CMOS圖像傳感器噪聲綜述

1、CMOS圖像傳感器及噪聲研究綜述劉宗宗摘要 目前，圖像傳感器市場(chǎng)主要有CMOS圖像傳感器和CCD圖像傳感器。CCD圖像傳感器由于其較高的填充因子FF(Fill Factor)和較低的固定模式躁聲FPN(Fix Pattern Noise)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但因其存在著多電壓，高功耗，低速度，難與CMOS集成等缺點(diǎn)，限制了它的應(yīng)用，特別是在要求低電壓低功耗的移動(dòng)設(shè)備中應(yīng)用。CMOS圖像傳感器上世紀(jì)60年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但因工藝和技術(shù)原因，存在嚴(yán)重的噪聲問(wèn)題，性能不夠完善嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量還被廢棄。但自20世紀(jì)90年代以來(lái)進(jìn)人世紀(jì)年代,由于對(duì)小型化、低功耗和低成本成像系統(tǒng)消

2、費(fèi)需要的增加, 芯片制造技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展,為新一代低噪聲、優(yōu)質(zhì)圖像和高彩色還原度的CMOS傳感器的開(kāi)發(fā)鋪平了道路, CMOS傳感器的性能因此大大提高, CMOS圖像傳感器成為固體圖像傳感器的研究開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)。但在光線較暗條件下，CMOS圖像傳感器的噪聲問(wèn)題比較突出，這與器件和工藝本身關(guān)系較大。對(duì)于CMOS圖像傳感器噪聲的研究有助于解決其不足，以保證其優(yōu)勢(shì)可以發(fā)揮，無(wú)論是對(duì)噪聲的抑制，還是對(duì)器件工藝改進(jìn)的引導(dǎo)都有較大意義。圖像傳感器市場(chǎng)比較大，對(duì)于興起的CMOS圖像傳感器研發(fā)也是具有實(shí)際意義的。本綜述首先對(duì)目前CMOS圖像傳感器所用的技術(shù)和原理進(jìn)行了研究介紹，然后分別從CMOS本身晶體管和光

3、電二極管噪聲研究和當(dāng)前技術(shù)結(jié)構(gòu)所擁有的噪聲進(jìn)行了研究介紹，最后自己分析了減小噪聲的大致方向。 一 CMOS圖像傳感器主流結(jié)構(gòu) CMOS圖像傳感器的概念最早出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，但當(dāng)時(shí)由于大規(guī)模集成電路工藝的限制未能進(jìn)行研究 。普遍意義上的CMOS圖像傳感器的研究是從80年代早期開(kāi)始，而從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)品化則是在90年代早期。CMOS圖像傳感器的研發(fā)大致經(jīng)歷了3個(gè)階段：CMOS無(wú)源像素傳感器(CMOSPPS。Passive Pixel Sensor)階段、CMOS有源像素傳感器(CMOSAPS，Active Pixel Sensor)階段和CMOS數(shù)字像素傳感器(CMOSDPS，Digital

4、Pixel Sensor)階段。 圖 1 CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)1.1 無(wú)源像素傳感器 PPS像元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、面積很小。所以在給定的單元尺寸下，可設(shè)計(jì)出最高的填充系數(shù)(FiFactorFF 又稱“孔徑系數(shù)”，即像元中有效光敏單元面積與像元總面積之比)；在給定的設(shè)計(jì)填充系數(shù)下，單元尺寸可設(shè)計(jì)的最小。并且，由于填充系數(shù)高和沒(méi)有類似許多CCD中的多晶硅層疊，無(wú)源像素結(jié)構(gòu)可獲得較高的“量子效率”(即光生電子與入射光子數(shù)量之比)，從而有利于提高器件的靈敏度。 但是這種結(jié)構(gòu)存在著2個(gè)方面的不足：其一，各像元中開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通閾值難以完全匹配，所以即使器件所接受的入射光線完全均勻一致，其輸出信號(hào)仍會(huì)形成某種相

