高速CMOS图像传感器及发展趋势

关键词： CMOS , 发展趋势 , 图像传感器

传感器架构可由两分式、四分式或一个像素阵列组成。输出可为并行模拟输出， 或一个10位数字输出或数字串行 LVDS输出。每个输出可高达每秒5,000万次的采样速度，这样就能实现每秒55亿像素的吞吐量。迄今为止，该图像传感器是具有最高连续像素吞吐量的一款。图像质量至少达到10位精度，因此摄像头数字化之后，数据吞吐量可为每秒55Gbit。这样高速的应用通常需要6个电晶体快照像素，且需要较高的灵敏度和动态范围。图像传感器的灵敏度很大程度上取决于像素尺寸，而大的像素尺寸就需要大面积特定应用的定制图像传感器。内部多路复用技术可支持更高帧速率的随机窗口。如果将窗口大小缩至较小的ROI(圈选目标区域)，那么最快速度器件的帧速率可达每秒170,000帧。大多数传感器都采用0.25工艺。

目前， CMOS是高速成像所青睐的技术。在当前市场中，我们可以发现高速图像传感器有三大发展趋势，一是向极高速方向发展，二是向片上特性集成方向发展，三是向通用高速图像传感器方向发展。

分辨率和帧速率相结合，发挥着重要的作用。目前，我们可以推出1024×1024像素的图像传感器，工作速度达到每秒5,000个全帧。如果模数转换为10位的话，那么这就是说摄像头上的总数据速率可达每秒55Gbit。为了实现传感器上极高的数据速率和高图像质量，尤其是对这种高敏感度的应用而言，我们不仅要设计出正确的电子线路，还要确保整个线路布局实现良好的平衡性。这就是说，电源线路应实现极佳的分布，而且布局中每个线路节点的所有光学和杂散光灵敏反应都应得到很好的控制。并需要采用低功耗模块设计，以确保满足整体功耗要求。

高速成像领域还有另一种趋势，就是把高速 ADC、时序发生器、LVDS发射器和校正算法的片上集成趋势。这种图像传感器通常在速度和灵敏度方面不如上述图像传感器，但在易用性和系统集成功能方面颇有长处。目前市场上新兴的第三种图像传感器就是通用高速图像传感器。具有模拟输出或不具有时序发生器功能的老式(简单式)通用图像传感器正在被速度更快、更复杂的图像传感器所取代。这种新型图像传感器使我们能在较短时间内就设计出通用高速摄像头。  

6晶体管像素

赛普拉斯推出的大多数高速图像传感器使用了所谓的6晶体管(6T)像素。这种图像传感器有一点非常重要，就是其管线化全局快门特性。就全局快门而言，所有像素都同时启动和终止光集成，这对高速应用控制所有像素的运动影像模糊非常重要。全局快门技术使图像传感器能固定高速运动场景。下图给出了典型的高速捕获顺序(小弹头击中火柴棍)。管线特性确保像素阵列在读取期间就能进行下一帧像素中的光集成工作，这样才能确保帧速率不受集成时间的影响。  

典型的高速捕获顺序。

为了实现尽可能高的敏感度，采集光电荷并将其转换为电压的光电二极管应设计得尽可能小型化，以尽可能减少光电二极管的寄生电容。此外，像素填充因数(像素开放区域与光敏区域之比)应尽可能大。我们可采用N-well像素专利技术，再配合光电二极管周边的P-well开口，就能实现光电二极管小型化和较大的填充因数。除了高敏感度之外，我们还应使像素存储电容，与光实现良好的屏蔽并且减少泄漏, 确保它不会造成任何噪声。该像素架构在像素读数期间的信号存储方面实现了良好的性能。但这种像素架构尚缺乏像素的固定图案噪声校正功能，该功能必须在图像传感器以外的系统上完成。

更快的速度

图像传感器的速度是指精度和帧速率的乘积，反映出传感器的像素速率。在非常高端的高速成像市场中，人们对速度的需求是没有止境的。在高端市场中，客户希望通过高级摄像头实现极高的全帧速率，比如汽车碰撞检测。

