1、 前言

近些年來(lái)，隨著CMOS技術(shù)的飛速發(fā)展，以及持續(xù)增加的應(yīng)用需求，CMOS圖像傳感器技術(shù)得以迅速發(fā)展。CMOS圖像傳感器具有高度集成化、功耗低、單一工作電壓、局部像素可編程隨機(jī)讀取等優(yōu)點(diǎn)。但隨著應(yīng)用的需要，CMOS圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍有待進(jìn)一步提高，如典型的CMOSAPS（ActivePixelSensor）圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍為65～75dB，難于滿足更寬照度范圍攝像場(chǎng)景要求。一般來(lái)說(shuō)，具有較高動(dòng)態(tài)范圍的傳感器可以探測(cè)更寬的場(chǎng)景照度范圍，從而可以產(chǎn)生更多細(xì)節(jié)的圖像，可以說(shuō)，動(dòng)態(tài)范圍在一定意義上，決定著CMOS圖像傳感器的質(zhì)量。CMOSAPS圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)展可采用各種方法，其中多次曝光技術(shù)是一種較為有效的方法，其在獲得高動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)，有較高的信噪比SNR。采用多次曝光方法，一幅場(chǎng)景以不同的曝光時(shí)間被攝像幾次，所捕獲圖像用于組合成更高動(dòng)態(tài)范圍的圖像，曝光次數(shù)愈多，信號(hào)變化范圍愈均勻，但多于兩次的曝光，一般需要在片上或片外存儲(chǔ)器支持，信號(hào)處理復(fù)雜，使傳感器的幀頻受到限制，如果在像素內(nèi)應(yīng)用兩次曝光采樣存儲(chǔ)的方法，可在擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍基礎(chǔ)上，適合于高速應(yīng)用場(chǎng)合。

2 、像素級(jí)采樣存儲(chǔ)技術(shù)的工作原理

為了擴(kuò)展CMOS圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，可應(yīng)用兩次曝光方法，即一幅場(chǎng)景用長(zhǎng)積分時(shí)間曝光和短積分時(shí)間曝光攝像兩次，兩幅圖像組合成一幅高動(dòng)態(tài)范圍的圖像。從理論上說(shuō)，短的積分時(shí)間圖像捕獲了場(chǎng)景高照度區(qū)域，長(zhǎng)積分時(shí)間圖像在足夠的積分時(shí)間后，捕獲了場(chǎng)景低照度區(qū)域，若短曝光時(shí)間為Tint2和長(zhǎng)曝光時(shí)間為Tint1，則傳感器的動(dòng)態(tài)范圍增強(qiáng)因子DRF為：

其中，qmax是傳感器的最大阱容，a=Tint1/Tint2，id是暗電流。可見，當(dāng)暗電流較小時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍增強(qiáng)因子為a，同時(shí)理論分析表明雙采樣技術(shù)也可獲得較高信噪比SNR。在CMOSAPS圖像傳感器中，采用傳統(tǒng)的PD（PhotoDiode）APS像素結(jié)構(gòu)，應(yīng)用兩次曝光方法，采用兩個(gè)并行列信號(hào)處理路徑實(shí)現(xiàn)雙采樣，可以同時(shí)讀出兩幅圖像，雖然可獲得寬動(dòng)態(tài)范圍的圖像，但圖像組合處理在片外執(zhí)行，使得圖像的實(shí)時(shí)處理速度受到一定的限制，難于滿足高速應(yīng)用場(chǎng)合的要求。

為了能夠在擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍同時(shí)，且適合于高速應(yīng)用場(chǎng)合，一種可行的方法是應(yīng)用像素級(jí)采樣存儲(chǔ)技術(shù)，將曝光采樣及圖像組合處理在像素內(nèi)實(shí)現(xiàn)，這樣可有效提高圖像的實(shí)時(shí)處理速度。為此，人們對(duì)像素級(jí)的采樣存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究，幾種可能的像素單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1（a）中，采樣保持電路中只采用MOS開關(guān)，這種結(jié)構(gòu)雖然可獲得較小的面積，但讀出數(shù)據(jù)時(shí)，與CMOSPPS（PassivePixelSensor）像素結(jié)構(gòu)類似，容易受噪聲的干擾，因而SNR較差，并且讀取一次數(shù)據(jù)后，像素內(nèi)存儲(chǔ)器C1上數(shù)據(jù)信息被毀壞，而實(shí)際應(yīng)用中往往希望能夠?qū)ο袼財(cái)?shù)據(jù)多次讀取，這需要存儲(chǔ)電容上的電壓值在讀取期間保持不變，因此這種結(jié)構(gòu)難于獲得可接受的效果。

