低照度CMOS圖像傳感器技術(shù)研究

楊敏

摘 要：互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）是目前電壓控制的一種放大器件，在CMOS圖像傳感器中扮演著重要的角色，尤其是由其所構(gòu)成的圖像傳感器具有良好的經(jīng)濟(jì)性、功耗低、體積小等優(yōu)勢(shì)，更是成為今后固定微光器件發(fā)展的主流趨勢(shì)。本文將從光電二極管靈敏度增強(qiáng)技術(shù)、像元面積優(yōu)化技術(shù)、微光楔技術(shù)、長(zhǎng)時(shí)間積分技術(shù)、低噪聲技術(shù)圍繞低照度CMOS圖像傳感器技術(shù)展開研究，旨在為其更好的應(yīng)用提供幫助。

關(guān)鍵詞：低照度；互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體；圖像傳感器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.13.251

0 前言

盡管微光成像技術(shù)已經(jīng)在當(dāng)前多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但是因真空微光器件仍然為其主流，使得夜視成像效果欠佳，所以提高圖像傳感器的靈敏度、獲得更加高清的可見光圖像成為當(dāng)務(wù)之急。CMOS圖像傳感器為CMOS電路與圖像傳感技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，自上個(gè)世紀(jì)末誕生以來得到了跨越式發(fā)展。由于其能夠獨(dú)立完成復(fù)雜的光電信號(hào)處理，將其應(yīng)用于圖像傳感技術(shù)中可滿足上述要求。因而本文針對(duì)低照度CMOS圖像傳感器技術(shù)展開的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 光電二極管靈敏度增強(qiáng)技術(shù)研究

靈敏度為衡量低照度CMOS圖像傳感器應(yīng)用價(jià)值的重要參照指標(biāo)，在實(shí)際應(yīng)用中靈敏度受到量子效率和光敏面面積大小等因素制約，可見光的波長(zhǎng)一般在770納米～390納米之間，其穿透深度與波長(zhǎng)存在著密切的關(guān)聯(lián)性，一般情況下可見光波長(zhǎng)越大，其穿透深度越深[1]。所以通過加深光電二極管結(jié)構(gòu)區(qū)域則能夠?qū)崿F(xiàn)提高波長(zhǎng)較長(zhǎng)的可見光光子吸收效率，從而產(chǎn)生沖擊力更強(qiáng)的光電流信號(hào)。當(dāng)前普遍開展的光電二極管靈敏度增強(qiáng)技術(shù)的研究正是基于此點(diǎn)內(nèi)容而開展的。

2 像元面積優(yōu)化技術(shù)研究

上文已經(jīng)敘述，靈敏度與光敏面面積大小息息相關(guān)，換而言之低照度CMOS圖像傳感器中像元感光面積亦能夠直接影響圖像傳感器的靈敏度，所以提高像元感光面積成為提升低照度CMOS圖像傳感器靈敏度最直接、最有效的手段之一。但是要想實(shí)現(xiàn)該目的卻需要注意一下幾個(gè)前提：首先，像元面積的增大勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致整個(gè)芯片面積以及光學(xué)系統(tǒng)體積的增大，成本隨之提高。另一方面，像元面積的增大還會(huì)導(dǎo)致整個(gè)元器件尺寸以及所處位置發(fā)生改變，此時(shí)就需要重新對(duì)整個(gè)低照度CMOS圖像傳感器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，所以此方面內(nèi)容將會(huì)成為今后研究的重要內(nèi)容之一。

3 微光楔技術(shù)研究

低照度CMOS圖像傳感器整合了大量的信號(hào)處理器，使得多路功能得到了顯著增強(qiáng)，但是隨之而來的問題則是填充因子數(shù)量不足，使得其僅能夠維持在30%左右，此時(shí)靈敏度處于一個(gè)較低的問題，也是限制低照度CMOS圖像傳感器進(jìn)一步在多個(gè)領(lǐng)域使用的關(guān)鍵因素之一。基于此，本文認(rèn)為提高填充因子將可以直接解決該問題，而具體的舉措可通過以下兩種手段實(shí)現(xiàn)：其一，將微透鏡置入光敏面上移增強(qiáng)入射光的能量聚焦，借助于微透鏡所具有的反射功能、透射損失率的優(yōu)勢(shì)來提高填充因子數(shù)量，可將其由原來的30%提升至70%。其二，利用微光楔技術(shù)。該技術(shù)充分利用了反射技術(shù)，利用高反射率將照射入像元面積的可見光經(jīng)反射以進(jìn)入光點(diǎn)二極管的光敏面之中，從而大幅增加了低照度CMOS圖像傳感器的可見光量子利用率，在理論上該技術(shù)能夠?qū)⑻畛湟蜃犹岣咧?00%且不會(huì)增加傳感器元器件體積，所以本文著重推薦應(yīng)用微光楔技術(shù)。

