CMOS有源图像传感器的最新研究 - 潘学礼工控博客工控论坛

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发表人：yimo2012

发表时间：2012/1/4 13:59:00

发表新论题

本栏论题：

CMOS有源图像传感器的最新研究 [6416]

    摘要：由于CMOS有源图像传感器在单片集成、系统功耗、价格以及微型化方面都大大优于CCD，近年来得到较快进展，特别是其抗辐射的性能，使其在空间应用方面尤其具有优势。介绍了CMOS有源图像传感器的原理、性能和研究进展，重点介绍了在空间领域，特别是星敏感器中的研究进展和应用现状。
    　　　　
    　　引言
    　　
    　　CMOS有源图像传感器从20世纪90年代问世至今虽然只有10余年的时间，却以其潜在的优越性能给图像传感器领域带来巨大的冲击，使CMOS图像传感器开始具有了能与CCD相比拟的性能和应用发展空间。由于CMOS有源图像传感器，其有源像素单元为每个像素提供了放大器和读出电路，使传感器的性能得到改善，目前，在信噪比、动态范围等方面的性能已与CCD相近。特别是有源CMOS图像传感器只需要单一低压5V(或3.3V)供电，功耗仅为CCD的1／10以下，片内可集成信号处理电路，使成像系统外围电路大大简化，能满足消费者在小型化、低功耗、价格性能比等方面的要求，目前，已应用于多种商用和工业领域，而其卓越的辐射加固性能，特别适于空间领域等辐射环境。
    　　
    　　1、CMOS有源图像传感器的结构特点
    　　
    　　典型的APS有源像元结构内有3个晶体管，分别用于像元的复位、选择和电荷电压转换，具有放大、缓冲和消噪功能，电荷用X-Y地址方式读出，避免了与电荷转移有关的缺陷，提高了图像传感器的信噪比和灵敏度。其缺点是由于APS的像素内有源电路占有像元的表面积，使表面感光面积减小，填充系数小。
    　　
    　　CMOS有源图像传感器芯片的核心为有源像元构成的光敏元阵列和行列选择，此外是时序和控制电路及功能电路和模拟信号的处理与输出接口等。目前，典型的APS产品一般都集成了相关双采样放大器、曝光、白平衡控制、电源管理模式、可控增益和偏置放大器、A／D转换器，以及输出串、并口，用以减少成像系统硬件电路的复杂度、减少接口，同时，也减小传感器的重量和体积、降低成本。
    　　
    　　2、CMOS有源图像传感器的研究进展
    　　
    　　2．1 CMOS有源图像传感器的降噪技术
    　　
    　　噪声问题是目前制约CMOS图像传感器发展的主要问题。降噪技术的研究着重从像元内结构角度着手，除采用相关双采样电路降低或消除KTC噪声、复位噪声、固定模式噪声，降低1／f噪声外，目前，采用的方法主要还有：在像元内部四并列连接的光电二极管来增加捕获电子的能力，使量子效率达到35％，并能降低漏电流和电容量；在像元电路中采用六晶体管的有源复位电路，增加2个晶体管和1个放大器作为复位电路，减低复位噪声，使其达到kT／18C，而不增加拖尾。
    　　
    　　2．2 提高填充系数
    　　
    　　采用在像元内放置微透镜，使光线聚焦于光电二极管的有效PN结，相对提高像元阵列的有效感光面积，可使填充系数达到90％以上。但由于缺少抗反射层处理，只适用于一定角度的入射光，而不适于宽孔径镜头。改进的做法是在像元内的光敏区和无效的PN结之间放置一个电子屏障，来阻碍无效PN结收集光生电荷，使光生电荷有机会到达有效PN结，从而达到扩大感光面积的目的。
    　　
    　　2．3 提高动态范围和高速度
    　　
    　　为了提高动态范围，采用双斜率或多斜率光电反映曲线可使动态范围可达到70dB以上，此外，在像元内采用五晶体管的对数光电反映曲线，可使动态范围达到120dB。为了提高速度，可采用卷帘和同步双电子快门，而内置实时快照同步快门技术，可使祯频达到450Hz，可用于运动分析和科学高速图像的分析。
    　　
    　　2．4 抗辐射能力
    　　
