瞬態(tài)成像模式下高幀頻CMOS圖像傳感器性能研究

　　摘要：高幀頻 CMOS 圖像傳感器具有集成度高、幀頻高、功耗低、抗干擾抗輻照能力強(qiáng)等特性，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用廣泛。為提高外同步觸發(fā)瞬態(tài)成像模式下的成像性能，本文首先介紹了基于高幀頻 CIS 的瞬態(tài)成像系統(tǒng)構(gòu)成及其工作模式;從像素結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)該款 CIS 在不同工作模式下的成像性能進(jìn)行了理論分析;搭建了基于 EMVA1288 的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試平臺(tái)，對(duì)瞬態(tài)工作模式下的多項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，并與穩(wěn)態(tài)工作模式下的性能進(jìn)行了對(duì)比。分析結(jié)果表明：與穩(wěn)態(tài)工作模式相比，瞬態(tài)成像模式下圖像傳感器具有更大的暗本底和固定模式噪聲，但傳感器的時(shí)序噪聲、光響應(yīng)非均勻性?xún)?yōu)于穩(wěn)態(tài)工作模式，具有更高的信噪比和動(dòng)態(tài)范圍，與理論分析基本吻合。論文測(cè)試分析結(jié)果可用于指導(dǎo)科學(xué)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化。

　　關(guān)鍵詞：高幀頻 CMOS 圖像傳感器;瞬態(tài)成像;性能分析;響應(yīng)非均勻性

　　嚴(yán)明; 白瓊; 李剛; 李斌康; 楊少華; 郭明安; 張雪瑩， 紅外與激光工程 發(fā)表時(shí)間：2021-11-26

　　隨著半導(dǎo)體光電技術(shù)的不斷發(fā)展，基于 CMOS 工藝的圖像傳感器(CMOS Image Sensor, CIS)性能不斷提升，由于其獨(dú)有的高集成度、高幀頻、低功耗和強(qiáng)抗干擾抗輻照能力等特性[2]，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用日益廣泛。在圖像測(cè)量與診斷領(lǐng)域中，成像系統(tǒng)通常工作于外部信號(hào)同步觸發(fā)的瞬態(tài)成像模式。與連續(xù)圖像輸出的穩(wěn)態(tài)模式不同，瞬態(tài)成像模式主要以觸發(fā)等待時(shí)間長(zhǎng)、曝光時(shí)間短、圖像推出速度快、圖像曝光輸出不連續(xù)為突出特點(diǎn)。瞬態(tài)成像技術(shù)可以較好的捕捉快速物理現(xiàn)象中的過(guò)程圖像，以反應(yīng)其物理過(guò)程的發(fā)展變化規(guī)律。因此瞬態(tài)成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于等離子體物理研究、高速碰撞實(shí)驗(yàn)、爆轟效應(yīng)等科學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域[1]。高幀頻的圖像傳感器作為瞬態(tài)成像系統(tǒng)的核心器件，由于生產(chǎn)工藝的個(gè)體差異、半導(dǎo)體材料特性變化、傳感器工作模式的差異[4]，有必要對(duì)傳感器的實(shí)際性能參數(shù)進(jìn)行精細(xì)化測(cè)量與分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)圖像進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化處理，以獲得最佳的測(cè)試圖像。

　　國(guó)內(nèi)外針對(duì) CIS 的性能研究大都集中在連續(xù)圖像輸出的穩(wěn)態(tài)模式，主要有針對(duì)暗電流信號(hào)的性能優(yōu)化、針對(duì)光響應(yīng)一致性的性能優(yōu)化、針對(duì)不同高幀頻傳感器的性能測(cè)試與對(duì)比分析等等。但是很少有針對(duì) CIS 工作在瞬態(tài)成像模式下的性能研究。因此，開(kāi)展高幀頻 CMOS 圖像傳感器在瞬態(tài)成像模式下的性能研究具有十分重要的價(jià)值。 CMOS 圖像傳感器工藝將光二極管工藝與標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝相結(jié)合，片內(nèi)集成列讀出放大及高速并行 AD 轉(zhuǎn)換器，有利于大像素陣列集成和高幀頻實(shí)現(xiàn)。隨著特種半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進(jìn)步，CIS 在量子效率、靈敏度等方面接近 CCD 技術(shù)水平，而更低廉的加工成本和獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，使得 CIS 逐漸取代 CCD 成為圖像傳感器的主流器件。尤其在對(duì)傳感器性能要求較高的科學(xué)成像領(lǐng)域，CIS 在高靈敏度、高幀頻和大面陣成像系統(tǒng)方面已經(jīng)取代 CCD 器件，成為大部分成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首選。