圖1像素級(jí)的采樣存儲(chǔ)技術(shù)：（a）只用MOS開關(guān);（b）采用單級(jí)緩沖器;（c）采用兩級(jí)緩沖器

為了改善讀出噪聲，并且適合于多次讀取的應(yīng)用，可在存儲(chǔ)電容C1和讀出選通開關(guān)之間增加緩沖器A2，如圖1（b）所示，緩沖器一般采用簡(jiǎn)單的源極跟隨器配置結(jié)構(gòu)，和典型的CMOSAPS像素結(jié)構(gòu)相似，這可以有效改善像素的性能，但增加了像素面積。所報(bào)道的應(yīng)用像素存儲(chǔ)技術(shù)的CMOS圖像傳感器大多采用了這種結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，在對(duì)光敏二極管上像素信息采樣期間，二極管中光生電荷與存儲(chǔ)電容C1共享，當(dāng)采樣開關(guān)打開時(shí)，由于MOS開關(guān)的非理想特性，導(dǎo)致電荷注入效應(yīng)，引起采樣誤差，為了減小這種效應(yīng)，在像素設(shè)計(jì)時(shí)，需要使光電二極管電容與存儲(chǔ)電容的比值最佳化，通常使兩者近似相等。為了提高光生電荷的收集效率，改善SNR，一般光敏二極管有較大的電容，這使得存儲(chǔ)電容也應(yīng)當(dāng)具有差不多同樣的量值，而源極跟隨器A2柵極節(jié)點(diǎn)處的寄生電容相對(duì)較小，難于滿足存儲(chǔ)電容的需要，所以通常采用CMOS工藝中可行的具有良好性能的MOS電容來(lái)增加存儲(chǔ)電容，由于版圖設(shè)計(jì)規(guī)則的要求，使像素面積有較大的增加。

為了實(shí)現(xiàn)像素級(jí)的雙采樣和圖像組合處理，可采用圖1（b）類似的像素結(jié)構(gòu)，首先進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間積分曝光，采樣時(shí)，長(zhǎng)積分時(shí)間的光生電荷在光敏二極管電容與存儲(chǔ)電容間共享，然后進(jìn)行短積分時(shí)間曝光，使長(zhǎng)短兩次積分時(shí)間曝光的光生電荷在光敏二極管內(nèi)直接組合，從而獲得動(dòng)態(tài)范圍的改善。在這種像素結(jié)構(gòu)中曝光模式采用了傳統(tǒng)的滾動(dòng)曝光，而在一些工業(yè)和科學(xué)應(yīng)用中，常需要對(duì)快速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)或脈沖光照攝像，若采用滾動(dòng)曝光模式將導(dǎo)致嚴(yán)重的運(yùn)動(dòng)失真，此時(shí)應(yīng)采用具有同步曝光模式，即所有像素同時(shí)積分曝光，隨后將信號(hào)電荷存儲(chǔ)到像素內(nèi)的采樣保持電容，一直到讀出。如果使這種結(jié)構(gòu)像素工作于同步曝光模式，由于圖像直接組合處理在光敏二極管內(nèi)進(jìn)行，若在像素?cái)?shù)據(jù)讀出的同時(shí)進(jìn)行曝光采樣將毀壞當(dāng)前幀的數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)的讀出和曝光不能同時(shí)進(jìn)行，這將極大限制了傳感器的數(shù)據(jù)處理速度。因此，這種像素雙采樣方法雖然可以獲得動(dòng)態(tài)范圍的改善，但是難于應(yīng)用于需要同步曝光的高速應(yīng)用。