    　　在空间应用的辐射加固APS的像元结构中，加入差分电路使像元的复位电平和信号电压共用一个信号通道，这样电子扰动和供电影响对两信号的影响相同，对输出信号不会产生影响，对高速芯片和单芯片系统特别有利。目前，FillFactory的STAR系列辐射加固APS，在ZAl100kGy的Co-60辐射下，暗电流密度不大于1.5mA／cm2，其抗辐射能力比普通的图像传感器提高了3个数量级。
    　　
    　　2．5 单芯片数字相机
    　　
    　　CMOS传感器的最大优势是它具有高集成度的技术条件。理论上，所有图像传感器所需的功能，例如：垂直位移、水平位移暂存器、时序控制、相关双采样、模数转换等，都可放在集成在一片芯片上，制成单芯片相机，而超大规模集成电路技术使这种集成成为可能。近年的APS芯片产品除集成有模拟信号处理功能的电路外，模数转换和外围接口的集成使芯片的智能化程度更高，使单芯片数字相机的概念更加明确。
    　　
    　　3、CMOSAPS在空间科学中的应用研究
    　　
    　　CMOSAPS图像传感器的空间应用研究推动了CMOSAPS的研究和发展，美国、法国、比利时、俄罗斯等国的研究机构对CMOSAPS在空间应用方面都做了大量的研究。目前，CMOSAPS在空间领域的应用研究涉及地球勘测、遥感成像、星敏感器等星图像采集功能和飞船可视系统等空间探测、导航领域，而以在星敏感器中的应用研究报道为多。
    　　
    　　从20世纪90年代初期，美国国家航空和宇航中心委托喷气推动实验室(JPL)对CMOSAPS和在星敏感器中应用进行重点研究，第一代试验性称之为Stracker的APS星敏感器，证明了基于CMOSAPS的星敏感器的精度可以满足要求。JPL研制的典型的CMOS有源图像传感器中，代号为RHAPS的高水平的辐射加固APS，在冷却条件下，其星敏感器的精度在视星等为5时可达0.1像元；代号为VIDI的超低功耗CMOSAPS是专门为卫星有效载荷设计的第二代产品，是高集成度的单片相机，只需3.3V供电，内置模数转换，10位数字输出，可编程曝光时间、分辨力和窗口模式，抗模糊等特点，功耗仅为20mW，数据读出率可达20兆位／s。
    　　
    　　比利时IMEC公司与欧洲宇航局合作研究的IRIS系列产品，其抗辐射能力为20krad，信噪比为67dB，8位数字读出，已用于小卫星的星敏感器，其星敏感器尺寸仅为62mm×53mm×53mm，精度优于30＂/5等星，视场为20°×20°，祯频10Hz，在相同的光学条件下，该指标完全可与CCD相比拟。
    　　
    　　CMOSAPS目前已应用于各种空间科学研究和空间探测任务中。其中，APS首次用于空间可视监控系统是比利时IMCE生产的FUGA15型APS，应用在1997年英国、比利时IMEC公司的联合试验的Afiane502的可视遥感系统(VTS)中。1999年和2000年，IMCE公司的APS产品FU-GA和IRISl作为可视监控相机(visualmonitoringcameras，VMC)分别用于欧洲宇航局的XMM-Newton飞船和ClusterⅡ卫星。2003年，在加拿大SciSat发射的ACE-FIB中的可视系统采用了Fillfactory生产的STAR的辐射加固APS(256×256像元)，而其IRISl型APS图像传感器则已用于火星车的可视系统中。
    　　
    　　4、结束语
    　　
    　　CMOS图像传感器正朝着高分辨力、高灵敏度、宽动态范围、微型化、数字化和多功能的方向发展，并在许多领域中形成了和CCD图像传感器相竞争的局面。与CCD相比，CMOS图像传感器将整个图像系统集成在一块芯片上，具有体积小、重量轻、功耗低、编程方便、易于控制和平均成本低等优点。随着空间飞行器尺寸不断减小，CMOS图像传感器在系统功耗、体积、重量、成本、功能性、抗辐射性能以及可靠性等方面在空间成像领域中会得到越来越广泛的应用。虽然CMOS取代CCD的说法还为时过早，但CMOS与CCD平分图像市场的局面已经到来。
    文章链接：中国仪表网 http://www.ybzhan.cn/Tech_news/Detail/64800.html

以下是关于《CMOS有源图像传感器的最新研究》论题的回复（共1篇）

回复人：dawn1234

回复时间：2012/1/12 16:06:00

讲的非常好