新型CMOS圖像傳感器原理及設(shè)計(jì)

金屬氧化物半導(dǎo)體元件(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)圖像傳感器和電荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)攝像器件在20年前幾乎是同時(shí)起步的。CCD是應(yīng)用在攝影攝像方面的高端技術(shù)元件，CMOS則應(yīng)用于較低影像品質(zhì)的產(chǎn)品中。

由于CCD器件有光照靈敏度高、噪音低、像素小等優(yōu)點(diǎn)，所以在過去15年里它一直主宰著圖像傳感器市場(chǎng)。與之相反，CMOS圖像傳感器過去存在著像素大，信噪比小，分辨率低這些缺點(diǎn)，一直無法和CCD技術(shù)抗衡。但是隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，過去CMOS圖像傳感器制造工藝中不易解決的技術(shù)難關(guān)現(xiàn)已都能找到相應(yīng)解決的途徑，從而大大改善了CMOS圖像傳感器的圖像質(zhì)量。

1 CMOS有源像素傳感器

近來CMOS圖像傳感器受到重視首要原因在于過去大大低于CCD的靈敏度問題逐步得到解決。因?yàn)榕cCCD相比，CMOS傳感器具有更好的量產(chǎn)性，而且容易實(shí)現(xiàn)包括其他邏輯電路在內(nèi)的SoC(System on Chip)產(chǎn)品，而這在CCD中卻很難實(shí)現(xiàn)。尤其是CMoS傳感器不像CCD那樣需要特殊的制造工藝，因此可直接使用面向DRAM等大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)設(shè)備。這樣一來，CMOS圖像傳感器就有可能形成完全不同于CCD圖像傳感器的成本結(jié)構(gòu)。

圖1示出了有源像素CMOS圖像傳感器(ActivePixel Sensor，APS)的功能結(jié)構(gòu)圖，其中成像部分為光敏二極管陣列(Photo Diode Array)。

四場(chǎng)效應(yīng)管(4T)有源像素CMOS圖像傳感器的每個(gè)像素由光敏二極管、復(fù)位管T2、轉(zhuǎn)移管T1、源跟隨器T3和行選通開關(guān)管T4組成，如圖2所示。

轉(zhuǎn)移管T1被用來將光敏二極管連接至源跟隨器T3，并通過復(fù)位管T2與VDD相連。T3的柵極與T1和T2之間的N+擴(kuò)散區(qū)相連。與3T結(jié)構(gòu)的APS相比，減少了與T3的柵極相關(guān)的漏電流效應(yīng)。源跟隨器T3的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大和緩沖，改善APS的噪聲問題。T4是用來將信號(hào)與列總線相連。其工作過程是：首先進(jìn)入“復(fù)位狀態(tài)”，T2打開，對(duì)光敏二極管復(fù)位；然后進(jìn)入“取樣狀態(tài)”，T2關(guān)閉，光照射到光敏二極管上產(chǎn)生光生載流子，并通過源跟隨器T3放大輸出；最后進(jìn)入“讀出狀態(tài)”，這時(shí)行選通管T4打開，信號(hào)通過列總線輸出。

APS具有低讀出噪聲和高讀出速率等優(yōu)點(diǎn)，但像素單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，填充系數(shù)降低，填充系數(shù)一般只有20％～30％。為了提高像素的填充系數(shù)，APS在像素的上方設(shè)置了微透鏡(Micro-lenses)，如圖3所示。

由APS陣列所獲得的圖像信息，經(jīng)過圖1中列模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Column ADC)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，再經(jīng)過一系列的后續(xù)處理過程，得到輸出如圖4所示的幀圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

2 圖像的預(yù)處理過程及方法

為了得到良好的圖像質(zhì)量，需要對(duì)所采集的原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。一般上，圖像的預(yù)處理是在協(xié)處理器中完成的。最近，隨著SoC技術(shù)的發(fā)展，可以在CMOS傳感器中集成圖像預(yù)處理功能．這正顯示了CMOS圖像傳感器的優(yōu)勢(shì)所在。

圖像的預(yù)處理主要包括了缺陷修正、去除FPN噪聲、色彩差值，圖像銳化差值、光圈修正、Gamma修正等一系列處理。

通過數(shù)字圖像處理算法來實(shí)現(xiàn)來實(shí)現(xiàn)上述的圖像預(yù)處理過程，其硬件平臺(tái)可以是集成在SoC中的圖像處理電路、ASIC圖像處理芯片，或通用的DSP芯片。首先是消除圖像中的缺陷，如果某一個(gè)像素中有缺陷，而導(dǎo)致了其輸出電平被鉗位于高電乎(黑點(diǎn))或低電平(白點(diǎn))，就需要通過圖像處理來進(jìn)行彌補(bǔ)。通常是使用其周圍相同顏色像素的平均值來代替該像素的輸出值。

通常情況下，不同列的列模／數(shù)轉(zhuǎn)換器存在著差異，這就導(dǎo)致了固定模式噪聲(fixed Pattern Noise，F(xiàn)PN)的產(chǎn)生。圖4中Black Lines中的數(shù)據(jù)就是用來消除FPN的。協(xié)處理器會(huì)利用這一部分?jǐn)?shù)據(jù)來達(dá)到消除FPN的目的。

由于每個(gè)像素上為某種彩色濾光片，所以要通過色彩差值來得到其余兩種色彩信息。Gamma修正是為了消除在電學(xué)器件和光學(xué)器件之間在信號(hào)傳輸上的非線性效應(yīng)。

從以上的圖像處理過程可知，許多算法中使用了差值，這就導(dǎo)致了圖像的平滑化，而為了恢復(fù)銳利的圖像，就需要進(jìn)行光圈修正。在圖像處理中，通過邊緣檢測(cè)而得到的銳化邊緣對(duì)差值后的平滑圖像進(jìn)行卷積，從而得到銳利的圖像。

3 結(jié) 語

為了提高CMOS圖像傳感器的圖像質(zhì)量，通過對(duì)圖像主要的噪聲源以及圖像失真的分析，本文提出了一種新型的CMOS有源像素圖像傳感器。該CMOS圖像傳感器使用4T有源像素，大大提高了圖像傳感器的靈敏度。通過在傳感器中集成圖像預(yù)處理功能，對(duì)改善圖像的質(zhì)量起到了很好的效果。