基于CMOS下的像素陣列校正系統(tǒng)你了解多少呢？

1 引言

CMOS 圖像傳感器與 CCD 圖像傳感器都是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件，但由于 CMOS 圖像傳感器造價(jià)更低、功耗也更低，在現(xiàn)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(yīng)用，如工業(yè)相機(jī)、民用相機(jī)、手機(jī)、監(jiān)控?cái)z像頭等設(shè)備。

然而，通常 CMOS 像素陣列各區(qū)域成像不均一，或者說對(duì)光的敏感度有差異，會(huì)影響 CMOS圖像傳感器的出圖質(zhì)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余電路，其中任何一處的不一致都將導(dǎo)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(qū)域的成像情況會(huì)有差異；另一方面，各像素在光信號(hào)的激勵(lì)下經(jīng)由不同的電路路徑輸出圖像信號(hào)，而經(jīng)由不同的電路路徑也會(huì)帶來不同的信號(hào)量損失，即使每一像素都得到了相同量的光信號(hào)，不同的電路路徑也會(huì)使各像素輸出的電信號(hào)之間具有明顯差異。

因此，業(yè)界期望獲得一種 CMOS 像素陣列校正系統(tǒng)，其能一定程度上克服元器件差異及各像素經(jīng)由不同的電路路徑輸出數(shù)字信號(hào)而帶來的差異，使CMOS 像素陣列各區(qū)域?qū)獾拿舾卸冉咏⒊上竦木恍粤己谩?/p>

2 成像不一致性

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(jié)于噪聲。

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(huì)影響 CMOS 圖像傳感器的結(jié)果。由于噪聲在時(shí)間和位置上呈現(xiàn)不一致性，最終導(dǎo)致 CMOS 圖像傳感器成像的不一致即圖像的失真。

下面對(duì)像素陣列和電路的噪聲進(jìn)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管，對(duì)于二極管來說，其本質(zhì)是 PN 結(jié)中載流子運(yùn)動(dòng)形成電荷，在 PN 結(jié)穩(wěn)定的情況下 PN 結(jié)的擴(kuò)散電流和內(nèi)建電場平衡，PN 結(jié)對(duì)外不顯示電流。但對(duì)于圖像傳感器器件，PN 結(jié)器件表面會(huì)存在一定的缺陷或者雜質(zhì)，缺陷和雜質(zhì)會(huì)形成新的復(fù)合中心，從而會(huì)破壞原有的 PN 結(jié)的平衡，吸引電子或者空穴移動(dòng)，PN 結(jié)對(duì)外顯示電流[6]。這樣的電流與是否有光照無關(guān)，即在無光條件下也會(huì)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，因此是一直存在的。但這種暗電流的存在會(huì)對(duì)收集到的圖像信號(hào)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致圖像質(zhì)量降低。

在實(shí)際像素結(jié)構(gòu)中，一般有個(gè)開關(guān)管控制光電二極管轉(zhuǎn)化的電信號(hào)的傳輸，圖 2 給出了像素結(jié)構(gòu)開關(guān)管附近的結(jié)構(gòu)示意圖，圖 2(a) 為俯視圖，圖 2(b) 為剖面圖。其中，TG 表示開關(guān)管，F(xiàn)D 是懸浮擴(kuò)散區(qū)。懸浮擴(kuò)散區(qū)是用來存儲(chǔ)二極管產(chǎn)生的電荷，最早是在 2003 年由 Krymski 等提出。但是懸浮擴(kuò)散區(qū)會(huì)導(dǎo)致 PN 結(jié)產(chǎn)生較大節(jié)點(diǎn)電流，引入額外的暗電流，為了消除懸浮擴(kuò)散區(qū)帶來的影響，通常在器件表面增加一個(gè)另外存儲(chǔ)電荷的節(jié)點(diǎn)。

2011 年 10 月，Harvest 實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度。圖是在無光條件下拍攝，圖中顏色的差異象征暗電流強(qiáng)弱，可以看到顏色分布深淺分布不均，這就意味著在整個(gè)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(dǎo)體中的載流子的布朗運(yùn)動(dòng)引起的，由于電子自由運(yùn)動(dòng)受溫度影響較大，因此熱噪聲也會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生改變。

