为数码相机设计图像传感器
文章作者:Richard Crisp
在为数码相机设计图像传感器时，工程师可以在滚动快门和全局复位模式下使用3T像素阵列架构。
第2部分在这个系列中，在数码相机设计上看起来看一些与拍摄包括运动的场景的一些问题，解释了用于开始和停止曝光的不同类型的机械快门，并概述CMOS图像传感器中可用的不同类型的电子快门。本文介绍了该系列的第3部分，将更详细地解释CMOS快门。
CMOS像素架构基础知识
三晶体管设计或3T像素是最简单的CMOS像素结构(图1）。一个晶体管用于复位或预充电光电二极管，而另外两个用于视频读数：一个是源跟随器，另一个用于选择像素。复位信号脉冲高并且将光电二极管的n型电极重置为v的脉冲，或者将光电二极管的n型电极重置为由v设定的电压DD.和复位信号上的高电平。复位较低后，光电二极管开始响应入射光，将电荷排出，因为光电二极管在光电二极管的阴极上积累了光电。
图1在该3T像素架构中，使用一个晶体管用于复位或预充电光电二极管，而另外两个用于视频读数。来源：etron.
一旦集成时间过去，行选择信号被驱动到高，源跟随电流放大器被耦合到视频节点以进行传感。注意像素，如果暴露在光下，在这个过程中继续收集光。当被复位时，光仍然照在光电二极管上，但是复位晶体管将光电二极管的阴极夹住到电压电源VDD.。
为了了解在实际阵列中的像素曝光和读出的操作，在传感器上检查一列像素是有用的。对于M个X N像素传感器，N像素布置在M垂直列中。除了像素之外，通常将电路添加到每列以构建视频数据的感测和缓冲方案，包括采样和保持（S / H）视频数据的方式。示出了像素列的示例图2.。
图2.在图像传感器阵列中，n个像素布置在M垂直列中。来源：etron.
滚动快门操作
对于卷帘操作，每一行曝光的开始和结束时间略有不同。在图2中，来自该阵列的视频信号每次只能从每个列的一个像素读取;选择像素，视频信号在图2中标记为video (m)的信号线上形成。然后，采样保持电路对该信号进行采样，放大，并发送到模数转换器(ADC)，将其转换为数字数字，然后驱动出芯片作为数字视频。
将数字视频从单行芯片外传输的读出时间与曝光从一行到一行发生偏移的时间相同;在使用卷帘方案时，一次只能选择一条线，并且在读出时必须选择这条线。传感器经常暴露在光线下，没有机械快门。
给定线的复位脉冲的末端确定曝光的开始，并且当触发样本和保持信号时曝光结束以捕获通过其选择选择曝光像素之后的视频（M）线的状态（n）线。图3.示出了如何在滚动快门模式下暴露和采样多线的像素阵列的操作。
图3.此图显示了多行像素阵列的操作是如何在滚动快门模式下曝光和采样的。来源：etron.
使用一组列构造图像传感器，如图2所示，这被布置成使得有一个n×m个像素（图4.）。几个附加功能块用于提供用于操作像素阵列的信号的控制和排序，例如复位和选择信号，视频样本和保持，以及用于馈送转换模拟视频的ADC的多路复用器数字视频。
图4.CMOS图像传感器基于一组列被布置为N X M像素阵列。来源：etron.
