高速CMOS圖像傳感器的各種類型及應用介紹

在廣闊的市場上，高速CMOS圖像傳感器有幾種類型，即通用用途、高端或定制的高速攝像機。這些攝像機用于科學研究，撞擊測試，高速掃描，機器視覺和軍事研究等，所有用途中都要求高幀率運動捕獲。

這些傳感器的分辨率從VGA到10M像素，某些可以達到每秒10000全幀。傳感器的架構有兩個半分，四分儀或者一個像素陣幾種。輸出可以是并行的模擬輸出，一個數字化的10位輸出或者數字化的串行LVDS輸出。每位輸出工作速率高達50M采樣/秒，則可實現5.5G像素/秒的吞吐量。迄今為止這是所報道的最高的連續像素吞吐率。圖像質量至少是10比特，故攝像機中數字化后的數據吞吐率高達55Gb/s。目標應用總是要求一個6T的快照像素，具有高靈敏度和高動態范圍。這些圖像傳感器的靈敏度主要取決于像素的大小。于是對于某些特定應用導致了非常大的像素數，從而使圖像傳感器也非常大。內部多路復用技術允許實現具有增加幀率的隨機窗口。當窗口尺寸減小到一個小型的ROI時，幀率提高到170000幀/秒。目前絕大多數傳感器采用0.25微米工藝。

高速圖像傳感的最新趨勢

如今CMOS是高速圖像傳感器首選的技術。當今市場上我們可以清楚地看到高速圖像傳感器的三個發展趨勢，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。如果圖像質量用10比特，這就意味著攝像機中總的數據率高達55Gb/s。為了在攝像機中實現如此高的速率，以及高質量的圖像以及非常高的靈敏度（通常用于高質量的圖像），重要的不僅僅只關注電路的設計，還要確保整個布線的較好平衡。這意味著必須將所需的電源線分布好，在電路布局的每個節點上，所有的寄生參數效應，電氣和光學部分都必須控制好。功率預算要求采用低功耗模塊設計，以確保能夠滿足總的功率需求。

在高速成像中的另一個不同的趨勢是在芯片上集成高速ADC，序列器，LVDS發射器以及校準算法。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，但其優點是集成度高，簡單易用?，F在市場上正在出現的第三種成像器是普通的高速成像器。舊式（簡單）的帶模擬輸出或者沒有定時功能的普通成像器正在被更快的和更復雜的圖像成像器所取代。這類成像器可以確保在較短的時間內實現普通高速攝像機的設計。

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現電路圖，這是一個所謂的6晶體管（6T）像素結構。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

所有像素同時開啟和終止光學集成的球形快門，這對于高速應用是非常重要的，它可以較好地實現運動模糊控制，使所有像素對精確地一致。該球型快門使高速運動傳感被成像器保持。

一個典型的高速捕獲序列器如圖2所示（就像一個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的集成正在進行中。這就要求確保幀率與集成時間無關。

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，負責收集圖像電荷并將該電荷轉換成電壓的光電二極管應盡可能小，以便將其寄生電容減到最小。此外，像素的填充系數，即對光傳感區域貢獻的開放區域應盡可能大。利用N阱像素專利，集合圍繞光電二極管開放的P阱，即可實現上述的小光電二極管和大填充系數兩項功能。除了高靈敏度之外，還有一個重要的是采用一個像素存儲電容器，該電容器并不貢獻任何噪聲，它將很好地屏蔽光，泄漏很小。這種像素結構在讀取過程中存儲像素信號方面效果很好。但這種結構的主要缺點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現。

一個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中，該參數其實并不夠高。用戶希望在所期望的全幀率能夠實現的條件下，設計非常復雜的攝像機。圖3所示為一幅典型的高速應用的圖像（汽車撞機試驗）。

圖3：高速成像應用：汽車撞擊試驗

這么高的速度只能通過并行的模擬輸出（多達128路輸出）來實現，這就為攝像機系統的集成提出了挑戰。這種成像器的結構相當簡單，包括被隨意劃分成象限的像素陣列中的6T像素電路，幾個并行的高速模擬總線，以及用來驅動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提高了幀率。

重影的消除

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

解決該問題的一項技術是，在每個新的信號之前對總線進行短暫的預充電。這樣就保證了有關前面像素的所有信息被洗掉。該技術要求產生短期預充電脈沖。這些脈沖用來將模擬總線短路到地。絕大多數的成像器是根據客戶產品的需求來制造的，因為目前沒有將這類超高速成像器產品變成通用產品的真正需求?？蛻舻膽梅秶鷱腣GA到10Mpixel，幀率從500fps到10，000fps，數據吞吐率高達5.5Gpix/s。圖4給出一個典型的超高速圖像傳感器架構。兩個半球被并行讀取，每個的并行模擬輸出為64路?？偟募悠饋硎?28路高速并行模擬輸出。

圖4：一個典型的超高速圖像傳感器架構

應用需求：體積小且易于設計

與之前的非常復雜的（且體積大）的、圍繞傳感器設計的攝像系統相反，市場上對小型的且易于實現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準消費類應用，如掃描、視覺系統以及全息數據存儲。下圖所示的是一個典型的全息數據存儲應用，其中就用了成像器。

圖5：全息數據存儲及其高速成像器

這些應用要求板上的圖像傳感器具有許多系統功能。這就是為什么將ADC、定時產生、圖像處理以及一些輸出電路集成到芯片上的原因。對于這類成像器，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客戶的利于簡化其高速攝像機設計的特殊功能來定制的。下圖給出了這類高速成像器的一個典型架構。這類成像器通常只有時鐘輸入，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都將在芯片內產生。

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

通用的高速圖像傳感器

市場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。其應用從機器視覺攝像到交通監控、科學試驗運動捕獲以及撞擊測試檢查。早期的這類通用高速圖像傳感器的構成只包括并行的的超高速成像器）。但最近，我們看到有許多功能在片上實現，目的是使成像器可以被用于各種不同的應用（如多斜率、欠采樣、進倉、翻頁（flipping），鏡像、增益、補償等）。

如今，正在研發能夠提供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用

有幾種不同類型的高速圖像傳感器，用來滿足當前市場上的不同需求。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據吞吐率，適用于復雜的——因此也主要是客戶定制的攝像機設計。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，這些功能有助于設計師將成像器植入他們的高速攝像機的設計中，更適用于面向客戶的應用。這些功能是根據客戶的要求實現的，故也主要用于定制設計。

最后，通用的高速圖像傳感器結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，可以用于廣泛應用的攝像機中。這類圖像傳感器如今都是商用現貨供應。市場趨勢是，板上功能的集成度、數據率、以及分辨率都將繼續提高。未來設計師的真正挑戰將是如何實現傳感器超高數據率與像LVDS和圖像處理這類的板上功能的完美結合。

圖8：高速圖像傳感器應用的一些實例