CMOS图像传感器的发展

建议在1990年代早期,电荷耦合装置(ccd)慢慢灭绝,因此被认为是“技术恐龙”¹。此外,在2015年,索尼公司正式宣布结束大规模生产CCD,尽管预期,在专业成像社区引起了轰动²。虽然通常认为,大多数工业或专业成像是由CMOS图像传感器(CIS)技术,大多数仍基于CCD传感器。

此前,独联体和CCD技术选择同居;然而,ccd迅速成为上级技术由于其能力满足严格的图像质量要求。同时,CMOS技术是一个新开发的技术,因此限制了其固有的噪声和像素的复杂性。因为大多数架构在这个时间点上,模拟的概念整合图像处理功能,如系统芯片上,堂哥还没有作为一种现实的可能性。

根据摩尔定律,收缩的技术节点允许这种技术增加其竞争力对其他人由于其快速扩张在2000年代早期。CIS技术正在经历快速转换的光电性能,,在很多方面,常常是更好的ccd相比。

CCD和CMOS:两个不同的分支,一个共同的起源

CCD技术涉及光子信号转换成电子数据包,然后转移到一个共同的输出结构电荷转换成电压。从这里,信号缓冲和片外。大多数函数在CCD技术出现在相机的印刷电路板;然而,当一个给定的应用程序有专门的要求,设计师可以改变电子没有重新设计成像仪。

相反,charge-to-voltage CMOS成像上转换发生在每个像素,从而允许最直接被集成到芯片的功能。CMOS成像可以操作一个电源和展览一个独特的灵活性在其读出潜在的或窗口。ccd一般NMOS制造技术,其性能配备各种特定功能,其中一些包括重叠双成功地,反盛开,金属盾牌和指定的起始物料。

CMOS技术通常是面向消费者的,基于标准CMOS数字集成电路工艺技术。注意,一些适应成像的技术,如通过增加一个固定的光电二极管。制造CMOS传感器通常被认为是一个更便宜的过程相比,所需的生产ccd;然而,性能也较低。这个论断是基于市场体积考虑;然而,当考虑其他专业业务领域,这两种技术可以等价或CCD可能成为一个更经济的选择³。

例如,大多数太空计划仍基于CCD组件。在这一过程中,这些项目表现出一个优化性能率在流程级别有限的数量和成本,以及确保长期供应的能力。同样,科学成像市场仍主要基于高欧洲杯线上买球端CCD的忠实用户的解决方案,和几个新产品目前在发展进步。

CMOS技术改善了系统的复杂性,尤其是涉及发展,嵌入的SOC架构,其中包括模拟到数字的转换、相关双采样,时钟一代,电压调节器或其他特性,比如图像后处理,其中大部分以前局限于应用系统级设计。

现代CIS技术通常在1聚4金属层(1 p4m)目前180纳米到65纳米技术,因此允许设计的像素非常高的转换因子结合列增益放大。这可以导致CMOS的能力允许photo-response和灵敏度的光远远优于常用的ccd。注意,ccd确实提供了显著的噪声优势比CMOS成像系统由于其改善衬底偏压的稳定性,减少片上电路和没有固定图形噪声。

图1所示。CCD和CMOS架构比较

另一方面,独联体可能降低采样频率,阅读所需的带宽可以减少像素和颞噪音从而降低。同时关闭暴露的所有像素阵列。CMOS技术,这种方法使用像素区域由于其要求额外的晶体管在每个像素。因为每个像素都有一个开环输出放大器和偏移量和每个放大器的增益波动明显由于晶片处理变化,黑暗和明亮的背景辐射通常最终由ccd相比更糟。

此外,CMOS成像系统功耗更低比ccd。其他电路的功耗芯片可以低于CCD芯片通过同伴起源于一个优化的模拟系统。根据交货数量,在系统级CMOS技术可能更便宜比ccd当外部的成本实现相关的电路功能。CCD和CMOS特征的总结表1中给出。

表1。CCD-CMOS特征比较

特征	CCD	互补金属氧化物半导体
信号从像素	电子包	电压
信号从芯片	模拟电压	位(数字)
读出噪声	低	在相同的帧率较低
填充因数	高	中等或低
Photo-Response	中度到高	中度到高
灵敏度	高	更高的
动态范围	高	中度到高
均匀性	高	略低
电力消耗	中度到高	低到中度
关闭	快速、高效	快速、高效
速度	中度到高	更高的
窗口	有限的	多个
Anti-blooming	高到没有	高,总是
图像人工制品	涂,电荷转移效率低下	红外系统,运动(人),请
偏压和时钟	多个高电压	单身,低压
系统的复杂性	高	低
传感器的复杂性	低	高
相对研发成本	较低的	根据系列更低或更高

