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    浅谈高速cmos图像传感器
    发布时间:2020-02-26 16:51:15

    如今CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器已成为高速成像领域******,其分辨率从VGA到10M像素,在满分辨率下帧频某些可以达到每秒100,000fps。高速图像传感器目前有三个发展趋势:超高速,片上功能集成和普通的高速成像。
    目前所公布的图像传感器总像素数大多为100万,而帧频超过了100,000fps,并且可以通过ROI功能进一步提高帧频。为了在摄像机中实现如此高的帧率,重要的不仅仅只关注电路的设计,还要确保整个布线的较好平衡。这意味着必须将所需的电源线分布好,在电路布局的每个节点上,所有的寄生参数效应,电气和光学部分都必须控制好。功率预算要求采用低功耗模块设计,以确保能够满足总的功率需求。
    在高速成像中的另一个不同的趋势是在芯片上集成高速ADC,序列器,LVDS发射器以及校准算法。这些成像器在速度和灵敏度方面通常逊色于上述的成像器,但其优点是集成度高,简单易用。现在市场上正在出现的第三种成像器是普通的高速成像器。旧式(简单)的带模拟输出或者没有定时功能的普通成像器正在被更快的和更复杂的图像成像器所取代。这类成像器可以确保在较短的时间内实现普通高速摄像机的设计。

    所有像素同时开启和终止光学集成的球形快门(全局快门)对于高速应用非常重要,这种快门实现了所有像素在同一时刻曝光,实现了运动模糊控制。

    为了获取可能更高的灵敏度,负责收集图像电荷并将该电荷转换成电压的光电二极管应尽可能小,以便将其寄生电容减到***小。此外,像素的填充系数,即对光传感区域贡献的开放区域应尽可能大。利用N阱像素专利,集合围绕光电二极管开放的P阱,即可实现上述的小光电二极管和大填充系数两项功能。除了高灵敏度之外,还有一个重要的是采用一个像素存储电容器,该电容器并不贡献任何噪声,它将很好地屏蔽光,泄漏很小。这种像素结构在读取过程中存储像素信号方面效果很好。但这种结构的主要缺点是在像素中没有固定的图形噪声校正,故必须在图像传感器外部来实现。
    一个图像传感器的速率是分辨率和帧率的乘积,这决定了传感器的像素率。在超高端的高速成像市场中,该参数其实并不够高。用户希望在所期望的全帧率能够实现的条件下,设计非常复杂的摄像机。图3所示为一幅典型的高速应用的图像(汽车撞机试验)。

    高的速度只能通过并行的模拟输出(多达128路输出)来实现,这就为摄像机系统的集成提出了挑战。这种成像器的结构相当简单,包括被随意划分成象限的像素阵列中的6T像素电路,几个并行的高速模拟总线,以及用来驱动输出的一些并行的输出放大器。
    在这类芯片上,没有ADC,序列器和其他片上图像处理。芯片宽度的模拟总线确保所有的并行输出可以被使用,而不管被读取的x方向上的半帧图像的大小。这在读取半帧图像时提高了帧率。
    重影的消除
    超高速图像传感器中的一个重要问题是x方向上的重影。这是由片宽模拟总线的相对较大的RC常数所引起的。对于总线上的信号,由于处理10比特的精度所用的时间较长,故上一个像素的部分信息可能滞留到当前像素上。这就在图像中导致了的x方向上的重影。这种重影在后续的图像处理中很难校正。
    解决该问题的一项技术是在每个新的信号之前对总线进行短暂的预充电,这样就保证了有关前面像素的所有信息被洗掉。该技术要求产生短期预充电脉冲。这些脉冲用来将模拟总线短路到地。绝大多数的成像器是根据客户产品的需求来制造的,因为目前没有将这类超高速成像器产品变成通用产品的真正需求。客户的应用范围从VGA到10Mpixel,帧率从500fps到10,000fps,数据吞吐率高达5.5Gpix/s。图4给出一个典型的超高速图像传感器架构。两个半球被并行读取,每个的并行模拟输出为64路。总的加起来是128路高速并行模拟输出。