CMOS圖像傳感器噪聲綜述

1、CMOS圖像傳感器及噪聲研究綜述 摘要 目前，圖像傳感器市場主要有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年代以來進(jìn)人世紀(jì)年代,由于對小型化、低功耗和低成本成像系統(tǒng)消費(fèi)需要的增加, 芯片制造技術(shù)和

2、信號處理技術(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發(fā)熱點(diǎn)。但在光線較暗條件下，CMOS圖像傳感器的噪聲問題比較突出，這與器件和工藝本身關(guān)系較大。對于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)勢可以發(fā)揮，無論是對噪聲的抑制，還是對器件工藝改進(jìn)的引導(dǎo)都有較大意義。圖像傳感器市場比較大，對于興起的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本身晶體管和光電二極管噪聲研究和當(dāng)前技術(shù)結(jié)構(gòu)

3、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個階段：CMOS無源像素傳感器(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 Pixel Sensor)階段

4、。 圖 1 CMOS圖像傳感器像素結(jié)構(gòu)1.1 無源像素傳感器 PPS像元結(jié)構(gòu)簡單、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)高和沒有類似許多CCD中的多晶硅層疊，無源像素結(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個方面的不足：其一，各像元中開關(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，其輸出信號仍會形成某種相對固定的特定圖形，也就是所謂的

5、“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)動能量相對較弱，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，故而列線不宜過長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)相對無源像素傳感器結(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)動能力較強(qiáng)，列線分布參數(shù)的影響相對較小，因而有利于制作像元陣列較大的器件；另外，由于有源放

6、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)，輸出圖形信號質(zhì)量比以前有許多提高，讀出噪聲一般為75100個電子。而像元本身具備的行選功能，對二維圖像輸出控制電路的簡化頗有益處。但是，有源像素傳感器在提高性能的同時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。APS像元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與PPS像元結(jié)構(gòu)相比(無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，因而需要一個較大的單元尺寸。為了補(bǔ)償有源像素填充系數(shù)不高引起的不足，C

7、MOS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)在每個像元的表面直接制作一個微型光學(xué)透鏡 借以對入射光進(jìn)行會聚，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，提高信號質(zhì)量。深亞微米技術(shù)的采用將會大幅提高填充率。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，于是它們又通稱為模擬像素傳感器。近年來，美國斯坦福大學(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 Convertor)和存儲單元，如圖1(

8、c)所示。由于這種結(jié)構(gòu)的像素單元讀出為數(shù)字信號，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的過程，不存在器件噪聲對其產(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，這種傳感器還處于研究階段。以上介紹了3種

9、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滿足需要,4T-APS 像素結(jié)

10、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)市場的重要因素之一。目前用于科學(xué)研究的高性能CCD能達(dá)到的噪聲水平為

11、35個電子，而CMOS圖像傳感器則為300-500個電子。CMOS圖像傳感器的主要噪聲來源有像素光敏單元的光電二極管，場效應(yīng)管及圖像傳感器工作時產(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場效應(yīng)管，包括放大器中的場效應(yīng)管和用于行列選址模擬開關(guān)的場效應(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場效應(yīng)管構(gòu)成的CMOS圖像傳感器在工作中，還會引進(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 圖像傳感器在信號傳遞過程中產(chǎn)生的的各種噪聲示意圖2.1 時間噪聲分析 在噪聲分析過程中，我們可以用時間域隨機(jī)過程和

12、空間域隨機(jī)過程來描述CMOS圖像傳感器信號傳送過程中產(chǎn)生的各種噪聲。在圖像最終輸出的信號中我們得到的是時空域統(tǒng)一的圖像噪聲。 關(guān)于時間噪聲隨光強(qiáng)變化而變化的趨勢我們在第四小節(jié)的三維噪聲模型實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，時間噪聲也稱為隨機(jī)噪聲，在這一部分我們主要考慮的時間噪聲有熱噪聲，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)熱振動產(chǎn)生的，存在于任何電子器件和電阻中，比如場效應(yīng)管的導(dǎo)電溝道電阻。在場效應(yīng)管中，電子的隨機(jī)運(yùn)動導(dǎo)致溝道電勢的起伏，柵極電壓的波動，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，K 是玻爾茲曼(Boltzma

13、nn)常數(shù)，T 是器件的絕對工作溫度，f 為帶寬。熱噪聲可以通過降低器件工作溫度來抑制。(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所加的偏置電流中的電子越過光電二極管的PN 結(jié)時所產(chǎn)生的，散粒噪聲的電流均方值為： 其中，q 為單個電子電荷量， 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方法是減小偏置電流，但是可能會引起光電響應(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)合圍繞一個均值漲落，引起電流起伏，從而形成噪聲。產(chǎn)生復(fù)合噪聲的表達(dá)式如下： 其中

14、， 為光生載流子產(chǎn)生率， 是載流子壽命， 為測量頻率。（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（FPN），光響應(yīng)非均勻性，熱圖案噪

15、聲等?？臻g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)非均勻性都與時間無關(guān)，F(xiàn)PN 與光照無關(guān)，PRNU 則是與光照相關(guān)的變量。通常采用相關(guān)雙采樣電路來對固定模式噪聲來進(jìn)行抑制，即將兩次分別采樣得到的積分和復(fù)位信號求差，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，本底噪聲是制約動態(tài)范圍的一個主要因素通常，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/ 噪聲和熱噪聲.2.3.1 散粒噪聲研究表

16、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抑制本底噪聲，需要減小暗電流研究表明，暗電流主要來自于周邊的各種復(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)隔離開來，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)位信號和光信號中噪聲的相關(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 噪聲在像素結(jié)構(gòu)中，由于復(fù)位管的/噪聲能被

17、技術(shù)有效消除，因而相對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，由于人們對其成像質(zhì)量要求的進(jìn)一步提高，抑制噪聲成為一個必然的要求。噪聲的抑制找了各方面的資料后總結(jié)出主要通過兩個大的方面來進(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后通過適當(dāng)?shù)乃惴▉頊p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復(fù)合中心出現(xiàn)或者將其與光電荷收集區(qū)隔離起來外還有兩種措施：（）隔離與

18、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，通過此結(jié)構(gòu)可以大幅提高傳感器的動態(tài)范圍。2.4.2 對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行何時算法抑制噪聲的方法 圖像增強(qiáng)的目的是對圖像進(jìn)行加工，得到對觀察者來說更“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?；趫D像域的方法直接在圖像平面本身進(jìn)行處理，包括處理過程是對單個像素進(jìn)行的點(diǎn)處理或者根據(jù)模板進(jìn)行處理。基于變換域的方法通過圖像的變換域進(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)。同時判斷噪聲后還可以通過不同的濾波來進(jìn)行降噪，對于椒鹽噪聲，選擇中值