图像传感器的输出是数字视频数据，可以由一个或多个并行操作的ADC提供。通过并行adc，可以减少每一行的读出时间，从而减少曝光时间偏移线到非线失真-以及更高的图像传感器帧率。这是以功率、硅面积、封装针数和成本为代价的。
全局重置计划
通过改变每行或每行使用的复位信号的时间，可以以不同的模式操作3T像素阵列。这种模式不是在不同的时间脉冲每一行的复位信号，而是在同一时间脉冲所有，即全局复位。关键的好处是，每一行的公开是在同一时间开始的。如果使用同步光源或适当的机械快门，当光熄灭时曝光结束，那么运动伪影可以避免或最小化到一个可容忍的水平。
对于具有低速数字链路的帧速率的非常高的像素计数CMOS传感器，当像素计数增加时，线到线曝光定时偏移量将增加，并且如果依赖于依赖于甚至快照摄影，则可以达到不合适的点卷帘。因此，高速机械快门可以与具有全局复位操作操作的3T像素阵列组合使用。
当渐进式扫描读数与全局复位组合时，在传感器通过同步光或机械快门保持暗时，读出读出一行。一旦传感器被读出，可以开始另一个曝光。因此，即使具有慢速读数，由于使用单个数字链路的非常高的像素计数传感器，可以通过使用适当的机械快门组合的全局复位来支持动作拍摄。
如果决定使用机械快门，中描述的工件第2部分考虑到应用需求以及快门类型和定时参数，仍应予以考虑。
全局重置的噪声注意事项
由于从光到暗或机械快门关闭的同步光同时曝光为整个阵列的曝光，并且因为传感器一次读出一条线，因此必须在未读像素内动态地存储图像在读出过程中没有照明。一旦读取线路，其像素内的存储图像数据不再感兴趣;但是，尚未读取的剩余行必须将图像存储在读取之前。要读取的最后一条线将拍摄最长，并且可能几乎是短曝光的帧时间。
由于实际CMOS图像传感器由于硅的电子特性而产生的非理想的工作特性，采用渐进扫描读出的全局复位所带来的存储要求可以降低低光敏度。
在未来本系列的文章中，将详细讨论噪声源，但该主题上的几个单词在此点的情况下是合适的，而没有从像素操作中的像素操作的主要话题中的显着上题为。
图像从黑暗信号劣化
在图像传感器阵列中的每个3T像素中，是暴露于聚焦光的反向偏置的光电二极管，其在硅的照明区域内产生孔电子对 - 光生成的电荷。这种照相电荷的机制被称为光电效应，由Albert Einstein发现为此，他获得了诺贝尔物理学奖。
每个反向偏置的光电二极管可以被认为是可用于收集和保持电子电荷的电容器。在每个像素中保持的光生成电荷量是场景的曝光时间和亮度的函数，该曝光时间和亮度集中在研究下的像素上。与硅光电二极管相互作用的光是一种可以产生电荷的一种方式，是固态图像传感器形成图像的基本机制。
在硅装置中产生另一种电荷是通过硅本身的随机热产生，而不是通过暴露于光而引起的。对于给定温度，暗电流或充电单位/时间是恒定的并且是指数依赖于温度。由于硅晶体结构的缺陷和低浓度的杂质，暗电流在图像传感器表面上并不均匀。图像传感器表面上的暗电流的三维曲线表现出显着的非均匀性（图5.）。
图5.在室温下拍摄的图像传感器阵列的暗电流图表现出显着的非均匀性。来源：etron.
光电二极管收集并保持由暗电流产生的电荷，就像光产生的电荷一样。一旦这种电荷被收集到一个像素中，它就无法与光产生的电荷区分开来。净结果是，图像的信噪比(S/N)降低了这个暗信号。因此，在弱光条件下，仅由少量光产生的电荷就可以形成图像。换句话说，尽管曝光时间正常，暗电荷会严重损害在弱光条件下拍摄的图像(图6.）。
图6.原始和敏热图像之间的比较示出了如何通过从图像中减去暗帧的暗框来增强暗信号的图像如何增强。来源：etron.
当在全局复位模式下使用时，由于图像在某些线上存储比其他线更长，因此S / N比可以在使用全局复位的低光图像中变化顶部到底部，因为慢速扫描读出慢慢扫描读出。读数较慢，暗信号越多的时间越多，累积，加剧了读取的最后一行中的热劣化。
减少此噪声源的设计选择包括加速读数，这意味着如果可能的话，使用来自传感器的更多数字带宽。然后，可以选择增加光学速度，以将更多的光通量聚焦到传感器上或冷却传感器或从图像中减去暗帧的暗框（图6）。
本系列的下一篇文章第4部分，将解释电荷转移像素概念，并在一些细节中检查全局拍摄快门操作模式。
理查德脆他是美国埃创科技公司新产品开发副总裁。
本文最初发布经济日报。
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