成像传感器CCD,CMOS及智能相机发展

光电检测技术 2020 年 专题技术调研报告 成像传感器 CCD 另外, 由于有源放大管仅在读出状态下才工作 , 所以 CMOS 有源像素传感器 的功耗比 CCD 图像传感器的还小。 1.2.2.3数字图像传感器 无源图像传感器和有源图像传感器的像素读出均为模拟信号，它们通称为模拟图 第 4 页 光电检测技术 2020 年专题技术调研报告 像传感器。近年来, 美国斯坦福大学提出了一种新的 CMOS 图像传感器结构数 字图像传感器（DPS） ，它在像素单元里集成 ADC Analog-to-Digital Convertor 和存 储单元。由于这种结构的像素单元读出为数字信号，其它电路都为数字逻辑电路, 因 此数字图像传感器的读出速度极快，具有电子快门的效果，非常适合高速应用，而且 它与读出模拟信号的过程不同，不存在器件噪声对其产生干扰。另外，由于 DPS 充分 利用了数字电路的优点， 因此易于随着 CMOS 工艺的进步而提高解析度， 性能也将很 快达到并超过 CCD 图像传感器，并且实现系统的单片集成[3]。 第 2 章图像传感器的基本原理 2.1CCD 图像传感器的基本原理 CCD 的工作过程可以分为电荷存储、 电荷转移、 电荷输出和图像信息还原四个阶 段[1]。 2.1.1 电荷存储 构成 CCD 基本单位是 MOS 电容器，类似于 MOS 晶体管结构，和其他电容器一 样，MOS 电容器能够储存电荷。当金属电极（称为栅）加正电压时（衬底接地） ，在 电压的作用下，就会产生一个垂直于衬底表面的电场。在此电场的作用下，P 型硅中 的多子空穴被向下排斥，形成耗尽层。电子在那里势能较低，可以形象化地说，形成 了电子的势阱，势阱中能够容纳多少个电子，取决于势阱的“深浅”，栅电压越大，势 阱越深。 图 2-1CCD 电荷存储 2.1.2 电荷转移 若 CCD 基本单位 MOS 电容器之间排列足够紧密（通常相邻 MOS 电容电极间隙 第 5 页 光电检测技术 2020 年专题技术调研报告 小于 3μm） ，使相邻 MOS 电容的势阱相互沟通，即相互耦合，那么就可使信号电荷 （电子）在各个势阱中转移，并力图向表面势S 最大的位置堆积。因此，在各个栅极 上加以不同幅值的正向脉冲 G，就可改变它们对应的 MOS 的表面势 S，亦即可改变 势阱深度，从而使信号电荷由浅阱向深阱自由移动。就电荷转移方式来讲，CCD 有二 相、三相、四相等多种结构形式。 图 2-2三相电极结构极电荷转移 2.1.3 电荷输出 电荷输出结构有多种形式，如“电流输出”结构、 “浮置扩散输出”结构及“浮置栅 输出”结构。其中“浮置扩散输出”结构及“浮置栅输出”结构应用最广泛，结构如下图 图 2-3CCD 输出端形式 2.1.4 图像信息还原 由于 CCD 自身无法像 CMOS 那样实现图像识别，因此人们在 CCD 表面上运用 了 Bayer 方式滤色器，通过在 CCD 上每一个像素点上涂抹上 R,G,B 的颜色实现色彩 识别和还原。其中，R-G-B-G 四个单元为一组。因为人眼的视锥细胞对绿色更敏感， 所以 G 是 R 和 B 的两倍。现在数码相机普遍采用的滤色方式为 R-Gr-B-Gb，混合色 亮度等于 R、G、B 各分量亮度之和，根据 R、G、B 三分量比例来还原色彩。 第 6 页 光电检测技术 2020 年专题技术调研报告 图 2-4图像信息还原 2.2CMOS 图像传感器的基本原理 CMOS 图像传感器可细分为主动式图像传感器Active Pixel Sensor CMOS[4]与 被动式图像传感器Passive Pixel Sensor CMOS。