一些系统功能显然允许一种技术表现出一些优势相比其他不影响总体性能或成本的成像仪。尽管如此,CMOS成像系统已被证明有增加的灵活性实现SOC的方法和更低的能耗比ccd。

噪声性能:一个常见的误解

CCD和CMOS技术,视频的带宽成像链必须仔细调整以减少噪声电平解读数字化阶段;然而,必须足够的带宽足以防止引入工件进入形象。确定最小阈值的带宽,所需的时间采样信号稳定在一个水平足够接近理想的信号可以测量。诱导错误应该是微不足道的最低有效位(LSB)⁴。

确定所需的带宽,应用标准如下:

在这个方程,f_c代表放大链的带宽,而f_年代代表了信号频率。此外,N代表了ADC的分辨率。

例如,如果N = 12,然后适当的值是:f_c≈8.3f_年代

噪音是由于两个贡献:1 / f闪烁噪声和热噪声如图2所示。闪烁噪声是频繁出现在性质和谱密度在各种自然现象,包括过程中发挥作用的波动在地球的速度旋转,海底的水流,天气、气候变化和更多。事实上,最近的一项研究常见的闪烁的蜡烛也表明,波动1 / f。

当考虑到金属氧化物半导体设备和元素的放大链,闪烁噪声被确定为一个电荷的结果已经被困在栅氧化层。陷阱出现的缺陷产生的工艺流程。事实上,填充和清空这些陷阱往往会导致一个概念被称为“随机电报噪声(RTS),”一个概念,指的是波动发生在晶体管的电流通道⁶。

每个陷阱可以使用一个洛伦兹的数学建模模型,该模型适用于描述一个共振行为。通过使用此数学模型,洛伦兹,指陷阱的数量现在表面的MOSFET频道,可以总结,以确定1 / f谱可以符合实际的噪声谱密度。结果,1 / f级反向取决于MOSFET通道的表面区域。

图2。噪声谱密度

消除或至少减少任何潜在变化的放大器的共模,复位噪声的浮动节点,以及在场的晶体管技术分散在独联体设备,将整合相关双采样(CDS)阶段的视频频道。CDS阶段然后转换视频信号传递函数,可进一步用数学术语解释由以下公式:

在这个公式中,每个以下相应变量代表了这些因素:

• f_年代:采样频率
• 护士:cd因素(通常是n = 2)。

在图3中,结果表明,根据采样率,筛选可用于消除采样频率太高时,它可能发生结果的减速陷阱和释放机制相比,CDS的频率。的组合过滤和放大链的低通滤波器可以简化为一个等价的带通滤波器,如图3所示。

eqBP1对应于一阶带通滤波器。创建一个集成的噪声功率,相当于H_cd函数的噪声谱函数eqBP1除以两倍。eqBP1 eqBP2是频率陷波近似。同样,也允许集成噪声功率是相当于H_cd函数的上下极限eqBP2滤波器分别乘以(π/ 2)¹和π/ 2。

图3。噪音过滤功能

当考虑一般情况下从图2和图3中,噪声表达式可以表示根据以下公式简单的条款

事实上,通过结合方程(1)和(4)、总集成读出噪声近似如下:

这些公式与数值模拟验证密切匹配。

CCD读出噪声可以极低的某些应用,如天文学、以及其他科学领域中,读出图像在一个非常低的频率。ccd集成了电子系统设计的一个最小化的频率带宽,这项技术可以避免时间的波动信号的集成。事实上,这些应用程序使用时,1 / f噪声占主导地位。

相反,当用于高速视频应用,噪音水平显著提高,从而导致急剧恶化的信号噪声比。这个理论进一步确认与被测量噪声的实际情况下不同的CCD摄像机的性能⁵。

当考虑这些因素,CMOS图像传感器尤其有利结果的列并行读出方案,如图1所示。因此阈值读出频率除以数量列CCD相比。

因此,独联体的读出噪声通常是由1 / f的贡献,以便持续努力改善的CMOS技术的成像。它最近展示了很好的噪声性能的范围1 e -甚至下面是可以实现的^7、8

图4。读出噪声的函数f_年代

MTF和量化宽松:图像质量的支柱

量子效率(QE)中扮演一个重要的角色在光电图像传感器的性能,尤其是当考虑到photon-to-electron转换期间发生的任何损失,可最终导致减少在信噪比(信噪比)。由于量化宽松政策可以影响信噪比的分子,分母的噪声的主要因素是散粒噪声,否则是指信号的平方根。

