CMOS圖像傳感器的性能

CMOS圖像傳感器的性能光電轉換的原理和性能當光子入射到半導體材料中，光子被吸收而激發(fā)產生電子-空穴對，稱為光生載流子，如圖2.3(a)所示。量子效率(QuantumEfficiency,QE)被定義為產生先生載流子的光子數占總入射光子數的百分比； 或者被定義為％即每個入射光子激發(fā)出來的先生載流子數。式中，Ne為被激發(fā)出來的電子數；Nv為入射的光子數。不同的半導體材料對入射光的響應隨其波長而變化，對于硅材料而言波長覆蓋整個可見光范圍，截止在約1.12小的近紅外波長，如圖2.3(b)所示。)0.01(M)4。。5<M>64H)7(M)K(K))0.01(M)4。。5<M>64H)7(M)K(K)90。1KM1波臣(urn)圖2.3硅半導體材料的光照響應光電信號的噪聲水平決定了能檢測到的最小光功率，即光電轉換的靈敏度硅光電傳感器的噪聲構成包括：■來源于信號和背景的散粒噪聲(shotnoise);

型爍噪聲(flickernoise)，即1/f噪聲；■來源于電荷載流子熱擾動的熱噪聲(thermalnoise)。噪聲特性用噪聲等效功率NEP(NoiseEquivalentPower)表達，信號功率和噪聲等效功率的比值，被稱為信噪比(SignalNoiseRatio,SNR),是描述傳感器性能的重要參數之一。當入射光子照射在半導體材料的PN結上，如圖2.4(a)所示，如果在PN結上施加電壓使光生載流子形成電流，產生如圖2.4(b)所示的I-V特性曲線。曲線上V>0的正向偏置一段被稱為太陽能電池模式；PN結反向偏置V<0的平直一段曲線，被稱為光電二極管模式；I-V特性的反向擊穿段被稱為雪崩模式。通常在圖像傳感器中，光電轉換元F示。圖2.3通常在圖像傳感器中，光電轉換元F示。圖2.3中PN結的反向電流入射光子IncidentPhotonL-R一N-i p襯底I±匕圖2.4二工作在光電二極管模式，如圖 2.3(c)所Leak為Ileak=]ph+Idiff/I 無光照 1 有光照kj/ph1v1) 太陽能雪崩模式 光電二極管模式 ?池模式Avalanche Photodiode SolarCellmode mode niodePN結光電二極管示意圖式中，Iph為光生載流子產生的電流；向為擴散電流。在完全沒有光照的情況下1Ph=0?Ileak=Idiff,被稱為暗電流或者漏電流。在通常的CMOS圖像傳感器中，光電轉換的速度還不是需要特別加以考慮的因素。但是在某些高速攝影應用中，或者某些潛在的未來超高速圖像轉換應用中，會考慮到光電轉換速度的問題。在CMOS圖像傳感器中，對響應速度影響最大的將是少數載流子的擴散時間。圖像清晰度CMOS圖像傳感器和CCD的一樣，圖像的清晰度取決于硅光電二極管陣列的像素總數np。在正交排列的圖像傳感器像素陣列中，水平方向的像素數為M,垂直方向的像素數為N,陣列像素總數為Np=MXN像素數越高的圖像信號，可以提供更多的圖像細節(jié)信息，每1百萬像素用1MNp表示。在靜止圖像照相機應用中，采用CMOS圖像傳感器的商品數碼單反照相機，陣列像素數可以達到36M，其M=7360和N=4912，這樣的清晰度可以達到和超過傳統(tǒng)的專業(yè)135mm膠片水平。高清數字電視（HDTV）的標準為2.1M像素，np=mxn=1920X108cl而相比之下/K擬電視時代PAL制電視的清晰度，在625行掃描和6.5MHz圖像信號帶寬下，最多也只能相當于約575X767=0.44M像素的水平。采用CMOS圖像傳感器攝像的超高清晰度電視制式（UHDTV）將達到8K標準，其總像素數Np=7680乂432%33M。圖2.5所示為幾種不同清晰度像素陣列規(guī)格畫面的尺寸比較，在這些被比較的陣列中，假設它們的單個像素尺寸都是相同的。這樣一來從圖 2.5中這些不同清晰度矩形所占的面積上，就可以清楚地比較出它們的圖像信息量之間巨大的差別。DVD720x480DV1280*720HDTV1920x10802KDigitalCinema2048k10B04KDigitalCinema4096X2140REDDigitalCinema4520x2540HKUUDIV76KO?432O圖2.5不同清晰度像素陣列的尺寸示意圖像刷新速率和高速攝影圖像刷新速率決定完成一幅圖像的曝光和讀出所需要的時間， 對于某一特定圖像而言，無疑減少曝光時間是提高刷新速率的最直接方法。從圖像傳感器方面來看，當然提高靈敏度可以減少曝光時間，從而提高讀出速率也是提高圖像刷新速率的重要手段。在顯示連續(xù)圖像的應用中，像電視、視頻和電影，圖像在每秒時間更新的幀數都有一定的標準，利用人類視覺的惰性實現運動顯示的連續(xù)性。高清電視（HDTV）的刷新速率標準可以達到每秒120幀，以充分真實地表現高速運動的畫面，而圖像傳感器首先必須達到同樣的刷新速率。在靜止圖像數碼照相機應用中，圖像刷新速率會影響相機的連拍速度性能。高速攝影在科學研究和軍事裝備應用非常有用，往往要求圖像刷新速率達到每秒1000幀以上，可以獲得高速運動的細節(jié)信息，供記錄和用低的刷新速率重建顯示，以觀察高速運動的過程細節(jié)。圖像數據的字長如前所述，CMOS圖像傳感器芯片可以直接輸出數字圖像數據，這個數據的字長n決定了圖像信息的動態(tài)范圍，一個nbit二進制數所表達的最大數值為20。當信號噪聲的值小于數據的最低位LSB時，nbit圖像數據表達的最大動態(tài)范圍就是2。。常見CMOS圖像傳感器芯片輸出數據字長及其最大動態(tài)范圍見表2.1。圖像數據字長的增加，無疑對CMOS圖像傳感器系統(tǒng)的數據處理速率、傳