CMOS图像传感器设计考虑因素及典型应用方案（1） 传感器

[导读] 由于CMOS图像传感器的应用，新一代图像系统的开发研制得到了 极大的发展。
关键词：遥感系统指纹识别图像传感器CMOSFPGA

　　1、引言
　　 CCD图像传感器由于灵敏度高、噪声低，逐步成为图像传感器的主流。但由于工艺上的原因，敏感元件和信号处理电路不能集成在同一芯片上，造成由CCD图像 传感器组装的摄像机体积大、功耗大。CMOS图像传感器以其体积小、功耗低在图像传感器市场上独树一帜。但最初市场上的CMOS图像传感器，一直没有摆脱 光照灵敏度低和图像分辨率低的缺点，图像质量还无法与CCD图像传感器相比。
　　如果把CMOS图像传感器的光照灵敏度再提高5倍～10 倍，把噪声进一步降低，CMOS图像传感器的图像质量就可以达到或略微超过CCD图像传感器的水平，同时能保持体积小、重量轻、功耗低、集成度高、价位低 等优点，如此，CMOS图像传感器取代CCD图像传感器就会成为事实。
　　由于CMOS图像传感器的应用，新一代图像系统的开发研制得到了 极大的发展，并且随着经济规模的形成，其生产成本也得到降低。现在，CMOS图像传感器的画面质量也能与CCD图像传感器相媲美，这主要归功于图像传感器 芯片设计的改进，以及亚微米和深亚微米级设计增加了像素内部的新功能。实际上，更确切地说，CMOS图像传感器应当是一个图像系统。一 个典型的CMOS图像传感器通常包含：一个图像传感器核心（是将离散信号电平多路传输到一个单一的输出，这与CCD图像传感器很相似），所有的时序逻辑、 单一时钟及芯片内的可编程功能，比如增益调节、积分时间、窗口和模数转换器。事实上，当一位设计者购买了CMOS图像传感器后，他得到的是一个包括图像阵 列逻辑寄存器、存储器、定时脉冲发生器和转换器在内的全部系统。与传统的CCD 图像系统相比，把整个图像系统集成在一块芯片上不仅降低了功耗，而且具有重量较轻，占用空间减少以及总体价格更低的优点。