熱噪聲大小也與頻率有關(guān)，其大小通常用功率譜密度來衡量。散粒噪聲是由于載流子跨越勢壘的時(shí)間的不一致導(dǎo)致器件中產(chǎn)生了一些脈沖電流，由于載流子運(yùn)動(dòng)是不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，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(guān)，其功率譜密度與頻率成反比關(guān)系，因此又可稱為 1/f 噪聲。

由于 MOS 管的晶體中的缺陷和雜質(zhì)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(tài)的“懸掛鍵”，當(dāng)載流子經(jīng)過該界面時(shí)會(huì)被“懸掛鍵”隨機(jī)俘獲或者釋放，這樣的俘獲或者釋放帶來載流子運(yùn)動(dòng)形成了一定的漏電流，最終導(dǎo)致了 MOS 管中的閃爍噪聲。

這三種噪聲會(huì)導(dǎo)致電路在同樣的輸入的情況下輸出信號(hào)不完全相同，也就是同樣的像素信號(hào)經(jīng)過電路讀出時(shí)會(huì)存在信號(hào)大小的差異。

除了電路器件本身的噪聲以外，由于工藝的失配會(huì)導(dǎo)致不同器件的匹配不完全一致，也會(huì)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，F(xiàn)PN）。這種由于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(xiàn)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(qū)動(dòng)電路的 MOS 管的參數(shù)性能，比如閾值電壓、MOS 管的寄生電容，進(jìn)一步會(huì)影響其飽和電流和跨導(dǎo)，從而導(dǎo)致不同 MOS 管對(duì)不同的像素帶來的寄生和噪聲的影響不同，導(dǎo)致最終圖像質(zhì)量的失真。但工藝的失真通?？梢酝ㄟ^相關(guān)雙采樣得到消除。

3 像素陣列校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)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于陣列的校準(zhǔn)系統(tǒng)。校準(zhǔn)系統(tǒng)主要包括 6 個(gè)部分（如圖 4 所示），分別是電壓生成模塊、校準(zhǔn)像素、待校正像素、行控制驅(qū)動(dòng)模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)字校準(zhǔn)模塊。

校準(zhǔn)像素和待校正像素一起構(gòu)成整個(gè)像素陣列，其中像素陣列中包括至少一行校準(zhǔn)像素和多行待校正像素，校準(zhǔn)像素和待校正像素以矩陣形式設(shè)置。電壓生成模塊將外部輸入的基準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為基準(zhǔn)電壓信號(hào)，校準(zhǔn)像素根據(jù)基準(zhǔn)電壓信號(hào)得到校準(zhǔn)像素輸出電壓，行控制驅(qū)動(dòng)模塊控制選中的行的像素信號(hào)進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，而未選中的行的數(shù)據(jù)不進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。

一行模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與一行校準(zhǔn)像素、待校正像素一一對(duì)應(yīng)。校準(zhǔn)像素的輸入為電壓模塊輸出的基準(zhǔn)電壓信號(hào)，輸出為基準(zhǔn)電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)的校準(zhǔn)像素電壓信號(hào)，待校正像素將光電二極管轉(zhuǎn)化得到的電信號(hào)輸出得到對(duì)應(yīng)的待校正像素電壓信號(hào)。校準(zhǔn)像素和待校正像素都會(huì)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊和數(shù)字校準(zhǔn)模塊，但校準(zhǔn)像素為數(shù)字校準(zhǔn)模塊提供校準(zhǔn)誤差值，而待校正像素輸出的數(shù)字信號(hào)被數(shù)字校準(zhǔn)模塊校準(zhǔn)過后得到最終的數(shù)字信號(hào)。

同一列的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)工作流程如圖 5 所示。

計(jì)基準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)為 Dref，則 Dref 經(jīng)過電壓生成模塊得到對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)電壓信號(hào) Vref，Vref 經(jīng)過校準(zhǔn)像素，輸出電壓信號(hào) V1，V1 經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，得到 V1 對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào) D1。由于校準(zhǔn)像素輸出電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的噪聲，D1 與 Dref 可能不等，數(shù)字校準(zhǔn)模塊根據(jù) D1 和 Dref 得到差值 ΔD。