当考虑到这些因素,CCD和CMOS被认为是平等的;然而,CCD历来得益于无数年的工艺流程迭代改进的量化宽松政策。这是一个相对近期的推进在独联体域。

基于硅的物理性质包括波长更深入探索光敏感的转换区,厚外延材料可以用来增加量化宽松政策上红色和近红外光谱的波长。事实上,根据比尔-朗伯定律,在这种情况下被吸收的能量指数依赖于材料的厚度。

ccd通常致力于高端应用程序实际上从这些技术中获益,特别是那些利用硅材料和背面照明(BSI)恢复高宽带量化宽松和敏感的近红外(NIR)。欧洲杯足球竞彩

图5。量化宽松政策的基准

铁路联运传输CCD (ITCCD)是基于“垂直溢流排水(VOD),”,否则被称为“垂直anti-blooming(还有VAB),“这两个表示一个特定的生产过程,最初是在1980年代初开发的¹²。虽然还有VAB通常的性能很好,这种技术的一些缺点包括削减响应红,可最终导致排斥的NIR光谱的一部分。

图6。深损耗的方法

因此,BSI ccd无法不能从中受益。然而,高端ccd、CMOS传感器,不受限于这个因素,因为他们经常使用水平anti-blooming藻种()。此外,不受检测的薄层相声的指控无法扩散从像素到像素。因此允许空间分辨率,否则称为调制传递函数(MTF), ITCCD和标准CIS的食物。

获得敏感的近红外光谱域,显著增加材料的厚度必须存在。虽然这可能是真的,重要的是要注意,当一个材料太厚,MTF退化可能发生的结果增加了光电相声。图像质量是一个MTF和量化宽松政策的结合,,结合时,被称为侦探量子效率。因此,必须考虑空间和时间域。图6演示了如何深耗尽光敏二极管与改编硅掺杂方法是用来恢复MTF。

独联体通常在技术用于集成电路的启发,特别是DRAM内存/流程。独联体因此一般不使用特定的配方如前所述。然而,请注意,最近的一些出版物已经演示了如何具体流程的实现大大提高了量化宽松政策最终接近同高端CCD如图5所示^9、10。CMOS技术的最新进展已经合并技术包括光指南、深沟隔离(DTI)、埋μlens,甚至包含像素的感光面积下晶体管堆死。

固有的缺陷

“固定光电二极管”(产后抑郁症)或“洞积累二极管”(已经),原本是为了消除滞后和允许一个完整的电荷转移从光电二极管ITCCD登记发生¹²。最近的一个主要发展中CMOS影像ITCCD光电二极管结构的采用,最初发生在2000年代初¹¹如图7所示。

图7。ITCCD和5 t CMOS像素并排

在CMOS设备,面向像素的体系结构通常被称为晶体管的数量每像素。大多数CMOS成像系统倾向于使用电子滚动快门中最有益的集成,可以实现三晶体管(3 t)。其简单而值得称赞,3 t架构,经常遭受更高的像素生成时间噪音kT / C(或热)噪声的电路。虽然有害,但这热噪声不能简单地删除。

固定光电二极管最初引入CIS技术以消除噪音的重置浮动扩散。自发现以来,固定光电二极管进一步调查,并随后允许发展的四个晶体管像素(4 t)。

4 t架构执行相关双采样(CDS)删除重置时间噪音,以及允许晶体管像素之间共享方案以降低有效的晶体管数量每像素低于2。显然,更少的像素释放出更多地区的晶体管的感光部分或填充因数更直接一些光像素。然而,人捕获快速运动时引入了图像失真视频或图像包含如图8所示。

图8。图片文物:CMOS人扭曲

产后抑郁症是利用第二阶段执行全球快门(GS)捕获。它消除了人的工件和此外颞噪声、暗电流和固定图形噪声。第五个晶体管毗邻产后抑郁症(5 t)是用来排泄多余的指控,也调整积分时间重叠模式(读出在集成)。GS模式ITCCD使用,但在某些情况下敏感拖尾效应。

诬蔑出现在转移和生产垂直条纹的图像如图9所示。这个缺陷在高对比度图像尤为明显和不应被混淆的盛开的可能产生类似的工件。为了减少这一问题,frame-interline -转让(适合)CCD架构通常被实现。适合也视频率较高的优点。涂的CMOS等效参数是全球快门效率(GSE),也可以称为杂散光敏感性(PLS),可以对应于传感节点的灵敏度比光电二极管。

图9。图片文物:CCD蹭脏

取决于应用程序,GSE可以有所不同。例如,对于ITCCD, GSE水平通常是-88分贝至-100分贝¹³,而对于CMOS器件GSE常常会在-74分贝的范围至-120分贝,低至-160分贝,当使用3 d堆叠的架构¹⁴。使用先进的和定制的像素微镜头(如零差距)方面有显著差异的敏感性设备在波长响应。此外,这些微镜头也可以限制填充因数损失的结果呈现在CMOS晶体管像素,从而允许这个因素是改善GSE性能的主要因素。