4 長(zhǎng)時(shí)間積分技術(shù)研究

低照度CMOS圖像傳感器突出的優(yōu)勢(shì)在于能夠于像元內(nèi)對(duì)接收到的光線信號(hào)進(jìn)行處理，而光電流積分則是當(dāng)前提高輸出光電信號(hào)幅度和降低信噪比最有效的手段。鑒于其主要是通過利用幀時(shí)間實(shí)現(xiàn)上述目的，所以提高延長(zhǎng)光電流積分時(shí)間在理論上有助于提高光電信號(hào)的輸出幅度，比如一般情況下的低照度CMOS圖像傳感器幀頻在50Hz，幀時(shí)間20ms，此時(shí)間已經(jīng)涵蓋了積分時(shí)間和讀出時(shí)間且二者之間存在著明顯的互補(bǔ)性，若是將讀出時(shí)間降低至100μs以下，則積分時(shí)間隨之延長(zhǎng)，在理論上可達(dá)到19.9ms極限數(shù)值[2]。

5 低噪聲技術(shù)研究

上述光電二極管靈敏度增強(qiáng)技術(shù)、像元面積優(yōu)化技術(shù)、微光楔技術(shù)、長(zhǎng)時(shí)間積分技術(shù)的研究主要是基于提高輸出信號(hào)幅度視角出發(fā)，但是不可否認(rèn)的是低照度CMOS圖像傳感器在運(yùn)行時(shí)信噪比亦會(huì)對(duì)其帶來嚴(yán)重影響，所以提高信噪比顯得尤為重要。既往采取的優(yōu)化電路設(shè)計(jì)能夠收獲一定的降噪效果，但是在實(shí)際應(yīng)用中因研發(fā)成本較高并不具有推廣使用價(jià)值。為此，本文建議可從低噪聲技術(shù)著手，利用列級(jí)信號(hào)處理的方式來實(shí)現(xiàn)提高低照度CMOS圖像傳感器信噪比的目的，即：將高增益的列級(jí)放大器與多重采樣技術(shù)有機(jī)結(jié)合，在獲得更為理想的輸出信號(hào)時(shí)有效抑制由此所帶來的噪聲，從而將信噪比控制在亞電子數(shù)噪聲水平。由于其電壓增益在1以下，晶體管產(chǎn)生的噪聲被電路增益抑制[3]。此項(xiàng)技術(shù)在2012年就已經(jīng)得到了實(shí)際驗(yàn)證，低照度CMOS圖像傳感器獲取的影響更為清晰，所以將其廣泛推廣使用已經(jīng)具備了較高的可操作性及可行性。

6 結(jié)論

綜上所述，低照度CMOS圖像傳感器所具有的優(yōu)勢(shì)將會(huì)日益凸顯，但是其在實(shí)際應(yīng)用中所暴露出的輸出信號(hào)幅度及信噪比低的問題同樣不容忽視，而上述兩個(gè)問題也是限制低照度CMOS圖像傳感器獲取的夜間成像效果欠佳的“罪魁禍?zhǔn)住保虼吮疚脑谔岣咻敵鲂盘?hào)幅度中著重分析了光電二極管靈敏度增強(qiáng)技術(shù)、像元面積優(yōu)化技術(shù)、微光楔技術(shù)、長(zhǎng)時(shí)間積分技術(shù)，旨在大幅提高輸出信號(hào)幅度，以獲取更為理想的成像效果。而在提高信噪比方面則是著重圍繞低噪聲技術(shù)加以分析，最終認(rèn)定上述五種技術(shù)的研究有助于提高低照度CMOS圖像傳感器的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，值得推廣使用。

參考文獻(xiàn)：

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