　　本文首先介紹了一款高幀頻 CIS 的性能參數(shù)以及基于該 CIS 的瞬態(tài)成像系統(tǒng)構(gòu)成;然后從像素結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析了高幀頻 CIS 在不同工作模式下的成像性能特征;搭建了基于 EMVA1288 的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試平臺(tái)，對(duì)瞬態(tài)工作模式下的多項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，并與穩(wěn)態(tài)工作模式下的成像性能進(jìn)行了對(duì)比，測(cè)試結(jié)果與理論分析相吻合。

　　1 高幀頻 CIS 及瞬態(tài)成像系統(tǒng)構(gòu)成

　　高幀頻 CIS 是高速成像系統(tǒng)的核心器件，器件的性能參數(shù)決定了成像系統(tǒng)的性能。本文選定的高幀頻圖像傳感器采用 5T 像素結(jié)構(gòu)，空間分辨率為 1280×1024，像素量化精度為 12bit，在全分辨率條件下，最大幀頻達(dá)到 1000fps[3]。其主要性能指標(biāo)如表 1 所示：表 1 高幀頻 CMOS 圖像傳感器性能參數(shù)從表 1 可以看出，與高靈敏度的科學(xué)級(jí) CIS 通常采用卷簾快門(mén)(Rolling Shutter)不同，高幀頻 CIS 通常采用全局快門(mén)(Global Shutter)結(jié)構(gòu)。卷簾快門(mén)讀出噪聲低，配合高精度的 ADC 進(jìn)行量化，有利于實(shí)現(xiàn)高靈敏度的成像性能，而高幀頻則主要關(guān)心圖像推出速度，其列處理電路的噪聲較大，數(shù)字化精度較低，對(duì)讀出噪聲不太敏感，因此高幀頻 CIS 大多采用全局快門(mén)工作模式。高幀頻 CIS 的電荷轉(zhuǎn)移時(shí)間短，通常在百納秒量級(jí)，浮置柵級(jí)電容較小，為了實(shí)現(xiàn)高幀頻圖像推出，像素列處理電路的工作頻率較高，因此讀出噪聲較大。為實(shí)現(xiàn)較高的幀頻率和較短的曝光時(shí)間，通常采用 5T 或者更多晶體管的像素結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)良好的全局曝光控制。

　　基于該款高幀頻 CIS，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種瞬態(tài)成像系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由前端高速相機(jī)及遠(yuǎn)端高速圖像采集系統(tǒng)構(gòu)成[5]。前端高速相機(jī)包括光學(xué)鏡頭、快響應(yīng)像增強(qiáng)器、高壓快脈沖發(fā)生器、光纖錐耦合 CIS、以及傳感器驅(qū)動(dòng)電路等。該瞬態(tài)成像系統(tǒng)的實(shí)物和構(gòu)成如圖 1 所示：瞬態(tài)成像系統(tǒng)通常需要實(shí)現(xiàn)很高的時(shí)間分辨能力，通過(guò)快響應(yīng)像增強(qiáng)器配合高壓快脈沖發(fā)生器，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了納秒量級(jí)的時(shí)間分辨性能，同時(shí)像增強(qiáng)器可以對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景進(jìn)行光增強(qiáng)，獲得較好的圖像信噪比。本文所設(shè)計(jì)的瞬態(tài)成像系統(tǒng)，通過(guò)將快響應(yīng)像增強(qiáng)器的開(kāi)門(mén)時(shí)間與高幀頻 CIS 的曝光時(shí)間相配合，實(shí)現(xiàn)了超短曝光的連續(xù)兩幀瞬態(tài)圖像獲取功能。前端相機(jī)獲取的瞬態(tài)圖像通過(guò)光纖傳輸至后端圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行處理和顯示，有利于提高成像系統(tǒng)對(duì)各類(lèi)不同科學(xué)實(shí)驗(yàn)的適用性。