图1 早期的CCD图像传感器

　　2、基本原理
　 　从某一方面来说，CMOS图像传感器在每个像素位置内都有一个放大器，这就使其能在很低的带宽情况下把离散的电荷信号包转换成电压输出，而且也仅需要在 帧速率下进行重置。CMOS图像传感器的优点之一就是它具有低的带宽，并增加了信噪比。由于制造工艺的限制，早先的CMOS图像传感器无法将放大器放在像 素位置以内。这种被称为PPS的技术，噪声性能很不理想，而且还引来对CMOS图像传感器的种种干扰。
　　然而今天，随着制作工艺的提高， 使在像素内部增加复杂功能的想法成为可能。现在，在像素位置以内已经能增加诸如电子开关、互阻抗放大器和用来降低固定图形噪声的相关双采样保持电路以及消 除噪声等多种附加功能。实际上，在Conexant公司（前Rockwell半导体公司）的一台先进的CMOS 摄像机所用的CMOS图传感器上，每一个像素中都设计并使用了6个晶体管，测试到的读出噪声只有1均方根电子。不过，随着像素内电路数量的不断增加，留给 感光二极管的空间逐渐减少，为了避免这个比例（又称占空因数或填充系数）的下降，一般都使用微透镜，这是因为每个像素位置上的微小透镜都能改变入射光线的 方向，使得本来会落到连接点或晶体管上的光线重回到对光敏感的二极管区域。
　　因为电荷被限制在像素以内，所以CMOS图像传感器的另一个 固有的优点就是它的防光晕特性。在像素位置内产生的电压先是被切换到一个纵列的缓冲区内，然后再被传输到输出放大器中，因此不会发生传输过程中的电荷损耗 以及随后产生的光晕现象。它的不利因素是每个像素中放大器的阈值电压都有细小的差别，这种不均匀性就会引起固定图像噪声。然而，随着CMOS图像传感器的 结构设计和制造工艺的不断改进，这种效应已经得到显著弱化。
　　这种多功能的集成化，使得许多以前无法应用图像技术的地方现在也变得可行 了，如孩子的玩具，更加分散的保安摄像机、嵌入在显示器和膝上型计算机显示器中的摄像机、带相机的移动电路、指纹识别系统、甚至于医学图像上所使用的一次 性照相机等，这些都已在某些设计者的考虑之中。
　　3设计考虑
　　然而，这个行业还有一 个受到普遍关注的问题，那就是测量方法，具体指标、阵列大小和特性等方面还缺乏统一的标准。每一位工程师在比较各种资料一览表时，可能会发现在一张表上列 出的是关于读出噪声或信噪比的资料，而在另一张表上可能只是强调关于动态范围或最大势阱容量的资料。因此，这就要求设计者们能够判断哪一个参数对他们最重 要，并且尽可能充分利用多产品的CMOS图像传感器家族。
　　一些关键的性能参数是任何一种图像传感器都需要关注的，包括信噪比、动态范 围、噪声（固定图形噪声和读出噪声）、光学尺寸以及电压的要求。应当知道并用来对比的重要参数有：最大势阱容量、各种工作状态下的读出噪声、量子效率以及 暗电流，至于信噪比之类的其它参数都是由那些基本量度推导出来的。
　　对于像保安摄像机一类的低照度级的应用，读出噪声和量子效应最重要。然而对于象户外摄影一类的中、高照度级的应用，比较大的最大势阱容量就显得更为重要。
　 　动态范围和信噪比是最容易被误解和误用的参数。动态范围是最大势阱容量与最低读出噪声的比值，它之所以引起误解，是因为读出噪声经常不是在典型的运行速 度下测得的，而且暗电流散粒噪声也常常没有被计算在内。信噪比主要决定于入射光的亮度级（事实上，在亮度很低的情况下，噪声可能比信号还要大）。
　 　所以，信噪比应该将所有的噪声源都考虑在内，有些资料一览表中常常忽略散粒噪声，而它恰恰是中、高信号电平的主要噪声来源。而SNRDARK得到说明， 实际上与动态范围没有什么两样。数字信噪比或数字动态范围是另一个容易引起混淆的概念，它表明的只是模拟/数字（A/D）转换器的一个特性。虽然这可能很 重要，但它并不能精确地描述图像的质量。同时我们也应清楚地认识到，当图像传感器具有多个可调模拟增益设置时，模拟/数字转换器的分辨率不会对图像传感器 的动态范围产生限制。
　　光学尺寸的概念的模糊，是由于传统观念而致。使用光导摄像管只能在部分范围内产生有用的图像。它的计算包括度量单 位的转换和向上舍入的方法。采用向上舍入的方法，先以毫米为单位测量图像传感器的对角线除以16，就能得到以英寸为单位的光学尺寸。例如0.97cm的尺 寸是1.27cm而不是 0.85cm。假如你选择了一个光学尺寸为0.85cm的图像传感器，很可能出现图像的四周角落上的映影（阴影）现象。这是因为有些资料一览表欺骗性地使 用了向下舍入的方法。例如，将0.97cm的尺寸称为0.85cm，理由很简单：0.85cm光学尺寸的图像传感器的价格要比1.27cm光学尺寸的图像 传感器的价格低得多，但是这对系统工作性能产生不利影响。所以，设计者应该通过计算试用各种不同的图像传感器来得到想要的性能。

