一種新型CMOS圖像傳感器的設(shè)計(jì)
1 CMOS有源像素傳感器
近來(lái)CMOS圖像傳感器受到重視首要原因在于過(guò)去大大低于CCD的靈敏度問(wèn)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(lái),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(kāi)關(guān)管T4組成,如圖2所示。
轉(zhuǎn)移管T1被用來(lái)將光敏二極管連接至源跟隨器T3,并通過(guò)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(wèn)題。T4是用來(lái)將信號(hào)與列總線相連。其工作過(guò)程是:首先進(jìn)入“復(fù)位狀態(tài)”,T2打開(kāi),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(guò)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(kāi),信號(hào)通過(guò)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(guò)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(guò)一系列的后續(xù)處理過(guò)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(guò)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(guò)數(shù)字圖像處理算法來(lái)實(shí)現(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)上述的圖像預(yù)處理過(guò)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(guò)圖像處理來(lái)進(jìn)行彌補(bǔ)。通常是使用其周?chē)嗤伾袼氐钠骄祦?lái)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(lái)消除FPN的。協(xié)處理器會(huì)利用這一部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)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(guò)色彩差值來(lái)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(guò)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(guò)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(yǔ)
為了提高CMOS圖像傳感器的圖像質(zhì)量,通過(guò)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(guò)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。
評(píng)論