5、對(duì)固定的特定圖形，也就是所謂的“固有模式噪聲”(Fixed Pattern Noise，F(xiàn)PN)，致使PPS的讀出噪聲很大，典型值為250個(gè)均方根電子，較大的固有模式噪聲的存在是其致命的弱點(diǎn)；其二光敏單元的驅(qū)動(dòng)能量相對(duì)較弱，當(dāng)圖像傳感器規(guī)模不斷增大后，總線上電容相應(yīng)增加傳感器讀出速度大幅降低，故而列線不宜過(guò)長(zhǎng)以期減小其分布參數(shù)的影響。受多路傳輸線寄生電容及讀出速率的限制，PPS難以向大型陣列發(fā)展。1.2 有源像素傳感器這種結(jié)構(gòu)相對(duì)無(wú)源像素傳感器結(jié)構(gòu)在像素單元里增加了有源放大管，于是減小了讀出噪聲并且它的讀出速度也較快；由于有源像元的驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)，列線分布參數(shù)的影響相對(duì)較小，因而有利于制作像元陣

6、列較大的器件；另外，由于有源放大管僅在讀出狀態(tài)下才工作，所以CMOS有源像素傳感器的功耗比CCD圖像傳感器的還小。這種結(jié)構(gòu)的APS量子效率比較高，由于采用了新的消噪技術(shù)，輸出圖形信號(hào)質(zhì)量比以前有許多提高，讀出噪聲一般為75100個(gè)電子。而像元本身具備的行選功能，對(duì)二維圖像輸出控制電路的簡(jiǎn)化頗有益處。但是，有源像素傳感器在提高性能的同時(shí)也付出了增加像素單元面積和減小“填充系數(shù)(Fill Factor)”的代價(jià)。APS像元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與PPS像元結(jié)構(gòu)相比(無(wú)源像元的孔徑效率多在6080之間)，其填充系數(shù)較小，設(shè)計(jì)填充系數(shù)典型值為2030，與行間轉(zhuǎn)移CCD接近，因而需要一個(gè)較大的單元尺寸。為了補(bǔ)償有源

7、像素填充系數(shù)不高引起的不足，CMOS器件往往借用CCD制造工藝中現(xiàn)有的“微透鏡”技術(shù) 就是在器件芯片的常規(guī)制作工序完成后，再利用光刻技術(shù)在每個(gè)像元的表面直接制作一個(gè)微型光學(xué)透鏡 借以對(duì)入射光進(jìn)行會(huì)聚，使之集中投射于像元的光敏單元，從而可將有源像元的有效填充系數(shù)提高23倍，提高信號(hào)質(zhì)量。深亞微米技術(shù)的采用將會(huì)大幅提高填充率。1.3 數(shù)字像素圖像傳感器上面提到的無(wú)源像素傳感器和有源像素傳感器的像素讀出均為模擬信號(hào)，于是它們又通稱為模擬像素傳感器。近年來(lái)，美國(guó)斯坦福大學(xué)提出了一種新的CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)一數(shù)字像素傳感器(DPS)，在像素單元里集成了ADC(AnalogtoDigital Conve

8、rtor)和存儲(chǔ)單元，如圖1(c)所示。由于這種結(jié)構(gòu)的像素單元讀出為數(shù)字信號(hào)，其它電路都為數(shù)字邏輯電路，因此數(shù)字像素傳感器的讀出速度極快，具有電子快門的效果，非常適合高速應(yīng)用，而且它不像讀出模擬信號(hào)的過(guò)程，不存在器件噪聲對(duì)其產(chǎn)生干擾。另外，由于DPS充分利用了數(shù)字電路的優(yōu)點(diǎn)，因此易于隨著CMOS工藝的進(jìn)步而提高解析度，性能也將很快達(dá)到并超過(guò)CCD圖像傳感器，并且實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的單片集成。數(shù)字像素圖像傳感器的主要缺點(diǎn)在于因?yàn)樵黾恿讼袼貑卧獌?nèi)的晶體管數(shù)目而需要較大的像素單元面積，而且隨著芯片加工工藝的不斷發(fā)展，接口電壓在不斷降低，漏電流也在不斷增加，DPS的設(shè)計(jì)和制造也面臨著較大的挑戰(zhàn)。目前，這種傳感器

