有不同,极端情况会严重影响CMOS图像传感器的性能。这种类型的噪声是比传感器的固有本底噪声大得多的信号的主要噪声源,并且存在于每个图像传感器(包括CCD)中。在没有照明的情况下产生信号电荷(电子)的伪影会产生暗电流,并且会在像素之间出现明显的波动程度,这严重依赖于工作条件。这种类型的噪音对温度敏感,

暗电流实际上不可能消除,但是可以通过在CMOS传感器制造期间使用钉扎光电二极管技术来减少。为了产生钉扎光电二极管像素,将浅层P型硅施加到典型的N阱光敏区域的表面以产生改变像素的可见光光谱响应的双结三明治结构。表面接点针对较低波长(蓝色)进行了优化,而较深接点对较长波长(红色和红外线)更敏感。结果,在势阱中收集的电子被限制在N附近区域,远离表面,这导致暗电流及其相关噪声元件的减少。实际上,构建钉扎光电二极管像素可能很困难,该像素在CMOS传感器工作的低电压环境下会产生完全复位。如果没有实现完全的复位条件,则会在阵列中引入滞后,并且复位晶体管噪声会相应增加。钉扎光电二极管技术的其他优点是由于在P-硅层界面附近增强捕获短波长可见光辐射而改善了蓝光响应。

交织在像素的光敏区域之间的晶体管,电容器和总线负责引起CMOS图像传感器中的热噪声。通过微调成像器带宽,增加输出电流或冷却相机系统,可以减少此类噪音。在许多情况下,CMOS像素读出序列可以通过限制每个晶体管放大器的带宽来降低热噪声。向低成本CMOS图像传感器添加复杂且昂贵的Peltier或类似冷却设备是不实际的,因此这些设备通常不用于降噪。

CMOS像素架构

在现代CMOS图像传感器中有两种基本的光敏像素元件结构:光电二极管光栅(参见图6)。通常,光电二极管设计对可见光更敏感,尤其是在光谱的短波长(蓝色)区域。光栅器件通常具有较大的像素面积,但是比光电二极管具有更低的填充因子和更差的蓝光响应(以及一般的量子效率)。然而,光门通常会达到更高的电荷电压转换增益水平,并且可以轻松用于执行相关双采样以实现帧差分。

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光栅有源像素传感器利用CCD技术的几个方面来降低噪声并提高CMOS图像传感器捕获的图像的质量。积分期间积聚在光栅下的电荷局限于由存取晶体管控制的势阱。在读出期间,支持像素电路将电荷(作为电压)执行两级传输到输出总线。第一步是通过放大器晶体管将积累的电荷转换成可测量的电压而发生的。接下来,传输门脉冲以开始将电荷从光敏区传输到输出晶体管,然后传输到列总线。这种传输技术允许两种信号采样机会,可以通过有效的设计来改善噪声的减少。像素输出在光电二极管复位后首先被采样,并且在积分信号电荷之后再次被采样。通过从第二个减去第一个信号以去除低频复位噪声,光栅有源像素架构可以执行相关双采样。

与光电二极管传感器相比,光栅设计的主要优点是在低照度下工作时,其噪声特性降低。基于光电二极管的CMOS传感器适用于不需要高精度图像,低噪声,卓越动态范围和高度分辨的颜色特性的中等性能消费类应用。这两款器件均利用经济的电源要求,可满足电池,计算机接口(USB和FireWire)的低电压电源或其他直流电源。通常情况下,CMOS处理器的电压需求范围从3.3伏特到5.0伏特,但更新的设计正在迁移到减少一半的值。

