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            淺談高速cmos圖像傳感器
            發布時間:2020-02-26 16:51:15

            如今CMOS(互補金屬氧化物半導體)圖像傳感器已成為高速成像領域******,其分辨率從VGA到10M像素,在滿分辨率下幀頻某些可以達到每秒100,000fps。高速圖像傳感器目前有三個發展趨勢:超高速,片上功能集成和普通的高速成像。
            目前所公布的圖像傳感器總像素數大多為100萬,而幀頻超過了100,000fps,并且可以通過ROI功能進一步提高幀頻。為了在攝像機中實現如此高的幀率,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。

            所有像素同時開啟和終止光學集成的球形快門(全局快門)對于高速應用非常重要,這種快門實現了所有像素在同一時刻曝光,實現了運動模糊控制。

            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***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)。

            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。


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