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CMOS图像传感器框架图及优缺点

图像传感器是数字成像系统的主要构建块之一,对整个系统性能有很大影响。两种主要类型的图像传感器是电荷耦合器件 (CCD) 和 CMOS 成像器。在本文中,我们将了解 CMOS 图像传感器的基础知识。

查看我们关于电荷耦合器件 (CCD) 图像传感器的系列。您可以从 CCD 的结构和功能开始。

1 CMOS 光电探测器

大多数 CMOS 光电探测器都基于 PN 结光电二极管的操作。当光电二极管反向偏置(且反向电压小于雪崩击穿电压)时,与入射光强度成正比的电流分量将流过二极管。该电流分量通常称为光电流。

由于光电流随光强度线性增加,我们可以使用光电二极管来构建光电探测器。这种光检测结构的抽象表示如下所示。

CMOS图像传感器框架图及优缺点

复位开关在曝光周期开始时闭合,以将光电二极管反向偏置到电压 VD。接下来,开关打开并产生与入射光强度成正比的光电流。该电流在飞安到皮安的范围内,并且太小而无法直接测量。如果我们让光电二极管暴露在光线下一段时间,tint,电流将在二极管电容 CD 上积分。存储的电荷为我们提供了更容易测量的更强的累积信号。此外,合并的平均过程使累积信号更忠实地表示测量的光强度,尤其是在处理微弱或嘈杂的信号时。

请注意,阱容量 Qwell 设置了 CD 可以容纳的电荷量的上限。超过一定的光强,二极管将饱和,累积电荷将等于上图所示的最大值。因此,必须谨慎选择整合期。

另一个应考虑的非理想效应是,除了光电流之外,还有另一种称为暗电流的电流分量流过二极管。暗电流是在没有光的情况下产生的电流。必须最小化该电流分量以最大化器件灵敏度。

2CMOS 图像传感器框图

CMOS 图像传感器的基本结构如下图所示。

CMOS图像传感器框架图及优缺点

二维阵列的光电探测器用于检测入射光强度。光电检测器产生的电荷被转换为电压信号,并通过“行选择”和“列选择”开关阵列传递到输出放大器ADC 用于将放大的信号数字化。

为了执行读出,给定行的像素值被并行传输到一组存储电容器(上面未示出),然后这些传输的像素值被顺序读出。

上图显示了 APS(主动像素传感器)架构。在 APS 设备中,每个像素位置不仅包含光电二极管,还包含一个放大器。一种更简单的架构,称为 PPS(无源像素传感器),不会将放大器集成到像素中。在 DPS(数字像素传感器)设备中,每个像素都有自己的模数转换器和存储块。因此,DPS 架构中的像素输出与光强度成正比的数字值。

3CMOS 图像传感器的优缺点

顾名思义,CMOS 图像传感器采用标准 CMOS 技术制造。这是一个主要优势,因为它允许我们将传感器与成像系统所需的其他模拟和数字电路集成。集成解决方案使我们能够降低功耗并提高读取速度。这与其他图像传感器技术不同,例如电荷耦合器件 (CCD),这些技术基于针对电荷转移和成像而优化的专用制造技术。

CMOS 图像传感器的一个缺点是在读出路径中有多个有源器件,它们会产生时变噪声。此外,制造不一致会导致不同像素的电荷电压放大器之间不匹配。这会导致固定模式噪声,即使它们暴露在均匀的照明下,不同的像素也会产生不同的值。

4滚动快门伪像

对于许多 CMOS 图像传感器,不同像素行的曝光周期开始的时间略有不同。通常,行从上到下按顺序重置。在给定行的积分时间过去后,应开始读出。因此,光积分就像重置过程一样从上到下依次发生。在捕捉快速移动的物体时,这会导致一种称为滚动快门伪影的失真。这是因为在捕获所有像素时,具有快速移动对象的场景可能会发生变化。卷帘快门伪像表现为捕获场景中的一些非刚性或弯曲。这如下图所示。

现代高端 CMOS 传感器具有更快的读出速率,并且可以更轻松地避免这种非理想效应。此外,还有具有全局快门的 CMOS 图像传感器,其中所有像素的重置和曝光周期同时发生。在积分时间结束时,不同像素的累积电荷同时转移到存储区域以供进一步处理。由于所有像素的曝光周期同时发生,因此不会出现卷帘快门效果。

5结论

反向偏置光电二极管产生与入射光强度成正比的电流分量。这些光电探测器的二维阵列可用于实现 CMOS 图像传感器。CMOS 图像传感器中的像素可以具有不同程度的复杂性。例如,CMOS 图像传感器的像素不仅可以包含光电二极管,还可以包含放大器。DPS(数字像素传感器)设备采用更复杂的像素,其中每个像素都有自己的模数转换器和存储块。

CMOS 图像传感器最重要的优势是可以将传感器与成像系统所需的其他模拟和数字电路集成在一起。会降低 CMOS 图像传感器性能的两个噪声源是不同像素组件之间的制造不匹配以及来自读出路径中的有源器件的噪声。

编辑:jq

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