CMOS图像传感器操作顺序

在大多数CMOS光电二极管阵列设计中,有源像素区域被以8至12行和列布置的光屏蔽像素的区域围绕,这些区域用于黑电平补偿。Bayer(或CMY)滤镜阵列以第一个未屏蔽的行和列中的左上角像素开始。当每个积分周期开始时,同一行中的所有像素将由板载定时和控制电路重置,每次一行,从行地址寄存器编制的第一行到最后一行进行遍历(参见图7)。对于具有模拟输出的传感器设备,当积分完成后,相同的控制电路将把每个像素的积分值传送到相关双采样电路(CDS图7中的块),然后到水平移位寄存器。在移位寄存器被加载后,像素信息将被串行移位(一次一个像素)到模拟视频放大器。该放大器的增益可以通过硬件或软件进行控制(在某些情况下,也可以将两者结合使用)。相比之下,具有数字读出功能的CMOS图像传感器针对每列使用模数转换器,并且对于每行中的每个像素并行进行转换。然后采用宽度等于转换完成的位数的数字总线来输出数据。在这种情况下,只有数字值被“串行”移位。白平衡算法通常应用于此阶段的像素。

在视频放大器(图7 中标为“ 视频放大器”)中设置增益和偏移值后,像素信息将传递到模数转换器,在那里将其转换为二进制数字的线性数字阵列。随后,数字像素数据被进一步处理以去除出现在“坏”像素中的缺陷并且在被构造并呈现在数字输出端口上之前补偿黑色电平。黑色电平补偿算法(通常称为帧速率钳制)从数字视频输出中减去阵列周围黑色像素的平均信号电平,以补偿有源像素阵列中温度和时间相关的暗噪声电平。

序列中的下一步是图像恢复(参见图7)以及为显示编码准备最终图像所需的基本算法的应用。对像素执行最近邻插值,然后使用抗锯齿算法对其进行滤波并进行缩放。恢复引擎中的其他图像处理步骤通常包括反渐晕,空间失真校正,白平衡和黑平衡,平滑,锐化,色彩平衡,光圈校正和伽玛调整。在某些情况下,CMOS图像传感器配备了辅助电路,可实现片上功能,如抗抖动(图像稳定)和图像压缩。当图像被充分处理后,它被发送到数字信号处理器缓冲到输出端口。

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因为CMOS图像传感器能够访问整个光电二极管阵列中的单个像素数据,所以它们可以用于选择性地读取和处理为特定图像捕获的像素的选定部分。这种技术被称为开窗(或窗口感兴趣的读出),并极大地扩展了这些传感器的图像处理可能性。通过定时和控制电路直接在芯片上控制窗口化,使阵列有效区域内的任何位置的任何大小的窗口都能以一对一的像素分辨率进行访问和显示。当需要对图像的一个子区域中的对象进行时间运动跟踪时,此功能可能非常有用。它也可以用于在选定部分或整个图像上进行电子摇摄,缩放,加速读出和倾斜操作的片上控制。

大多数高端CMOS传感器具有多种读出模式(类似于CCD传感器中使用的模式),以提高软件界面编程和快门的多功能性。 逐行扫描读出模式使光电二极管阵列内每一行中的每个像素能够连续访问(每次一个像素),从左上角开始并前进到右下角。另一种流行的读出模式被称为隔行扫描模式,并且通过读取两个连续场中的像素数据来操作,奇数场随后是偶数领域。字段从阵列顶部到底部交替排列,并且在读取下一个组之前按顺序记录组的每一行。作为例子,在具有40个像素行的传感器中,首先读取到第39行的第一,第三,第五等,然后是第二,第四,第六,到第40行。

CMOS图像传感器中的电子快门要求为每个像素添加一个或多个晶体管,考虑到大多数器件中已经折衷的填充因子,这是一种不切实际的方法。大多数区域扫描图像传感器都是这种情况。然而,已经开发了线扫描传感器,其具有与像素有效区域相邻放置的快门晶体管,以便减小填充因子负载。许多设计师已经实现了一种不均匀的帘快门解决方案,该解决方案利用最少的像素内晶体管以不同的时间间隔暴露阵列中的连续行。虽然卷帘快门机制对静止图像运行良好,但它们可能会产生运动模糊,从而导致在高帧速率下出现失真图像。为了解决这个问题,工程师们制作了均匀的同步快门设计,一次曝光整个阵列。由于这种技术需要在每个像素处额外增加晶体管,因此除非同时实施更大的像素,否则填充因子比率会有所降低。