　　2 高幀頻 CIS 工作特性分析

　　高幀頻 CIS 通常采用的典型像素結(jié)構(gòu)為 5T 像素，該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)較快的全局電子快門(mén)，高幀頻 CIS 的典型芯片結(jié)構(gòu)及 5T 像素結(jié)構(gòu)如圖 2 所示：如圖 2 所示的 5T 像素結(jié)構(gòu)主要包括光敏區(qū)復(fù)位、浮置柵級(jí)復(fù)位、轉(zhuǎn)移門(mén)、源極跟隨輸出及行選擇輸出等晶體管。全局電子快門(mén)通過(guò)全局光敏區(qū)復(fù)位信號(hào)配合全局轉(zhuǎn)移信號(hào)實(shí)現(xiàn)，快門(mén)時(shí)序如圖 3 所示：

　　如圖 3 所示，5T 像素通過(guò) PD_RST 信號(hào)對(duì)全局像素光敏區(qū)進(jìn)行清零，關(guān)閉該信號(hào)像素陣列開(kāi)始曝光，打開(kāi)轉(zhuǎn)移信號(hào) TX 則開(kāi)始全局電荷轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移結(jié)束標(biāo)志一次全局曝光的電子快門(mén)結(jié)束。在瞬態(tài)成像模式下，等待觸發(fā)信號(hào)時(shí)像素陣列處于狀態(tài)①，此時(shí) 5T 像素僅光敏區(qū)處于復(fù)位狀態(tài)，轉(zhuǎn)移信號(hào)和浮置柵級(jí)復(fù)位信號(hào)關(guān)閉，傳感器像素陣列內(nèi)部?jī)H有光敏區(qū)的光生電荷通過(guò)復(fù)位管的直接泄放電流。5T像素 CIS 的瞬態(tài)成像模式和穩(wěn)態(tài)連續(xù)成像模式時(shí)序驅(qū)動(dòng)不同，兩者的對(duì)比如圖 4 所示：

　　兩種成像模式在像素陣列的工作狀態(tài)方面存在較大不同：如圖 4 A 子圖所示，在瞬態(tài)成像模式下，傳感器光敏區(qū)長(zhǎng)時(shí)間處于復(fù)位狀態(tài)，光敏區(qū)電勢(shì)被拉高至 VPIX，當(dāng)外部觸發(fā)信號(hào)到來(lái)，PD_RST 管關(guān)閉，陣列光敏區(qū)開(kāi)始累積光生電荷，此時(shí) VPIX負(fù)載降低，由于此時(shí)光敏區(qū)與 VPIX斷開(kāi)，VPIX負(fù)載降低帶來(lái)的電壓波動(dòng)，對(duì)光敏區(qū)的感光不產(chǎn)生影響;如 B 子圖所示，在穩(wěn)態(tài)成像模式下，光敏區(qū)大部分時(shí)間處于電荷累積狀態(tài)，光敏區(qū)的復(fù)位間隔小于幀間隔，當(dāng)曝光時(shí)間與幀間隔接近時(shí)，光敏區(qū)復(fù)位時(shí)間非常短。像素陣列光敏區(qū)短時(shí)間復(fù)位，會(huì)在 VPIX上造成負(fù)載的短時(shí)增大，尤其 PD_RST 復(fù)位管打開(kāi)的瞬間，VPIX上會(huì)增加一個(gè) 20nF 的瞬時(shí)容性負(fù)載，峰值瞬時(shí)電流負(fù)載達(dá)到 1A/50ns。此負(fù)載造成 VPIX 在像素陣列內(nèi)部的波動(dòng)，帶來(lái)像素陣列光響應(yīng)一致性變壞。即連續(xù)成像模式下，像素陣列的光響應(yīng)一致性差于瞬態(tài)成像模式，曝光時(shí)間越短，連續(xù)成像模式下光響應(yīng)一致性越差。