9、還處于研究階段。以上介紹了3種不同類型的圖像傳感器結(jié)構(gòu)，其中發(fā)展最快的是CM0SAPS。這種類型的圖像傳感器器件已經(jīng)進(jìn)入商品化和實(shí)用化階段，但是對(duì)全面改善CM0SAPS性能的研究工作還在深入進(jìn)行。CMOS圖像傳感器能夠快速發(fā)展，一是基于固體圖像傳感器技術(shù)的研究成果，二是得益于CMOS集成電路工藝技術(shù)的成熟。在CMOS取代CCD的進(jìn)程中生產(chǎn)工藝將是彌補(bǔ)CMOS圖像質(zhì)量和亮度不足的關(guān)鍵。1.4 4T-APS結(jié)構(gòu) 上一節(jié)介紹了3種不同傳感器結(jié)構(gòu)，其中主流為APS結(jié)構(gòu)。這其中3T-APS和4T-APS是最常用的。3T-APS像素由于自身結(jié)構(gòu)的關(guān)系, 暗電流不能得到很好的控制, 性能難以滿足較高的要求為

10、滿足需要,4T-APS 像素結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生, 它比3T-APS像素有更小的噪聲, 更好的性能同時(shí)要求控制部分更加復(fù)雜。 在像素的各種結(jié)構(gòu)中，像素有很高的填充因子（，），但其對(duì)噪聲的抑制能力較差；而及更復(fù)雜的像素結(jié)構(gòu)由于其較低的，很難在超大規(guī)模中應(yīng)用 APS像素結(jié)構(gòu)是目前s的主流結(jié)構(gòu)之一，該結(jié)構(gòu)有利于相關(guān)雙采樣（ ，）技術(shù)的運(yùn)用，有效抑制噪聲，并且有較高的，利于擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍，常應(yīng)用于大陣列的設(shè)計(jì)中像素結(jié)構(gòu)如圖所示，該結(jié)構(gòu)由鉗位光電二極管（，）、傳輸管、復(fù)位管、源極跟隨器和行選管組成。圖 2 型像素結(jié)構(gòu)示意圖二 CIS噪聲分析噪聲一直是限制CMOS圖像傳感器占領(lǐng)市場(chǎng)的重要因素之一。目前用于科學(xué)研究的

11、高性能CCD能達(dá)到的噪聲水平為35個(gè)電子，而CMOS圖像傳感器則為300-500個(gè)電子。CMOS圖像傳感器的主要噪聲來(lái)源有像素光敏單元的光電二極管，場(chǎng)效應(yīng)管及圖像傳感器工作時(shí)產(chǎn)生的其它噪聲。其中光電二極管產(chǎn)生的噪聲有熱噪聲，散粒噪聲，產(chǎn)生復(fù)合噪聲及電流噪聲。MOS場(chǎng)效應(yīng)管，包括放大器中的場(chǎng)效應(yīng)管和用于行列選址模擬開(kāi)關(guān)的場(chǎng)效應(yīng)管，引起的噪聲主要有熱噪聲，誘生柵極噪聲及電流噪聲。而光敏陣列和MOS場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的CMOS圖像傳感器在工作中，還會(huì)引進(jìn)其它的噪聲，比如復(fù)位噪聲（KTC噪聲）和空間噪聲等。圖 3 CMOS 圖像傳感器在信號(hào)傳遞過(guò)程中產(chǎn)生的的各種噪聲示意圖2.1 時(shí)間噪聲分析 在噪聲分析過(guò)程

