用于各類攝像應(yīng)用的高速CMOS圖像傳感器

這些傳感器的分辨率從VGA到10M像素，某些可以達(dá)到每秒10000全幀。傳感器的架構(gòu)有兩個(gè)半分，四分儀或者一個(gè)像素陣幾種。輸出可以是并行的模擬輸出，一個(gè)數(shù)字化的10位輸出或者數(shù)字化的串行LVDS輸出。每位輸出工作速率高達(dá)50M采樣/秒，則可實(shí)現(xiàn)5.5G像素/秒的吞吐量。迄今為止這是所報(bào)道的最高的連續(xù)像素吞吐率。圖像質(zhì)量至少是10比特，故攝像機(jī)中數(shù)字化后的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)55Gb/s。目標(biāo)應(yīng)用總是要求一個(gè)6T的快照像素，具有高靈敏度和高動(dòng)態(tài)范圍。這些圖像傳感器的靈敏度主要取決于像素的大小。于是對(duì)于某些特定應(yīng)用導(dǎo)致了非常大的像素?cái)?shù)，從而使圖像傳感器也非常大。內(nèi)部多路復(fù)用技術(shù)允許實(shí)現(xiàn)具有增加幀率的隨機(jī)窗口。當(dāng)窗口尺寸減小到一個(gè)小型的ROI時(shí)，幀率提高到170000幀/秒。目前絕大多數(shù)傳感器采用0.25微米工藝。

高速圖像傳感的最新趨勢(shì)

如今CMOS是高速圖像傳感器首選的技術(shù)。當(dāng)今市場(chǎng)上我們可以清楚地看到高速圖像傳感器的三個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，即超高速，片上功能集成和普通的高速成像。

像素率是分辨率和幀率的乘積，如今該指標(biāo)提升了許多。目前所公布的圖像傳感器為1024x1024像素，每秒的全幀率超過了5000。如果圖像質(zhì)量用10比特，這就意味著攝像機(jī)中總的數(shù)據(jù)率高達(dá)55Gb/s。為了在攝像機(jī)中實(shí)現(xiàn)如此高的速率，以及高質(zhì)量的圖像以及非常高的靈敏度(通常用于高質(zhì)量的圖像)，重要的不僅僅只關(guān)注電路的設(shè)計(jì)，還要確保整個(gè)布線的較好平衡。這意味著必須將所需的電源線分布好，在電路布局的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，所有的寄生參數(shù)效應(yīng)，電氣和光學(xué)部分都必須控制好。功率預(yù)算要求采用低功耗模塊設(shè)計(jì)，以確保能夠滿足總的功率需求。

在高速成像中的另一個(gè)不同的趨勢(shì)是在芯片上集成高速ADC，序列器，LVDS發(fā)射器以及校準(zhǔn)算法。這些成像器在速度和靈敏度方面通常遜色于上述的成像器，但其優(yōu)點(diǎn)是集成度高，簡(jiǎn)單易用。現(xiàn)在市場(chǎng)上正在出現(xiàn)的第三種成像器是普通的高速成像器。舊式(簡(jiǎn)單)的帶模擬輸出或者沒有定時(shí)功能的普通成像器正在被更快的和更復(fù)雜的圖像成像器所取代。這類成像器可以確保在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)普通高速攝像機(jī)的設(shè)計(jì)。

像素與像素率

圖1所示為常見的高速圖像傳感器中所用像素的實(shí)現(xiàn)電路圖，這是一個(gè)所謂的6晶體管(6T)像素結(jié)構(gòu)。這類圖像傳感器中重要的是流水線球形快門功能。

圖1：像素電路單元

所有像素同時(shí)開啟和終止光學(xué)集成的球形快門，這對(duì)于高速應(yīng)用是非常重要的，它可以較好地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)模糊控制，使所有像素對(duì)精確地一致。該球型快門使高速運(yùn)動(dòng)傳感被成像器保持。