　　 CMOS图像传感器的一个很大的优点就是它只要求一个单电压来驱动整个装置。不过设计者仍应谨慎地布置电路板驱动芯片。根据实际要求，数字电压和模拟电压 之间尽可能地分离开以防止串扰。因此良好的电路板设计，接地和屏蔽就显得非常重要。尽管这种图像传感器是一个CMOS装置并具有标准的输入/输出（I /O）电压，但它实际的输入信号相当小，而且对噪声也很敏感。
　　到目前为止，已设计出高集成度单芯片CMOS图像传感器。设计者力求使有 关图像的应用更容易实现多功能，包括自动增益控制（AGC）、自动曝光控制（AEC）、自动平衡（AMB）、伽玛样正、背景补偿和自动黑电平校正。所有的 彩色矩阵处理功能都集成在芯片中。CMOS图像传感器允许片上的寄存器通过I2C总线对摄像机编程，具有动态范围宽、抗浮散且几乎没有拖影的优点。
　　4、CMOS APS的潜在优点和设计方法
　　4．1CMOS APS胜过CCD图像传感器的潜在优点
　　CMOS APS胜过CCD图像传感器的潜在优点包括［1］～［5］：
　　1）消除了电荷反复转移的麻烦，免除了在辐射条件下电荷转移效率（CTE）的退化和下降。
　　2）工作电流很小，可以防止单一振动和信号闭锁。
　　3）在集成电路芯片中可进行信号处理，因此可提供芯迹线，模/数转换的自调节，也能提供由电压漂移引起的辐射调节。
　　4．2 CMOS APS的设计方法
　　CMOS APS的设计方法包括：
　　1）为了降低暗电流而进行研制创新的像素结构。
　　2）使用耐辐射的铸造方，再研制和开发中等尺寸“dumb”（哑）成像仪（通过反复地开发最佳像素结构）。
　　3）研制在芯片上进行信号处理的器件，以适应自动调节本身电压Vt的漂移和动态范围的损失。
　　4）研制和开发耐辐射（单一扰动环境）的定时和控制装置。
　　5）研制和加固耐辐射的模/数转换器。
　　6）寻找低温工作条件，以便在承受最大幅射强度时，找到并证实最佳的工作温度。
　　7）研制和开发大尺寸、全数字化、耐辐射的CMOS  APS，以便生产。
　　8）测试、评价和鉴定该器件的性能。
　　9）引入当代最高水平的组合式光学通信/成像系统测试台。
　 　CMOS图像传感器的前途是光明的，随着多媒体、数字电视、可视通讯等市场的增加，CMOS图像传感器的应用前景更加广阔。CMOS APS为MIS/CCD图像传感器设计提供了另一选择方案，它把电荷转换成电压所需的晶体管装在每个像素内。在这种器件内均不必进行电荷转移， 因为数据读取是在单个像素内完成的。与CCD图像传感器相比，这种器件有很成熟的CMOS集成电路工艺，在降低成本方面有潜力。预期CMOS APS在许多非科学应用领域内将最终替代CCD图像传感器。
　　像素传感器电路结构设计详情参见：CMOS图像传感器的基本原理及设计考虑
　　全面了解了COMS传感器的原理及设计考虑的主要因素，下面介绍几种CMOS图像传感器应用方案和参考设计。