　　兩種成像模式在讀出電路的工作狀態(tài)方面存在不同：瞬態(tài)成像模式下長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有圖像讀出，列處理電路處于初始等待狀態(tài)，此時(shí) CDS 電路的采樣電容、PGA 電路的信號(hào)放大電容、信號(hào)傳輸鏈路上的存儲(chǔ)電容等容性負(fù)載在熱噪聲影響下會(huì)不斷積累電荷，使得像素陣列的暗本底信號(hào)不斷上升，但由于電路沒(méi)有處于高頻率工作狀態(tài)，時(shí)序噪聲會(huì)略小;而穩(wěn)態(tài)模式下，圖像處于連續(xù)讀出狀態(tài)，列處理電路處于連續(xù)工作狀態(tài)，每行讀出后，列處理電路會(huì)自動(dòng)復(fù)位清零，因此像素陣列的暗本底信號(hào)較小，但電路一直處于高頻工作狀態(tài)，時(shí)序噪聲會(huì)略大。即連續(xù)成像模式下，像素陣列暗本底較低，但時(shí)序噪聲略大;瞬態(tài)成像模式下，像素陣列暗本底較高，但時(shí)序噪聲略小。

　　3 成像性能測(cè)試系統(tǒng)及方法

　　為測(cè)試不同工作模式下成像系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)，本文所搭建的成像性能測(cè)試系統(tǒng)如圖 5 所示，主要由光源系統(tǒng)、暗室、信號(hào)源、高幀頻 CMOS 相機(jī)、圖像采集卡、上位機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成[7]。該測(cè)試系統(tǒng)可提供明場(chǎng)、暗場(chǎng)兩種測(cè)試光場(chǎng);可分別對(duì)成像系統(tǒng)的瞬態(tài)工作模式及穩(wěn)態(tài)工作模式進(jìn)行測(cè)量。瞬態(tài)工作模式采用外觸發(fā)信號(hào)獲取單幀圖像，穩(wěn)態(tài)工作模式采用連續(xù)曝光獲取多幅圖像，抽取其中一幅圖像進(jìn)行測(cè)試。

　　穩(wěn)態(tài)工作模式下，系統(tǒng)選用 LED 光源，利用光源控制器控制光源強(qiáng)度，可輸出穩(wěn)定單色光，通過(guò)進(jìn)光口后拆分為兩路，一路直接照射到被測(cè)相機(jī)的 CMOS 圖像傳感器的感光平面,用于穩(wěn)態(tài)圖像的采集;一路通過(guò)光電轉(zhuǎn)換模塊，輸入示波器，與信號(hào)源原始波形進(jìn)行對(duì)比。瞬態(tài)工作模式下，信號(hào)源控制納秒激光器，發(fā)射脈寬為 5ns 的脈沖激光，用于瞬態(tài)圖像的采集，激光器的光譜在 200nm~1000nm 范圍內(nèi)可調(diào)，頻譜寬度為 5nm。前端相機(jī)獲取不同工作模式下的圖像數(shù)據(jù)通過(guò)光纖實(shí)時(shí)傳輸至后端圖像采集卡;圖像采集卡獲取測(cè)量圖像后通過(guò) USB3.0 接口傳輸存儲(chǔ)到上位控制主機(jī)內(nèi)，上位機(jī)軟件對(duì)采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，獲取最終的性能測(cè)試結(jié)果。

　　暗場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試系統(tǒng)關(guān)閉光源，通過(guò)改變相機(jī)的曝光時(shí)間，測(cè)量暗信號(hào)時(shí)間噪聲及暗信號(hào)非均勻性(DSNU)等性能參數(shù)。明場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中，為了獲取一系列不同曝光量的測(cè)試圖像，保持光源光照強(qiáng)度不變，改變圖像傳感器的曝光時(shí)間，測(cè)量時(shí)間噪聲、光響應(yīng)非均勻性(PRNU)等性能參數(shù)。并結(jié)合明場(chǎng)、暗場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，進(jìn)一步分析獲得信噪比、動(dòng)態(tài)范圍、暗電流、總體系統(tǒng)增益等性能參數(shù)。

　　4 性能測(cè)試方法與結(jié)果分析

　　4.1 時(shí)間噪聲

　　(1)參數(shù)測(cè)試方法

　　成像系統(tǒng)的時(shí)間噪聲指隨時(shí)間發(fā)生變化的噪聲，主要來(lái)源包括：熱噪聲、讀出噪聲及放大電路噪聲、量化噪聲、散粒噪聲等。明場(chǎng)條件下，每個(gè)曝光強(qiáng)度下采集 L=20 幅圖像，對(duì) 20 幅圖像取平均獲得平均灰度圖像，并計(jì)算每個(gè)像素灰度相對(duì)于平均灰度圖像的方差，再對(duì)整張圖像求平均，獲取輸出信號(hào)的時(shí)間噪聲