工程師譚軍 發表於 2018-07-05 10:01:32
CMOS 圖像傳感器與 CCD 圖像傳感器都是將光信號轉換成電信號的半導體器件，但由於 CMOS 圖像傳感器造價更低、功耗也更低，在現代生活中，CMOS 圖像傳感器逐漸取代了 CCD 圖像傳感器，得到了大量的應用，如工業相機、民用相機、手機、監控攝像頭等設備。
然而，通常 CMOS 像素陣列各區域成像不均一，或者說對光的敏感度有差異，會影響 CMOS圖像傳感器的出圖質量，這是不可忽略的問題。CMOS 圖像傳感器的基本框架如圖 1 所示，除像素陣列外還有控制像素陣列的其餘電路，其中任何一處的不一致都將導致圖片成像的不一致。一方面，在相同的工藝條件下，因元器件所處的批次、位置不同，CMOS 像素陣列各區域的成像情況會有差異；另一方面，各像素在光信號的激勵下經由不同的電路路徑輸出圖像信號，而經由不同的電路路徑也會帶來不同的信號量損失，即使每一像素都得到了相同量的光信號，不同的電路路徑也會使各像素輸出的電信號之間具有明顯差異。
因此，業界期望獲得一種 CMOS 像素陣列校正系統，其能一定程度上克服元器件差異及各像素經由不同的電路路徑輸出數位訊號而帶來的差異，使CMOS 像素陣列各區域對光的敏感度接近、成像的均一性良好。
在 CMOS 圖像傳感器中，成像不一致主要是由像素陣列的差異和讀出電路的差異二者共同造成。而像素陣列的不一致性和讀出電路的不一致性，在分析過程中都可以歸結於噪聲。
其中，像素陣列的噪聲主要是暗電流噪聲，而讀出電路噪聲主要是閃爍噪聲、散粒噪聲、熱噪聲以及失配噪聲，這些噪聲都會影響 CMOS 圖像傳感器的結果。由於噪聲在時間和位置上呈現不一致性，最終導致 CMOS 圖像傳感器成像的不一致即圖像的失真。
下面對像素陣列和電路的噪聲進行分析。
2.1 像素陣列不一致性
CMOS 圖像傳感器的核心器件是光電二極體，對於二極體來說，其本質是 PN 結中載流子運動形成電荷，在 PN 結穩定的情況下 PN 結的擴散電流和內建電場平衡，PN 結對外不顯示電流。但對於圖像傳感器器件，PN 結器件表面會存在一定的缺陷或者雜質，缺陷和雜質會形成新的複合中心，從而會破壞原有的 PN 結的平衡，吸引電子或者空穴移動，PN 結對外顯示電流[6]。這樣的電流與是否有光照無關，即在無光條件下也會存在，因此稱為暗電流。暗電流是由圖像傳感器器件本身的結構產生的，因此是一直存在的。但這種暗電流的存在會對收集到的圖像信號產生幹擾，導致圖像質量降低。
在實際像素結構中，一般有個開關管控制光電二極體轉化的電信號的傳輸，圖 2 給出了像素結構開關管附近的結構示意圖，圖 2(a) 為俯視圖，圖 2(b) 為剖面圖。其中，TG 表示開關管，FD 是懸浮擴散區。懸浮擴散區是用來存儲二極體產生的電荷，最早是在 2003 年由 Krymski 等提出。但是懸浮擴散區會導致 PN 結產生較大節點電流，引入額外的暗電流，為了消除懸浮擴散區帶來的影響，通常在器件表面增加一個另外存儲電荷的節點。
2011 年 10 月，Harvest 實驗室給出了像素陣列的暗電流分布（如圖 3 所示），圖中顏色的參考值是電流強度。圖是在無光條件下拍攝，圖中顏色的差異象徵暗電流強弱，可以看到顏色分布深淺分布不均，這就意味著在整個像素陣列上暗電流分布不一致。
2.2 電路不一致性
在 CMOS 工藝中，電路中的噪聲主要是熱噪聲、散粒噪聲和閃爍噪聲。其中熱噪聲主要是由導體中的載流子的布朗運動引起的，由於電子自由運動受溫度影響較大，因此熱噪聲也會隨著溫度的變化而發生改變。
熱噪聲大小也與頻率有關，其大小通常用功率譜密度來衡量。散粒噪聲是由於載流子跨越勢壘的時間的不一致導致器件中產生了一些脈衝電流，由於載流子運動是不規則運動，因此散粒噪聲也是一種白噪聲。
閃爍噪聲與電子器件的表面特性有關，其功率譜密度與頻率成反比關係，因此又可稱為 1/f 噪聲。
由於 MOS 管的晶體中的缺陷和雜質的影響，MOS 管的柵氧化層和襯底的界面包含許多額外的能態的「懸掛鍵」，當載流子經過該界面時會被「懸掛鍵」隨機俘獲或者釋放，這樣的俘獲或者釋放帶來載流子運動形成了一定的漏電流，最終導致了 MOS 管中的閃爍噪聲。
這三種噪聲會導致電路在同樣的輸入的情況下輸出信號不完全相同，也就是同樣的像素信號經過電路讀出時會存在信號大小的差異。