安森美CMOS图像传感器应用方案

　　近年来，随着CMOS工艺技术的不断改进，CMOS传感器的应用范围也越来越广泛，包括数码相机、电脑摄像头、视频电话、手机、视频会议、智能型安保系统、汽车倒车视像雷达、玩具，以及工业、医疗等应有尽有。实际上，CMOS图像传感器最初应用于工业图像处理；在那些旨在提高生产率、质量和生产工艺经济性的全新自动化解决方案中，它至今仍然是至关重要的图像解决方案。
　　安森美半导体的标准及定制CMOS图像传感器方案
　　应用要求的不断提升，CMOS传感器的成像质量也在不断提高，安森美半导体利用其在这一领域的专利技术和丰富的经验，以创新的设计，采用标准CMOS工艺技术开发出了高性能CMOS有源像素传感器等多种产品。
　　过去15年来，安森美半导体一直在为数百万像素数码摄影、达晶圆级的大面积传感器、超高速传感器、机器视觉成像、线性和二维条码成像、医用X射线成像、单芯片一体化摄像机，以及太空和核应用的抗辐射CMOS图像传感器提供行之有效的解决方案。
　　1）标准图像传感器
　　新兴应用需求的不断增长为精心设计的CMOS图像传感器带来了众多商机。除此高端机器视觉应用，二维（2D）条形码阅读器、高端保安摄像方案以及新兴的 智能交通管理系统（ITS）的市场也在迅速扩大。安森美半导体新的VITA系列能满足这些新市场的需求。VITA提供可配置性、灵活性和操作方便性。

　　图1 VITA25K 2，500万像素、53 fps全局快门CMOS图像传感器示例

　　VITA 系列CMOS图像传感器采用可配置操作模式，易于操作，提供带双斜率读数的流水线型和触发式全局快门、带相关双采样（CDS）的滚动快门、LVDS或 CMOS输出、10位或8位精度、多个并行窗口读数等特性。应用范围包括机器视觉、条形码、智能交通管理系统（ITS）和运动监测（motion monitoring）。
　　安森美半导体的另一个标准图像传感器系列是LUPA。该系列是高速CMOS图像传感器的深入研发和丰富经验的结晶。LUPA器件提供的分辨率高达2048 × 2048，帧速率最高达500 fps。这些器件的功耗低至150 mW，完全没有光晕（Blooming）或滞后，为高度可靠、高灵敏度图像传感器创建了一个完善的基础。LUPA系列包含LUPA 300、LUPA 1300-2、LUPA 3000和LUPA 4000。
　　LUPA实现了前所未有的灵敏度，具有百万像素系列图像传感器的分辨率，其它特性包括低功耗、无光晕或图像滞后、采用流水线式全局快门，可广泛应用于高速机器视觉、工业成像、医疗成像、国防和运动分析等领域。
　　另外一个CMOS标准图像传感器的系列是IBIS，包括IBIS4和IBIS5图像传感器。IBIS4图像传感器的特点是图像质量高、三晶体管（3T） 像素、滚动快门、高填充因数和用来提高动态范围的双斜率读数。IBIS5 CMOS图像传感器进过优化，是专门为机器视觉相机而开发的。

　　图2  IBIS系列图像传感器

　　IBIS4的像素分辨率高达1，400万，图像质量高，具有滚动快门和灵活的窗口和多斜率功能；IBIS5采用触发式全局快门，操作模式灵活，具有灵活的窗口和多斜率功能。它们的应用包括机器视觉、生物测量和文档扫描等。
　　安森美半导体标准系列的STAR图像传感器系列，是开发抗辐射CMOS像素和读出电子产品过程中广泛研究和辐照实验的成果。这些结构的总辐照剂量高达 300 krad。抗辐射CMOS图像传感器可以在辐射环境下发挥重要的作用，而普通CMOS或CCD成像无法做到这一点，而使用CRT显像管又太昂贵、过重或体 积过大。STAR系列包括三个产品：STAR 250、STAR 1000和HAS2，每个产品都有自己独到的优势。
　　总体上讲，STAR高达100万像素分辨率，具有高抗辐射、高灵敏度、低噪声的优势；可以应用在太空科学、核检验、星跟踪器和太阳传感器等方面。
　　2）定制图像传感器
　　安森美半导体还提供定制和针对特定应用的CMOS图像传感器，通过开发具有最先进性能的产品，帮助合作伙伴领先于竞争对手。定制设计可根据内部开发的参数功能块或采用全新的方法实现前所未有的性能和功能。
　　安森美半导体的专利设计和制造技术有助于优化关键参数，并与客户的应用实现完美契合。像素的大小、形状和速度、饱和度和噪声水平、动态范围和灵敏度、输出和帧速率都可以根据每个客户的需求来设定。
　　定制解决方案充分考虑了规格的灵活性，可实现最终应用的关键差别化，保证整个产品寿命期的有效性；高层次的架构和操作灵活性可以提高性能。定制方案的应 用包括高分辨率摄影、高速成像、条形码阅读、机器视觉、医疗成像，尤其是需要低功耗、智能传感或抗辐射的阵列或线性传感器解决方案的任何应用。
　　安森美半导体为客户提供的典型自定义设计周期流程是客户提出最初需求，然后由安森美半导体提出建议，再经过预先研究、产品定义、产品设计、产品设计审查、原型制造、装配和功能测试、原型、性能表征、性能表征报告等过程，最后做出生产规划和生产计划，进行预生产和投产。
　　3）智能手机CMOS图像传感器