待校正像素經(jīng)過曝光階段，將接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，像素輸出電壓信號(hào)記為 V2，V2 經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊得到對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào) D2。由于同一列上的校準(zhǔn)像素和待校正像素，經(jīng)過的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊相同，因此模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的噪聲帶來的誤差相同，因此可以用校準(zhǔn)像素的誤差 ΔD 來校準(zhǔn)待校正像素。ΔD 和 D2 在數(shù)字校準(zhǔn)模塊中被校準(zhǔn)得到校正過后的數(shù)字信號(hào) Dout。

對(duì)于同一列的其他待校正像素，校準(zhǔn)數(shù)值均相同，都是對(duì)應(yīng)的列的校準(zhǔn)像素的基準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)與數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號(hào)的差值。對(duì)于不同列的待校正像素的校準(zhǔn)數(shù)值為對(duì)應(yīng)列的校準(zhǔn)像素的校準(zhǔn)差值。

4 測試結(jié)果

本文的設(shè)計(jì)基于 HL 55 nm 工藝實(shí)現(xiàn)，將 CMOS 圖像傳感器放在測試平臺(tái)進(jìn)行測試，采用 FPGA 完成數(shù)據(jù)采集與輸出，通過采集板進(jìn)行圖像信息的采集和處理，最終圖像數(shù)據(jù)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(zhǔn)系統(tǒng)前后的出圖結(jié)果如圖 6 所示。

圖 6(a) 為校正系統(tǒng)不工作時(shí)的圖像傳感器出圖，圖 6(b) 為校正系統(tǒng)工作時(shí)的圖像傳感器出圖。從圖 6(a)、圖 6(b) 對(duì)比可知，在校準(zhǔn)前，由于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(xì)節(jié)損失，導(dǎo)致圖像不一致；在校準(zhǔn)后，圖片數(shù)據(jù)得到了還原，圖像細(xì)節(jié)恢復(fù)，圖像動(dòng)態(tài)范圍增大。

由于暗電流和噪聲與溫度有關(guān)，因此導(dǎo)致圖像不一致與溫度有關(guān)。在 4 ms 的曝光情況下測試不同溫度的校準(zhǔn)系統(tǒng)工作情況，得到的校準(zhǔn)前后的數(shù)據(jù)對(duì)比如表 1 所示，數(shù)據(jù)是通過 12 bit ADC 轉(zhuǎn)化得到。從表 1 可以看到，校準(zhǔn)系統(tǒng)打開后，圖片數(shù)據(jù)減小，校準(zhǔn)效果明顯。

5 結(jié)語

分析了 CMOS 圖像傳感器出圖不一致現(xiàn)象，研究了像素陣列和電路的噪聲，設(shè)計(jì)了像素陣列校正系統(tǒng)，闡述了校正系統(tǒng)工作流程?；?HL 55 nm CMOS 工藝完成校正系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在測試平臺(tái)測試，在不同的溫度條件下驗(yàn)證了校正系統(tǒng)的校準(zhǔn)效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉洪文,張生才,姚素英,徐江濤.CMOS圖像傳感器中數(shù)字噪聲抑制技術(shù)研究[J].光電子.激光,2007(04):411-413.

[2] 朱蘇磊,韓焱.CMOS圖像傳感器的消噪技術(shù)[J].測試技術(shù)學(xué)報(bào),2000(02):87-92.

[3] 鄒義平. CMOS圖像傳感器的圖像降噪技術(shù)的研究[D].北京：北京郵電大學(xué),2009.

[4] 劉宇,王國裕.CMOS圖像傳感器固定模式噪聲抑制新技術(shù)[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2006 (03):345-348+419.

[5] 柳長源.相關(guān)向量機(jī)多分類算法的研究與應(yīng)用[D].黑龍江：哈爾濱工程大學(xué)，2013.

[6] Srour J R, Lo D H. Universal damage factor for radiation-induced dark current in silicon devices[J]. 2001, 47(6):2451-2459.