CMOS图像传感器的动态范围由光电二极管累积的信号电子的最大数量(充电容量)除以传感器读取噪声(本底噪声),包括在特定积分时间内产生的时间噪声源。本计算中包含所有暗噪声源的贡献,如暗电流噪声,像素读取噪声以及信号路径(但不包括光子散粒噪声)引起的时间噪声。本底噪声限制了图像黑暗区域的图像质量,并且由于暗电流散粒噪声而随曝光时间而增加。因此,实际上,动态范围是最大可检测信号与最小可同时检测信号(噪底)之比。动态范围通常以灰度级分贝位来报告,信号电子与噪声的比率越高,产生更大的动态范围值(更多分贝或比特)。请注意,动态范围由传感器信噪比控制,而位深度则是传感器中使用的模数转换器的功能。因此,12位数字转换对应于稍微超过4,000个灰度级或72分贝,而10位数字化可以解析1,000个灰度级,适合60分贝动态范围的位深度。随着传感器的动态范围的增加,同时记录图像中最暗和最亮强度(内部动态范围)的能力得到改善,探测器的定量测量能力也得到改善。该interscene动态范围 表示在检测器增益,积分时间,镜头光圈和其他变量针对不同视场进行调整时可以适应的强度光谱。

CMOS图像传感器最通用的功能之一就是能够以非常高的帧率捕捉图像。这使得能够通过软件控制的接口记录时间推移序列和实时视频。每秒30帧到60帧之间的速率是常见的,而几个高速成像器可以实现超过1000的加速速率。需要额外的支持电路,包括协处理器和外部随机存取存储器,以产生可以拍摄的相机系统这些功能的优势。

结论

CMOS图像传感器是在大批量生产晶圆厂的标准硅工艺上制造的,这些工厂还生产相关芯片,如微处理器,存储器电路,微控制器和数字信号处理器。其巨大优势在于数字逻辑电路,时钟驱动器,计数器和模数转换器可以放置在同一个硅基础上,并与光电二极管阵列同时放置。这使CMOS传感器能够以与其他集成电路类似的方式参与过程收缩,从而以最少的重新设计实现更小的线宽。即便如此,为了保证具有高性能的低噪声器件,必须经常修改标准CMOS制造工艺以专门适应图像传感器。例如,用于在逻辑芯片中创建晶体管结的标准CMOS技术在应用于成像器件时可能产生高暗电流和低蓝光响应。优化图像传感器的过程往往涉及折衷,使得制造场景对于普通CMOS器件不可靠。

在过去的几年中,像素尺寸不断缩小,从1990年代中期设备的10-20微米巨像素到当前淹没市场的6-8微米传感器。对微型电子成像设备(如监控和电话摄像机)的更大需求促使设计人员进一步缩小像素尺寸。具有4-5微米像素的图像传感器正在用于具有较小阵列的设备,但数百万像素芯片将需要3至4微米范围内的像素尺寸。为了达到这些尺寸,CMOS图像传感器必须在0.25微米或更窄的生产线上生产。通过采用更窄的线宽,可以在保持可接受的填充因子的情况下将更多的晶体管封装到每个像素元件中,只要缩放比例因子接近整数。用0.13到0。

虽然许多CMOS制造工厂缺乏添加滤色器和微透镜阵列的工艺步骤,但随着市场需求的增长,这些步骤正越来越多地用于图像传感器生产。另外,对于成像设备来说至关重要的光学封装技术需要通常在制造标准逻辑和处理器集成电路的工厂中找不到的洁净室和平板玻璃处理设备。因此,图像传感器制造的增加成本可能很大。

在过去的几年中,CMOS图像传感器的应用列表大幅增长。自20世纪90年代后期以来,CMOS传感器已经占据了诸如传真机,扫描仪,安全摄像机,玩具,游戏机,PC摄像机和低端消费类照相机等应用市场上销售的成像设备数量的增加。多功能传感器也可能在未来几年开始出现在手机,条码阅读器,光学鼠标,汽车,甚至家用电器中。由于其能够以高帧率捕捉连续图像,因此CMOS传感器越来越多地用于工业检测,武器系统,流体动力学和医疗诊断。虽然在大多数高端应用中预计不会取代CCD,


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查看原始的英语文章:Introduction to CMOS Image Sensors


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