　　安森美半导体为高性能智能手机传感器开发了创新的 1.1 μm像素技术，先进的像素和颜色滤波阵列 （CFA） 处理，使其灵敏度比前代提升近 20%。世界一流的的灵敏度能捕捉到更多光，使图像质量显著提高，尤其是在微光的情况下。新一代1，300万像素（MP）图像传感器AR1335，扩充其宽广的图像产品系列。基于先进的1.1微米（μm）像素技术，AR1335确立了灵敏度新基准，量子效率 （QE） 和线性电位井容量也得以显著提升。这图像传感器专为智能手机相机应用而设计，带来近乎数码相机的成像优质体验，同时也针对移动设备优化了功耗和占板空间。
　　AR1335为智能手机用户带来绝佳的成像体验。一流的灵敏度、QE和线性电位井容量让客户领略逼真的微光成像。超清13 MP分辨率支持高质量变焦及清晰的场景细节还原。无论是4K 超高清（UHD）模式，每秒30帧的影院模式，还是每秒60帧的1080P高清模式，均可呈现专业视频品质。极高的32°主光线角度（CRA）支持低垂直 高度应用。
　　安森美半导体图像传感器部消费影像副总裁Shung Chieh说：“AR1335图像传感器是工程创意和客户导向的结晶成果。我们提升技术，加上智能设计和优化的生产工艺，为那些希望用自己的产品提供全面、丰富拍照体验的智能手机制造商带来高性价比的解决方案。”
　　总结
　　安森美半导体提供对多重终端市场的完整的一维和二维CMOS图像传感器产品，其中既有系列标准图像传感器，也有定制及专用产品。标准系列包括最高像素 2，500万、提供10位或8位精度的VITA系列，能以数百万像素分辨率提供最高500 fps帧速率的LUPA系列，提供最高1，400万像素分辨率及高图像质量的IBIS系列，以及抗辐射及提供高灵敏度的STAR系列。此外，安森美半导体为客户提供定制及专用CMOS图像传感器，帮助客户以独特产品及一流性能领先竞争对手。今后，数百万像素数码摄影及电影摄影、机器视觉、线性及二维条形码成像、工业及医疗成像、生物测定及计算及军事/航空市场将会有更多应用采用安森美半导体的图像传感器。