未来CMOS成像技术的进步

CCD技术尤其适用于时间延迟的应用集成(TDI)。TDI,指电子的集成和同步求和的扫描现场,与电荷转移设备相对简单。事实上,这种技术主要用于最大化信噪比,以及保留足够的图像定义(MTF)。

最近的研究在这一领域涉及到几次试图复制信号求和,为模拟域(电压)¹⁸以及数字领域,以促进CMOS TDI。空间对地观测,以及机器视觉,CCD延时集成体系结构是在高需求低噪音和高灵敏度的表演。虽然这可能是真的,最有前途的结果一旦两个技术被认为是最好的和电荷转移寄存器和列明智的ADC转换器的基础上利用CMOS工艺¹⁷。

尽管发生在这一领域的研究进展,CMOS图像传感器的灵敏度仍然有限的读出噪声时用于极低的光(即几十μlux)的应用程序。为此,科学的市场EMCCD越来越感兴趣,¹⁵经营电子乘法和因此可能可以减少噪音。

一般来说,ccd逐步取代CMOS影像,从而允许EMCCD可能使过渡到电子倍增CMOS (EMCMOS)^20.。类似于EMCCD的方式进行,这项技术有望起到贡献作用改善图像质量极低光情况下使用时在科学或监视应用程序。CMOS技术使更轻、智能系统和更低的能耗,同时作为一个更便宜的选择,尤其是当用于大型卷(所谓SWAP-C方法)。

电子倍增的主要原理是应用信号的增益之前的任何噪声发生的结果读出链。在这种方式中,噪声是除以这个获得最终提高信噪比。由于CCD原理、信号然后转移电子的形式包,在乘法在宣读之前应用于每个像素。对于CMOS应用程序,信号电压领域从而表示乘法传输之前必须应用浮动节点和之前添加源输出晶体管的噪声¹⁶。

越来越受欢迎,结合深度信息的三维(3 d)成像测量发现利用飞行时间(TOF)技术。技术最初是在1995年描述为一个“锁定成像仪”对ccd的主要原则包括脉冲人造光的来源,位于传感器飞机发射。

然后反射波返回和使用相关函数来提取的距离。第一次尝试把ToF与CMOS的灵感来自于CCD像素²²。第二个方法涉及使用当前辅助光子解调器花(李)。

两种方法导致了大规模生产的工业三维传感器为各种不同的应用程序包括计数、安全控制、计量、工业机器人、手势识别和汽车高级驾驶员辅助系统(ADAS)。这是一个典型的例子,说明一个概念,最初是在CCD技术进一步开发利用和完善对CMOS大批量工业规模。

CMOS技术部署已经开展了一些新颖的应用领域。例如,单光子雪崩二极管(SPAD)是一种固体的解决方案最初开发取代光电倍增管(PMT),类似于1980年代光导管的方式取代了在专业由ccd摄像机。SPAD基本上是一个pn结反向偏置在电压在故障模式在盖革模式。SPAD是高度不稳定的结构,从而使任何能量干扰导致雪崩效应,可以是单光子探测的操纵。

用于此目的的时候,雪崩时通过一个原则称为被动淬火。被动淬火产生的结果之间的一个简单的电阻组件实现SPAD和电源电压,以及积极的结果淬火使用嵌入式MOSFET通道时产生的数字信号表示量子事件。原则上,SPAD是一个简单的基于结构的CMOS技术,不需要复杂的程序,用于图像传感器。

另一方面,由于CMOS技术需要使用复杂的电路,SPAD数组的操作是一个更复杂的过程来实现的。SPAD触发和事件计数,根据定义,异步的,像光子的到来,而CMOS技术的选择是明智的。例如,它可以进行快速扫描的像素数组来确定那些转变。这些视频帧产生的装配序列²³。

结论

早期测定ccd的终结,当时,一个预言¹。虽然它已经被证明是真的,过渡仍将比最初预期的长得多。此外,像素结构的多样性和创造性CMOS成像系统开发已经超过了先前的预期,随着这一技术已经实现晶体管铜版画缩小的演变互补金属氧化物半导体制造技术,现在是完全为独联体生产调整。

主要工业成像制造商仍在价格上竞争,光电性能。使用相机时,推进技术大大扩展了从简单的拍照,捕捉最佳的时候他们的生活的方式,以确保所有的光照条件是完美的,不管对图像质量的影响因素。

此外,工业应用也极大地受益于这些进步。例如,视觉系统发展日益基于成像系统,跟随时尚的消费需求,包括像素的收缩。例如,速度也是一个重要的经济因素,因为它昂贵的生产设备和自动化流程的物料通过量最大化/检验。

新颖应用也想办法进一步传播的发展传感器达到极端的功能不容忍任何额外的图像中的噪声。因此,成像技术,尤其是CMOS技术,极大的拓展了过去简单的图像捕捉和显示3 d增强现实技术的发展,特别是为了实现不同的空间知觉。

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