可見要適合于同步曝光的高速應(yīng)用，雙采樣圖像的組合處理不能在光敏二極管內(nèi)直接進(jìn)行，而只能在像素內(nèi)的存儲(chǔ)器內(nèi)進(jìn)行，一種方法是在圖1（b）結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上在像素內(nèi)增加另一路采樣保持電路，如文獻(xiàn)［14］提出的可以直接幀差讀出的像素結(jié)構(gòu)。但是，在這種像素結(jié)構(gòu)中，需要兩個(gè)較大的存儲(chǔ)電容，使像素面積較大，這對(duì)于巨大像素陣列傳感器將是難于接受的。為了能夠減小存儲(chǔ)電容所占面積，可采用圖1（c）所示的結(jié)構(gòu)，在光敏二極管和存儲(chǔ)電容間增加一級(jí)緩沖器A1，這樣在良好SNR和允許多次讀取的基礎(chǔ)上，如果存儲(chǔ)能力能夠滿足應(yīng)用需求，則可以采用較小的存儲(chǔ)電容。一般，電容的存儲(chǔ)能力與漏電流導(dǎo)致的電容漏電和光導(dǎo)致電容的放電有關(guān)，隨著CMOS工藝技術(shù)的不斷改善、有效光掩蔽方法應(yīng)用及其它工藝技術(shù)如將PD置于阱中、采用保護(hù)環(huán)隔離PD等，使電容的存儲(chǔ)能力得到了極大改善，使得源隨器柵節(jié)點(diǎn)處較小寄生電容可以滿足存儲(chǔ)電容的需要。這樣雖然在像素內(nèi)增加了一級(jí)緩沖器，但不再需要面積較大的額外MOS電容，從而可能使像素面積減少。

3 、像素級(jí)雙采樣存儲(chǔ)技術(shù)

一種具有雙采樣存儲(chǔ)功能的像素結(jié)構(gòu)如圖2所示，和直接幀差輸出的像素結(jié)構(gòu)相類似，為了能夠在像素級(jí)實(shí)現(xiàn)雙采樣存儲(chǔ)和圖像的直接組合處理，并且適合于同步曝光的高速應(yīng)用，采用了兩路采樣保持電路，采樣保持電路由采樣開關(guān)和保持節(jié)點(diǎn)組成，采樣開關(guān)作為電子曝光器控制曝光時(shí)間。但不同的是在信號(hào)采樣讀出均采用了緩沖器，如前所述，這使得不再需要兩個(gè)額外的MOS存儲(chǔ)電容，圖2中所示存儲(chǔ)電容表示源極跟隨器柵極節(jié)點(diǎn)處的總寄生電容，這樣有效地減少了像素面積，可以應(yīng)用于巨大像素陣列情況。

圖2雙采樣存儲(chǔ)的像素結(jié)構(gòu)

一般在像素設(shè)計(jì)中，所有晶體管應(yīng)盡量采用相同的類型，以避免像素版圖中設(shè)計(jì)規(guī)則所要求的巨大阱間距。然而當(dāng)電源電壓較低時(shí)，信號(hào)的擺幅將成為主要的考慮。如復(fù)位（Reset）采用NMOS晶體管，光電二極管僅能復(fù)位到VDD-VT（VT為閾值電壓），限制了傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，并且隨著CMOS技術(shù)的發(fā)展，特征尺寸越來(lái)越小，VDD-VT下降很快，對(duì)動(dòng)態(tài)范圍影響更加顯著。另一方面，隨著深亞微米CMOS技術(shù)在CMOS圖像傳感器中的廣泛采用，為在像素級(jí)采用性能更有效的功能單元提供了設(shè)計(jì)空間，因而在像素結(jié)構(gòu)中復(fù)位晶體管和曝光晶體管均采用了PMOS晶體管，這不僅避免了閾值電壓降的損失，改善了動(dòng)態(tài)范圍，并且可使光敏二極管完全復(fù)位，從而消除圖像拖尾現(xiàn)象，這對(duì)于高速應(yīng)用非常重要。這種像素結(jié)構(gòu)中一個(gè)潛在的問(wèn)題是信號(hào)采樣級(jí)緩沖器的功耗問(wèn)題，由于保持節(jié)點(diǎn)電容較小，因而可以使該級(jí)緩沖器偏置電流盡可能小，為了進(jìn)一步減小功耗，應(yīng)使其只有在采樣S1和S2信號(hào)有效時(shí)激活，這樣進(jìn)一步減小了功耗。

