關鍵詞： CMOS , 攝像 , 圖像傳感器

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。現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。

2010-11-24 14:24:05 上傳

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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。

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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)。

2010-11-24 14:24:06 上傳

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