思比科系列CMOS图像传感器应用方案

　　近年来，拍照手机、电脑摄像头（PC-CAM）、监控等领域飞速发展，需求量日渐增长，CMOS图像传感器（CIS）作为这些应用的核心元件， 其市场需求也越来越大。CIS芯片集光电、模拟电路和数字电路于一体，其设计、生产、测试、封装以及最终应用与传统IC相比，都有其特别的地方，因此行业 门槛也相对较高。
　　北京思比科作为中国本土企业，是唯一基于自主专利技术开发成功高端CMOS图像传感器芯片并实现规模化生产的企业，近几年开发成功了一系列高品质图像传感器芯片。以下针对拍照手机，PC-CAM和监控三个领域的应用，具体介绍思比科的系列产品。
　　1．拍照手机
　 　拍照手机可以实现预览、拍照、回显、录像和回放的全部功能。从传感器应用的角度，拍照手机可以分为以下两类：第一类是 YUV型，即传感器输出标准的YUV图像数据，多媒体处理器接收后完成图像的编解码等后处理，传感器和多媒体处理器相对独立，SP80818（1/8 inch VGA）和SP82318（1/3.2 inch 2M）就是针对这种应用设计的。第二类是Raw Data型，传感器只输出原始数据，所有的图像处理和自动控制都由多媒体处理器来主导完成，SP80708（1/7 inch VGA）和SP83308（1/3 inch 3.2M）符合这种应用。以下分别介绍两种方案。
　　1．1 YUV型
　 　YUV型的方案是目前中低端拍照手机普遍采用的一种方案，主要集中在VGA，1.3M和2M的拍照手机，要求传感器输出标准的YUV数据。传感器除了完 成图像采集的功能外，还要完成图像处理和图像转换的功能。图1是SP80818和SP82318的结构框图以及YUV手机的结构图。其中传感器核 （Sensor Core）部分包含有感光阵列、曝光控制和读出电路、可变增益放大器（PGA）和模数转换器（ADC），主要完成图像采集功能。传感器核输出的原始图像数 据送到图像处理器（ISP），ISP完成一系列图像处理和图像转换功能，主要包含以下处理：灰度补偿、数字增益和白平衡、镜头阴影修正、坏点检测和修正、 彩色插值、平滑处理和轮廓增强、GAMMA校正、色彩校正、亮度、饱和度和对比度调节、图像尺寸变换、色彩空间转换、图像数据打包输出。控制模块完成自动 曝光控制，自动白平衡，50Hz/60Hz闪烁检测等功能，对传感器核和ISP进行控制，以及和多媒体处理器的通信（多媒体处理器通过串行总线接口访问传 感器内部寄存器，实现对传感器的控制。）

　　

　　图1： YUV传感器SP0818和SP2318的结构框图及应用。

　　虽然绝大多数主流的传感器设计公司都是按照以上功能来设计自己的产品，但由于设计能力和所采用的工艺性能的不同，市面上产品的性价比仍然会存在较大的差距。
　 　思比科在设计这些产品之前，已经做了大量的基础研究，从工艺，算法到电路原理都有了很多的突破，形成了以 SuperPix和SuperImage为核心的技术特点，相关专利已经达到数十件以上，SuperPix技术具体体现在高性能的像素单元（Pixel） 设计，高精度、高速度和超低功耗的CDS电路，PGA电路和ADC电路设计；SuperImage技术则主要包含一系列效果优良、实现简洁的算法，如自动 白平衡，自动曝光控制，彩色插值，平滑去噪，轮廓增强等。
　　YUV方案的优点在于照相模块的独立性和灵活性。工程师很容易完成不同的传感器和多媒体处理器之间的对接，而复杂繁琐的图像调试工作已经由照相模块的供应商完成，工程师只需要将多媒体处理器中传感器的配置参数更新就可以得到理想的图像效果。
　 　然而，随着手机市场的竞争加剧，客户对传感器的性价比要求越来越高，这种方案的缺点也越来越明显。由于传感器工艺的特殊性决定了在设计和制造过程中，不 能使用超过4层的金属连线资源，这将大大增加逻辑关系复杂的图像处理电路的面积，从而增加传感器的成本。而另一方面，为了降低成本，传感器的感光单元尺寸 越来越小，为了得到更好的图像质量，需要越来越复杂的算法对图像进行处理。基于以上原因，ISP的功能已经开始从传感器转移到多媒体处理器。对于规模庞大 的多媒体处理器来说，ISP的集成对其成本不会有明显增加，而传感器的成本则有大幅度下降。因此？Raw Data方案也越来越被关注。