一個(gè)典型的高速捕獲序列器如圖2所示(就像一個(gè)小彈丸沖擊一根火柴棒)。流水線功能意味著在像素陣列的讀取過程中，用于下一幀的像素中光學(xué)的集成正在進(jìn)行中。這就要求確保幀率與集成時(shí)間無關(guān)。

圖2：典型的高速捕獲順序（彈丸沖擊火柴棒）。

為了獲取可能更高的靈敏度，負(fù)責(zé)收集圖像電荷并將該電荷轉(zhuǎn)換成電壓的光電二極管應(yīng)盡可能小，以便將其寄生電容減到最小。此外，像素的填充系數(shù)，即對(duì)光傳感區(qū)域貢獻(xiàn)的開放區(qū)域應(yīng)盡可能大。利用N阱像素專利，集合圍繞光電二極管開放的P阱，即可實(shí)現(xiàn)上述的小光電二極管和大填充系數(shù)兩項(xiàng)功能。除了高靈敏度之外，還有一個(gè)重要的是采用一個(gè)像素存儲(chǔ)電容器，該電容器并不貢獻(xiàn)任何噪聲，它將很好地屏蔽光，泄漏很小。這種像素結(jié)構(gòu)在讀取過程中存儲(chǔ)像素信號(hào)方面效果很好。但這種結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是在像素中沒有固定的圖形噪聲校正，故必須在圖像傳感器外部來實(shí)現(xiàn)。

一個(gè)圖像傳感器的速率是分辨率和幀率的乘積，這決定了傳感器的像素率。在超高端的高速成像市場(chǎng)中，該參數(shù)其實(shí)并不夠高。用戶希望在所期望的全幀率能夠?qū)崿F(xiàn)的條件下，設(shè)計(jì)非常復(fù)雜的攝像機(jī)。圖3所示為一幅典型的高速應(yīng)用的圖像(汽車撞機(jī)試驗(yàn))。

圖3：高速成像應(yīng)用：汽車撞擊試驗(yàn)。

這么高的速度只能通過并行的模擬輸出(多達(dá)128路輸出)來實(shí)現(xiàn)，這就為攝像機(jī)系統(tǒng)的集成提出了挑戰(zhàn)。這種成像器的結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)單，包括被隨意劃分成象限的像素陣列中的6T像素電路，幾個(gè)并行的高速模擬總線，以及用來驅(qū)動(dòng)輸出的一些并行的輸出放大器。

在這類芯片上，沒有ADC，序列器和其他片上圖像處理。芯片寬度的模擬總線確保所有的并行輸出可以被使用，而不管被讀取的x方向上的半幀圖像的大小。這在讀取半幀圖像時(shí)提高了幀率。

重影的消除

超高速圖像傳感器中的一個(gè)重要問題是x方向上的重影。這是由片寬模擬總線的相對(duì)較大的RC常數(shù)所引起的。對(duì)于總線上的信號(hào)，由于處理10比特的精度所用的時(shí)間較長，故上一個(gè)像素的部分信息可能滯留到當(dāng)前像素上。這就在圖像中導(dǎo)致了的x方向上的重影。這種重影在后續(xù)的圖像處理中很難校正。

解決該問題的一項(xiàng)技術(shù)是，在每個(gè)新的信號(hào)之前對(duì)總線進(jìn)行短暫的預(yù)充電。這樣就保證了有關(guān)前面像素的所有信息被洗掉。該技術(shù)要求產(chǎn)生短期預(yù)充電脈沖。這些脈沖用來將模擬總線短路到地。絕大多數(shù)的成像器是根據(jù)客戶產(chǎn)品的需求來制造的，因?yàn)槟壳皼]有將這類超高速成像器產(chǎn)品變成通用產(chǎn)品的真正需求?？蛻舻膽?yīng)用范圍從VGA到10Mpixel，幀率從500fps到10,000fps，數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)5.5Gpix/s。圖4給出一個(gè)典型的超高速圖像傳感器架構(gòu)。兩個(gè)半球被并行讀取，每個(gè)的并行模擬輸出為64路?？偟募悠饋硎?28路高速并行模擬輸出。