只有采用并行模拟输出才能实现这样极高的速度，但并行模拟输出(最多128个输出)也会对摄像头系统的集成提出挑战。这种类型的图像传感器架构比较简单：包括一个可被分为若干像限的6T像素阵列，几个并行高速模拟总线以及用于驱动输出的并行输出放大器。

6T晶体管可以实现非常高的速度。

上述芯片没有采用ADC、时序发生器或其他片上图像处理技术。整个芯片上的模拟总线确保所有并行输出都能使用，而不管读取图像大小的宽度到底是多少。这就能在读取部分图像时加快帧速率。该款极高速图像传感器也存在一个重要问题，就是x方向上的重影现象，这是由于整个芯片上模拟总线相对较大的RC常量造成的。由于总线上的信号稳定到10位精度之内需要一定的时间，因此前一个像素的一部分信息在当前像素上还存在。在图像中，这就会导致x方向上的重影。这种重影在图像后处理阶段难以纠正。我们专为这种图像传感器开发了一种特殊技术，在每个新信号之前以很短时间对总线进行预充电，这就会消除所有此前像素的信息。该技术要求生成较短的预充脉冲，用以将模拟总线短路到接地上。大多数这样的图像传感器都是根据客户要求推出的定制产品。

目前此类极高速图像传感器基本不会作为通用产品出现。多年来，赛普拉斯已经为市场中几家顶尖的高速摄像头制造商推出了几款极高速图像传感器，分辨率涵盖VGA级到1,000万像素的范围，而速度则支持每秒500帧到10,000帧。近年来，速度和灵敏度不断提高，现在最快的产品的数据吞吐量达到每秒5.5G像素。在典型的极高速图像传感器架构中，并行读出图的两部分，每一部分都提供64个并行模拟输出，这样我们可以得到128个高速并行模拟输出。

更多应用

与上面围绕传感器构建的(大型)极复杂摄像系统相矛盾的是，市场对小型化高速图像传感器的需求越来越多，并希望提高其易用性。高速图像传感器已开始在扫描仪、视觉系统和全息数据存储等类似消费类电子产品应用中出现。

上述应用需要图像传感器在板上集成许多系统功能。因此，ADC、时序发生器、图像处理和其他输出级都集成在芯片上。对这种图像传感器来说，板上功能集成与灵敏度和速度一样重要。大多数这种图像传感器都是根据客户需要定制推出的，以提供给定的特性，这些特性有助于简化定制高速摄像头的设计工作。此类高速图像传感器通常只有一个时钟输入，为数不多的电源和一些同步引脚。图像传感器读取和曝光的所有其他信号都在片上生成。

通用高速图像传感器

我们在市场中看到的第三种类型的高速图像传感器(去年就已经推出)就是通用高速图像传感器，其应用范围包括机器视觉摄像头、交通监控、科学运动捕获以及碰撞检测等。最早推出的通用高速图像传感器仅包括并行模拟输出，不提供板上逻辑(很像现在的极高速图像传感器)。不过现在，芯片本身已经集成了许多特性，使图像传感器能适用于多种不同的应用(多坡度曝光、次采样、分级、镜像、增益、偏移等)。赛普拉斯目前提供多种高速全局快门图像传感器，规格从VGA、250帧每秒(LUPA300)到1.3M像素、1000帧每秒(正在开发)不等。所有这些图像传感器都支持管线快照功能和多坡度曝光功能。不同传感器的板级特性是有差异的。

结论

本文概括介绍了几种不同类型的高速图像传感器，分别对应于当前不同的市场需求。我们将市场中的产品分为三类：

极高速成像：纯模拟的图像传感器，帧速率极高，数据吞吐量也极大 —＞ 复杂的摄像头设计 —＞ 主要用于定制设计。  

具有板级特性的高速成像：这种图像传感器具有很多特定的板级特性，有助于开展图像传感器的内部设计，满足类似消费类电子应用中的高速摄像头需求。有关特性是根据客户需要提供的，主要为定制设计。  

通用高速图像传感器：这种图像传感器将上述图像传感器最常见的特性与通用图像传感器相结合，可适合多种应用的摄像头需要。  

市场发展趋势证明，板级特性、数据速率和精度方面的要求还将不断上升。真正的挑战在于，如何将数据速率极高的图像传感器与LVDS和图像处理等众多板级特性实现有效结合。