除了電路器件本身的噪聲以外，由於工藝的失配會導致不同器件的匹配不完全一致，也會帶來一定的失配噪聲，該噪聲是器件的固有模式噪聲（Fixed Patton Noise，FPN）。這種由於工藝失配帶來的固有模式噪聲主要包括像素陣列的失配噪聲和像素陣列的行方向電路的失配噪聲，體現在圖片上就是行列條紋。工藝的失配，主要影響的是不同像素驅動電路的 MOS 管的參數性能，比如閾值電壓、MOS 管的寄生電容，進一步會影響其飽和電流和跨導，從而導致不同 MOS 管對不同的像素帶來的寄生和噪聲的影響不同，導致最終圖像質量的失真。但工藝的失真通常可以通過相關雙採樣得到消除。
針對像素陣列和電路噪聲帶來的圖像不一致，本文提出了一種像素基於陣列的校準系統。校準系統主要包括 6 個部分（如圖 4 所示），分別是電壓生成模塊、校準像素、待校正像素、行控制驅動模塊、模數轉換模塊和數字校準模塊。
校準像素和待校正像素一起構成整個像素陣列，其中像素陣列中包括至少一行校準像素和多行待校正像素，校準像素和待校正像素以矩陣形式設置。電壓生成模塊將外部輸入的基準數位訊號轉化為基準電壓信號，校準像素根據基準電壓信號得到校準像素輸出電壓，行控制驅動模塊控制選中的行的像素信號進入模數轉換模塊，而未選中的行的數據不進入模數轉換模塊。
一行模數轉換模塊與一行校準像素、待校正像素一一對應。校準像素的輸入為電壓模塊輸出的基準電壓信號，輸出為基準電壓信號對應的校準像素電壓信號，待校正像素將光電二極體轉化得到的電信號輸出得到對應的待校正像素電壓信號。校準像素和待校正像素都會經過模數轉化模塊和數字校準模塊，但校準像素為數字校準模塊提供校準誤差值，而待校正像素輸出的數位訊號被數字校準模塊校準過後得到最終的數位訊號。
同一列的數據校準工作流程如圖 5 所示。
計基準數位訊號為 Dref，則 Dref 經過電壓生成模塊得到對應的基準電壓信號 Vref，Vref 經過校準像素，輸出電壓信號 V1，V1 經過模數轉換模塊，得到 V1 對應的數位訊號 D1。由於校準像素輸出電路以及模數轉換模塊的噪聲，D1 與 Dref 可能不等，數字校準模塊根據 D1 和 Dref 得到差值 ΔD。
待校正像素經過曝光階段，將接收的光信號轉化為電信號，像素輸出電壓信號記為 V2，V2 經過模數轉換模塊得到對應的數位訊號 D2。由於同一列上的校準像素和待校正像素，經過的模數轉換模塊相同，因此模數轉換電路的噪聲帶來的誤差相同，因此可以用校準像素的誤差 ΔD 來校準待校正像素。ΔD 和 D2 在數字校準模塊中被校準得到校正過後的數位訊號 Dout。
對於同一列的其他待校正像素，校準數值均相同，都是對應的列的校準像素的基準數位訊號與數模轉換模塊輸出的數位訊號的差值。對於不同列的待校正像素的校準數值為對應列的校準像素的校準差值。
本文的設計基於 HL 55 nm 工藝實現，將 CMOS 圖像傳感器放在測試平臺進行測試，採用 FPGA 完成數據採集與輸出，通過採集板進行圖像信息的採集和處理，最終圖像數據顯示在 PC 上。
在 25 ℃下，打開 5 倍增益，曝光 4 ms 的情況下拍攝圖片，在打開校準系統前後的出圖結果如圖 6 所示。
圖 6(a) 為校正系統不工作時的圖像傳感器出圖，圖 6(b) 為校正系統工作時的圖像傳感器出圖。從圖 6(a)、圖 6(b) 對比可知，在校準前，由於暗電流以及電路噪聲的存在，電路圖像整體亮度過大，圖像細節損失，導致圖像不一致；在校準後，圖片數據得到了還原，圖像細節恢復，圖像動態範圍增大。
由於暗電流和噪聲與溫度有關，因此導致圖像不一致與溫度有關。在 4 ms 的曝光情況下測試不同溫度的校準系統工作情況，得到的校準前後的數據對比如表 1 所示，數據是通過 12 bit ADC 轉化得到。從表 1 可以看到，校準系統打開後，圖片數據減小，校準效果明顯。
分析了 CMOS 圖像傳感器出圖不一致現象，研究了像素陣列和電路的噪聲，設計了像素陣列校正系統，闡述了校正系統工作流程。基於 HL 55 nm CMOS 工藝完成校正系統設計，在測試平臺測試，在不同的溫度條件下驗證了校正系統的校準效果。
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