圖4：一個(gè)典型的超高速圖像傳感器架構(gòu)

應(yīng)用需求：體積小且易于設(shè)計(jì)

與之前的非常復(fù)雜的(且體積大)的、圍繞傳感器設(shè)計(jì)的攝像系統(tǒng)相反，市場(chǎng)上對(duì)小型的且易于實(shí)現(xiàn)的高速圖像傳感器的需求正在增加。

高速成像器已開始用于幾個(gè)準(zhǔn)消費(fèi)類應(yīng)用，如掃描、視覺系統(tǒng)以及全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。下圖所示的是一個(gè)典型的全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用，其中就用了成像器。

圖5：全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及其高速成像器。

這些應(yīng)用要求板上的圖像傳感器具有許多系統(tǒng)功能。這就是為什么將ADC、定時(shí)產(chǎn)生、圖像處理以及一些輸出電路集成到芯片上的原因。對(duì)于這類成像器，集成的功能與靈敏度和速度一樣重要。絕大部分這類成像器還是根據(jù)客戶的利于簡(jiǎn)化其高速攝像機(jī)設(shè)計(jì)的特殊功能來定制的。下圖給出了這類高速成像器的一個(gè)典型架構(gòu)。這類成像器通常只有時(shí)鐘輸入，一些電源和一些同步引腳。所有其他需要讀取并送給成像器的信號(hào)都將在芯片內(nèi)產(chǎn)生。

圖6：具有許多片上邏輯和附加功能的典型高速圖像傳感器的架構(gòu)。

通用的高速圖像傳感器

市場(chǎng)上我們所看到的第三類高速圖像傳感器是通用的高速圖像傳感器。其應(yīng)用從機(jī)器視覺攝像到交通監(jiān)控、科學(xué)試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)捕獲以及撞擊測(cè)試檢查。早期的這類通用高速圖像傳感器的構(gòu)成只包括并行的模擬輸出，沒有板上邏輯(非常像如今我們所知道的超高速成像器)。但最近，我們看到有許多功能在片上實(shí)現(xiàn)，目的是使成像器可以被用于各種不同的應(yīng)用(如多斜率、欠采樣、進(jìn)倉、翻頁(flipping)，鏡像、增益、補(bǔ)償?shù)?。

如今，正在研發(fā)能夠提供1.3MPxl速率，幀率為1000fps的高速球星快門圖像傳感器。特別是這類傳感器具有流水線的快照快門功能，以及多斜率功能。這些片上功能也因不同的傳感器而異。

圖7：通用高速成像器適用的各類應(yīng)用

有幾種不同類型的高速圖像傳感器，用來滿足當(dāng)前市場(chǎng)上的不同需求。超高速圖像傳感器是真正的模擬圖像傳感器，具有非常高的幀率和數(shù)據(jù)吞吐率，適用于復(fù)雜的――因此也主要是客戶定制的攝像機(jī)設(shè)計(jì)。具有許多板上功能的高速圖像傳感器提供許多特殊的板上功能，這些功能有助于設(shè)計(jì)師將成像器植入他們的高速攝像機(jī)的設(shè)計(jì)中，更適用于面向客戶的應(yīng)用。這些功能是根據(jù)客戶的要求實(shí)現(xiàn)的，故也主要用于定制設(shè)計(jì)。

最后，通用的高速圖像傳感器結(jié)合了上述的圖像傳感器的絕大部分通用功能，使之成為通用的圖像傳感器，可以用于廣泛應(yīng)用的攝像機(jī)中。這類圖像傳感器如今都是商用現(xiàn)貨供應(yīng)。市場(chǎng)趨勢(shì)是，板上功能的集成度、數(shù)據(jù)率、以及分辨率都將繼續(xù)提高。未來設(shè)計(jì)師的真正挑戰(zhàn)將是如何實(shí)現(xiàn)傳感器超高數(shù)據(jù)率與像LVDS和圖像處理這類的板上功能的完美結(jié)合。

圖8：高速圖像傳感器應(yīng)用的一些實(shí)例。