傳感器工作于同步曝光模式時(shí)，像素工作時(shí)序如圖3所示。Reset、S1和S2是全局信號(hào)，在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)積分時(shí)間Tint1曝光后，S1脈沖選通，將當(dāng)前幀像素陣列中光敏二極管PD所產(chǎn)生的信號(hào)第一次采樣到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，隨后Reset對(duì)全局像素復(fù)位;再經(jīng)短積分時(shí)間Tint2曝光后，S2脈沖選通，將光敏二極管產(chǎn)生信號(hào)二次采樣到另一存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，之后，各行的選通信號(hào)SEL依次將像素中存儲(chǔ)的兩次采樣信號(hào)差分組合輸入到列放大電路讀出處理，可見在像素級(jí)實(shí)現(xiàn)了兩次曝光采樣存儲(chǔ)及圖像組合處理。在當(dāng)前幀像素?cái)?shù)據(jù)讀出處理的同時(shí)，開始對(duì)下一幀圖像的長(zhǎng)積分時(shí)間曝光，在當(dāng)前幀像素內(nèi)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)完全讀出后，即可進(jìn)行下一幀的長(zhǎng)積分時(shí)間采樣存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)的讀出和曝光可以同時(shí)進(jìn)行，因而可獲得高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。當(dāng)然，傳感器也可工作于滾動(dòng)曝光模式，像素工作時(shí)序和圖3所示類似，但Reset、S1和S2不再是全局信號(hào)，在當(dāng)前行數(shù)據(jù)讀出的同時(shí)，可對(duì)下一行像素進(jìn)行曝光采樣操作，也可獲得較高速度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。此外，當(dāng)兩次曝光時(shí)間相等時(shí)，可很容易實(shí)現(xiàn)可用于運(yùn)動(dòng)探測(cè)的直接幀差讀出模式。

圖3像素級(jí)兩次曝光采樣存儲(chǔ)同步曝光時(shí)序

光敏二極管在積分曝光期間放電，其上電壓可表示為：

其中，ipd、idc分別是光敏二極管的光電流和暗電流，Cpd是光敏二極管電容，pd=20fF，Tint1=5ms，Tint2=64μs時(shí)，忽略暗電流的影響，雙采樣存儲(chǔ)的模擬結(jié)果如圖4所示，圖中曝光的最大入射光強(qiáng)1相應(yīng)于約105fA光電流。圖4（a）中，第一次長(zhǎng)時(shí)間積分曝光，信號(hào)輸出隨著入射光強(qiáng)度的增加而線性增加，在強(qiáng)光照時(shí)信號(hào)輸出達(dá)到飽和不再增加;第二次短時(shí)間積分曝光，光照較弱時(shí)，信號(hào)輸出近似為零，隨著光照的增強(qiáng)，信號(hào)輸出緩慢增加，強(qiáng)光照射，信號(hào)輸出增加顯著;圖4（b）中，雙采樣信號(hào)差分輸出，由兩次曝光的信號(hào)組合而成，場(chǎng)景較低照度區(qū)域主要由第一次長(zhǎng)積分時(shí)間的曝光采樣決定，場(chǎng)景較高照度區(qū)域主要由第二次短積分時(shí)間曝光采樣決定。CMOS圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍一般依賴于其可分辨的最小信號(hào)及可測(cè)量的最大信號(hào)，顯然雙采樣組合輸出擴(kuò)展了傳感器可測(cè)量的最大光強(qiáng)信號(hào)，從而增加了動(dòng)態(tài)范圍。

圖4 雙采樣存儲(chǔ)的模擬：（a）兩次曝光采樣;（b）雙采樣組合

另外，雙采樣組合讀出采用了差分讀出模式，在一定程度上也減小了伴隨著信號(hào)的暗電流，從而進(jìn)一步改善了動(dòng)態(tài)范圍。應(yīng)注意到，雙采樣差分讀出減小了最大飽和信號(hào)的幅度，并且在Tint1遠(yuǎn)大于Tint2時(shí)，像素雙采樣差分信號(hào)輸出近似于對(duì)圖像場(chǎng)景較高照度區(qū)域的幅度信息作灰度反轉(zhuǎn)處理。像素工作的Spectres模擬結(jié)果如圖5所示，其中PR是復(fù)位信號(hào)，Vpd1是被采樣的光敏信號(hào)，可見較好實(shí)現(xiàn)了雙采樣存儲(chǔ)、差分讀出功能。

圖5像素的雙采樣存儲(chǔ)、差分讀出

4 、結(jié)束語(yǔ)

CMOS圖像傳感的動(dòng)態(tài)范圍對(duì)俘獲的圖像質(zhì)量有著重要意義，多次曝光技術(shù)是擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的有效方法之一，但多于兩次的曝光，信號(hào)處理復(fù)雜，傳感器的幀頻受到限制，而像素級(jí)雙采樣存儲(chǔ)技術(shù)將兩次曝光采樣及圖像組合處理在像素內(nèi)實(shí)現(xiàn)，在擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的基礎(chǔ)上，可有效提高圖像的實(shí)時(shí)處理速度。具有兩級(jí)緩沖的雙采樣存儲(chǔ)的像素結(jié)構(gòu)，在改善動(dòng)態(tài)范圍的基礎(chǔ)上，不僅可以工作于高速同步曝光模式，也可工作于滾動(dòng)曝光模式。