CMOS 最初曾被尝试使用在数码相 机上，但与当时如日中天的 CCD 相比信噪比差，敏感度不够，所以没能占居主流位 置。当然它也具备多种优点。比如说，普通 CCD 必须使用 3 个以上的电源电压，可 是 CMOS 在单一电源下就可以运作，与 CCD 产品相比同像素级的耗电量小。 2.2.1 主动式像敏单元结构 CMOS 的核心结构上，每单位像素点由一个感光电极、一个电信号转换单元、一 个信号传输晶体管， 以及一个信号放大器所组成。 理论上 CMOS 感受到的光线经光电 转换后使电极带上负电和正电，这两个互补效应所产生的电信号电流或者电势差被 CMOS从一个一个像素当中顺次提取至外部的A/D模/数转换器上再被处理芯片记录 解读成影像。 在主动式像敏单元结构中，场效应管 V1构成光电二极管的负载，它的栅极接在 复位信号线上，当复位脉冲（高）出现时， V1导通，光电二极管被瞬时复位；当复位 脉冲消失后， V1截止， 光电二极管开始积分光信号。 场效应管 V2是源极跟随放大器， 进行电流放大；场效应管 V3构成模拟开关，积分结束后，V3管导通，信号输出。 图 2-5 主动式像敏结构电路图 第 7 页 光电检测技术 2020 年专题技术调研报告 2.2.2 被动式像敏单元结构 被动式像敏单元只包含光电二极管和地址选通开关两部分。CMOS 图像传感器 在每个像素位置内都有一个放大器，这就使其能在很低的带宽情况下把离散的电荷 信号包转换成电压输出，而且也仅需要在帧速率下进行重置。因此，CMOS 图像传 感器的优点之一就是它具有低的带宽，并增加了信噪比。不过由于制造工艺的限 制，早先的 CMOS 图像传感器无法将放大器放在像素位置以内。这种被称为 PPS 的 技术，噪声性能很不理想，而且还引来对 CMOS 图像传感器的种种干扰。 图 2-6被动式像敏结构电路图 第 3 章图像传感器的参数特性 3.1 CCD 图像传感器的参数特性 （1）灵敏度[1] 它是指在一定光谱范围内单位曝光量的输出信号电压（电流） 。也相当于投射在光敏 元上的单位辐射功率所产生的电压（电流） 。 （2）量子效率 如果说灵敏度是从宏观角度描述 CCD 光电特性，那么量子效率是对同一个问题的微 观描述，可以理解为 1 个光子能产生的电子数。 （3）光谱响应特性 主要由光电二极管特性决定。 图 3-1 是 Si 光电二极管的光谱响应曲线。Si 材料的禁带 第 8 页 光电检测技术 2020 年专题技术调研报告 宽度决定了光谱响应的长波极限，由于波长愈短，半导体对光波的吸收系数愈小，这 就决定了光谱响应的短波极限。 图 3-1光电二极管光谱响应 （4）转移效率 转移效率 η 是指电荷包在进行每一次转移中的效率，即电荷包从一个栅转移到下一个 栅时，有部分的电荷转移过去，余下 1-η 部分没有被转移，由于 CCD 中信号电荷包大 都要经历上千次的转移，即使值几乎接近 1，但其总效率往往仍然很低。 （5）不均匀度 CCD 成像器件不均匀性包括光敏元不均匀和 CCD （CMOS） 不均匀。 一般 CCD 是近 似均匀的，即每次转移效率是一样的。光敏元响应不均匀是由于工艺过程及材料不均 匀引起的，像素越多，均匀性问题越突出。不均匀度是影响像素提高的因素，也是成 品率下降的重要原因。 （6）动态范围/采样精度 动态范围的上限取决于光敏元势阱容量，下限取决于 CCD 能分辨的最小信号，即等 效噪声信号。 动态范围光