12、中，我們可以用時(shí)間域隨機(jī)過(guò)程和空間域隨機(jī)過(guò)程來(lái)描述CMOS圖像傳感器信號(hào)傳送過(guò)程中產(chǎn)生的各種噪聲。在圖像最終輸出的信號(hào)中我們得到的是時(shí)空域統(tǒng)一的圖像噪聲。 關(guān)于時(shí)間噪聲隨光強(qiáng)變化而變化的趨勢(shì)我們?cè)诘谒男」?jié)的三維噪聲模型實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，時(shí)間噪聲也稱為隨機(jī)噪聲，在這一部分我們主要考慮的時(shí)間噪聲有熱噪聲，散粒噪聲，復(fù)位噪聲，低頻噪聲等。(1) 熱噪聲熱噪聲是由于光電器件中電子的隨機(jī)熱振動(dòng)產(chǎn)生的，存在于任何電子器件和電阻中，比如場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)電溝道電阻。在場(chǎng)效應(yīng)管中，電子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致溝道電勢(shì)的起伏，柵極電壓的波動(dòng)，從而產(chǎn)生熱噪聲。它是一種白噪聲。1928 年，奈奎斯特提出了熱噪聲的均方電壓表達(dá)式為：其中，

13、K 是玻爾茲曼(Boltzmann)常數(shù)，T 是器件的絕對(duì)工作溫度，f 為帶寬。熱噪聲可以通過(guò)降低器件工作溫度來(lái)抑制。(2) 散粒噪聲 散粒噪聲服從泊松分布，是由于光電傳感器件工作時(shí)所加的偏置電流中的電子越過(guò)光電二極管的PN 結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的，散粒噪聲的電流均方值為： 其中，q 為單個(gè)電子電荷量， 為所加的偏置電流的值，由式中我們可以看出，散粒噪聲的大小與偏置電流的值成正比。降低散粒噪聲的一個(gè)方法是減小偏置電流，但是可能會(huì)引起光電響應(yīng)度的降低和光電響應(yīng)非線性的升高。(3) 產(chǎn)生復(fù)合噪聲產(chǎn)生復(fù)合噪聲是光電子器件所特有的噪聲，是由于光生載流子的產(chǎn)生和復(fù)合圍繞一個(gè)均值漲落，引起電流起伏，從而形成噪聲。產(chǎn)

14、生復(fù)合噪聲的表達(dá)式如下： 其中， 為光生載流子產(chǎn)生率， 是載流子壽命， 為測(cè)量頻率。（4) 1/f 噪聲 1/f 噪聲也稱低頻噪聲，電流噪聲。產(chǎn)生的原因比較復(fù)雜，光敏元件中的低頻噪聲是由于器件工藝雜質(zhì)或缺陷損傷引起的，而在場(chǎng)效應(yīng)管中，則與MOS 管的表面狀態(tài)相關(guān)。因其大小與頻率成正比，所以叫1/f 噪聲。它的電流均方值為： 其中， ， 和k 都是常數(shù)，I 為器件中的電流。由式中我們可以看出，低頻噪聲的大小于工作頻率成反比，因此提高工作頻率可以減小低頻噪聲，但是由于CMOS傳感器幀頻的限制，CMOS 器件的工作頻率不可能很高，低頻噪聲是不可避免的。2.2 空間噪聲分析空間噪聲有固定模式噪聲（FP

15、N），光響應(yīng)非均勻性，熱圖案噪聲等。空間噪聲是由制作工藝缺陷或者材料摻雜濃度等原因引起的，且不隨時(shí)間改變的固有噪聲。其中，暗電流不均勻引起的固定模式噪聲和像素缺陷引起的光響應(yīng)非均勻性(PRNU)屬于模式噪聲。固定模式噪聲和光響應(yīng)非均勻性都與時(shí)間無(wú)關(guān)，F(xiàn)PN 與光照無(wú)關(guān)，PRNU 則是與光照相關(guān)的變量。通常采用相關(guān)雙采樣電路來(lái)對(duì)固定模式噪聲來(lái)進(jìn)行抑制，即將兩次分別采樣得到的積分和復(fù)位信號(hào)求差，從而消除了放大和復(fù)位電路引入的噪聲。2.3 本底噪聲分析 在像素中，本底噪聲是制約動(dòng)態(tài)范圍的一個(gè)主要因素通常，將暗光條件下限制圖像質(zhì)量的噪聲稱為本底噪聲，主要包括暗電流的散粒噪聲、源極跟隨器的/ 噪聲和熱噪

16、聲.2.3.1 散粒噪聲研究表明，暗散粒噪聲的電子數(shù)為暗電子數(shù)的平方根，即:式中，表示由暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲的均方根電子數(shù)。 為了減小暗散粒噪聲來(lái)抑制本底噪聲，需要減小暗電流研究表明，暗電流主要來(lái)自于周邊的各種復(fù)合中心。減小暗電流在工藝方面的主要工作就是盡可能減少這些復(fù)合中心的出現(xiàn)，或者將其與光電荷收集區(qū)隔離開(kāi)來(lái)，以阻止復(fù)合中心產(chǎn)生的暗電流被收集。2.3.2 /噪聲及熱噪聲在結(jié)構(gòu)像素中，采樣所得的復(fù)位信號(hào)和光信號(hào)中噪聲的相關(guān)性為，即兩次采樣包含同樣大小的噪聲分量，故而技術(shù)能完全消除該噪聲分量然而，對(duì)于源極跟隨器的熱噪聲，由于兩次采樣的相關(guān)性小于，故不能被完全消除。2.3.3 1/f 噪聲在像素

17、結(jié)構(gòu)中，由于復(fù)位管的/噪聲能被技術(shù)有效消除，因而相對(duì)分量較小的源極跟隨器/ 噪聲成為技術(shù)后的主要本底噪聲分量但如果的兩次采樣間隔很短，則兩次采樣所得的/ 噪聲也有一定的相關(guān)性，所以技術(shù)一定程度上也能減小/ 噪聲。2.4 噪聲的抑制方法 圖像傳感器已日漸成為主流的圖像傳感器，由于人們對(duì)其成像質(zhì)量要求的進(jìn)一步提高，抑制噪聲成為一個(gè)必然的要求。噪聲的抑制找了各方面的資料后總結(jié)出主要通過(guò)兩個(gè)大的方面來(lái)進(jìn)行抑制，一是在源頭階段獲取更少的噪聲，而是在獲取了含噪聲信號(hào)后通過(guò)適當(dāng)?shù)乃惴▉?lái)減小噪聲的影響，還原圖像質(zhì)量。2.4.1 工藝和結(jié)構(gòu)的抑制方法暗電流抑制除了正常的減少?gòu)?fù)合中心出現(xiàn)或者將其與光電荷收集區(qū)隔離

18、起來(lái)外還有兩種措施：（）隔離與的耗盡區(qū)，可將做在阱中，阱的摻雜濃度可與相比擬，高的型摻雜使界面空間電荷區(qū)變薄，減少了復(fù)合中心的產(chǎn)生，從而減小了對(duì)暗電流的貢獻(xiàn)；（2）降低型光電二極管的夾斷電壓，能減小穿透電流和耗盡區(qū)的產(chǎn)生復(fù)合電流。降低熱噪聲和1/f噪聲的CDS結(jié)構(gòu)如上圖所示，通過(guò)此結(jié)構(gòu)可以大幅提高傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。2.4.2 對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行何時(shí)算法抑制噪聲的方法 圖像增強(qiáng)的目的是對(duì)圖像進(jìn)行加工，得到對(duì)觀察者來(lái)說(shuō)更“好”或者更“有用”的圖像。目前常用的圖像增強(qiáng)方法有兩類，基于圖像域的方法和基于變換域的方法。基于圖像域的方法直接在圖像平面本身進(jìn)行處理，包括處理過(guò)程是對(duì)單個(gè)像素進(jìn)行的點(diǎn)處理或者根據(jù)模板進(jìn)行處理?；谧儞Q域的方法通過(guò)圖像的變換域進(jìn)行處理，即根據(jù)需要修改圖像的傅立葉變換。 增強(qiáng)算法主要分為空間域圖像增強(qiáng)和頻域圖像增強(qiáng)。同時(shí)判斷噪聲后還可以通過(guò)不同的濾波來(lái)進(jìn)行降噪，對(duì)于椒鹽噪聲，選擇