一、像素陣列結構

一般像素陣列是由水平方向的行（ Row ） 和垂直方向的列（Column）正交排列構成的。像素排列的最基本設計原則是：攝像器件像素排列的坐標，必須在顯示的時候能夠準確地還原在圖像原來的相對位置上。在大多數情況下，每個像素中心線在行的方向和列的方向，即垂直和水平兩個方向的步距（Pitch）是相等的。為了充分利用像素陣列的面積，通常像素的高度Hpix和寬度Wpix尺寸分別與像素的垂直步距Prow和水平步距Pcol相等，即像素之間在垂直和水平方向都不留空隙。所以在水平和垂直兩個方向步距相同的陣列中，像素形狀也應該是正方形的。

陣列中列數M和行數N決定了圖像的分辨率，總有效像素數NP為
NP＝M·N
在這樣的一個陣列中，列數與行數之比決定了圖像的寬長比Aspect：
Aspect＝M·Pitch/N·Pitch＝M/N

陣列中每一行像素共享一組重置（Reset）和選擇（Select）控制。如果是4T-APS像素陣列，傳輸控制TX也是每一行共享的。像素陣列的曝光過程是以像素重置作為開始的，而選擇輸出將作為曝光結束，并等待下一次曝光即下一次重置開始的。在這個結構中，每行像素執行相同的重置、傳輸和選擇操作，即每一行像素共享這些控制信號的曝光-讀出時序，即在整個陣列中曝光是按行開始和結束的。在陣列的垂直方向，每一列像素共享一個列輸出總線，并最終連接到一個
恒流源，作為這一列每個像素中源極跟隨器Tsf的共享負載。在整個像素陣列中，由時序控制同時只有一行像素被選擇輸出，所以從每一列輸出總線上同時輸出的就是這一被選中行的每個像素的信號。在整個陣列中所有的電源是連接在一起的，在一列中共享一根電源線，如果有單獨的重置電源Vrst或VT5之類的輔助電源，也將在整個陣列上分別連接在一起。

二、電子快門曝光

CMOS圖像傳感器用電子快門控制曝光，相同結構陣列的不同工作方式和時序，可以產生不同的電子快門方式。這里討論最常見的滾動快門和全局快門曝光方式。

1、滾動快門曝光

滾動快門（Rolling Shutter）曝光是CMOS圖像傳感器陣列最基本的工作方式之一。如前所述圖像陣列的重置、傳輸和選擇是按行操作的，在滾動快門曝光的開始，每一行的重置控制信號Reset（0）、Reset（1）、Reset（2）、…、Reset（N-1），依次間隔相同的Trow時間，開啟重置執行曝光開始操作，直到陣列所有的行都開始曝光。

像素陣列在滾動模式下可以實現連續曝光，條件是曝光時間Texp必須小于幀周期時間Tframe，否則無法完成整幀的曝光過程。但是因為曝光的開始和結束都是滾動的，相鄰行間隔時間Trow都是相同的，所以只要某一行曝光已經結束，這一行就可以重置開始下一幀畫面操作，而不必等待陣列中所有行的像素都完成曝光和讀出的全部操作。

在滾動曝光控制中，相鄰行曝光之間的Trow間隔是十分必要的，因為每行有M 個像素，每單個像素需要一定的讀出時間Tpix，只有在Trow＞M·Tpix的情況下，才能完全正確讀出每行所有像素的信號。這是因為陣列中每一列的像素共享一個列讀出通道，

2、全局快門曝光

滾動快門曝光在拍攝物體運動圖像和有閃光圖像時，會產生被攝圖像的運動失真和閃光失真，尤其在靜止圖像攝影中，快門失真會令人難以容忍。在滾動快門曝光的圖像上，每一行都是在不同時間點開始和結束曝光的。如果被攝物體在曝光過程中高速運動，整幅圖像在完成曝光的過程中，目標物體已經發生位移。先曝光的畫面部分與后曝光的同一畫面部分在不同的相對空間位置上了，使成像的物體形狀產生失真。在拍攝有閃光畫面時，如果閃光發生的時間與一幅圖像的曝光時間可比，可能在一幀圖像曝光過程中，閃光發生了從發生、增強、達到最高、降低和消失的過程。這樣一來，不同時間曝光的畫面部分，被光照射的強度也不相同，造成畫面的閃光失真。。CMOS圖像傳感器的電子快門，可以使用全局快門（Global Shutter）曝光的方法，解決運動和閃光失真的問題。

在CMOS圖像傳感器上實現全局快門曝光，可以充分利用APS像素傳感器陣列的有源電路特點。4T-APS可以用全局快門時序來控制曝光。全局快門的曝光過程，就是將整個陣列的像素同時開始曝光，然后同時結束曝光；曝光完成后把每個像素捕獲的光電信號同時存儲在各自的懸浮擴散區FD中，然后用類似滾動快門的讀出方法滾動選擇讀出。這里所討論的全局快門曝光方法，是建立在像素信息存儲在懸浮擴散區FD中的基礎上，保證全陣列像素相同的曝光開始和結束時間。

在全局快門曝光的時序中，陣列中所有像素的重置同時開啟，開始陣列像素的曝光操作；經過曝光時間Texp后，全陣列像素的傳輸門同時第二次開啟使曝光結束，所有光電二極管中的光生電荷傳輸到各自像素的懸浮擴散區FD，然后滾動逐行開啟每一行像素的選擇開關Select，依次讀出每一行的信號電壓。在滾動讀出的過程中，尚未讀出的信號存儲在各自像素的CFD中，等待滾動選擇讀出。因為讀出時所有傳輸門都已經關閉，光電二極管上的電荷變化不會再影響輸出結果。

兩種快門曝光方式的另外一個不同之處在于：滾動快門的曝光-讀出操作是按行執行的，因此曝光時間也是以行時間Trow的整數倍計算的，且最小曝光時間為一倍的Trow。而全局快門曝光因為是陣列上所有的像素同時開始和結束曝光，Trow時間只會限制滾動讀出的速度，曝光時間則可以幾乎完全自由設定。

三、讀出電路

1、固定圖案噪聲

任何一種在傳感器陣列平面上轉換光電信號的技術方案，都會遭遇到轉換陣列平面制造不均勻而產生的固定圖案噪聲（Fixed Pattern Noise，FPN）問題，盡管不同方案的轉換陣列平面產生這種噪聲的機理并不完全相同。

由于固定圖案噪聲的影響，在沒有光信號照射的情況下，傳感器陣列也會輸出一個固定不變的圖案信號；而在有光學圖像照射的情況下，這個固定圖案信號會疊加在真實的圖像信號上面。

采用APS有源像素的CMOS圖像傳感器陣列，固定圖案噪聲的來源有：

• 有源晶體管開啟電壓Vth不一致；
• 重置開關導通電阻Ron不一致；
• 由導通電阻的不一致引起熱噪聲kBTRon不一致；
• 光電二極管的暗電流Idark不一致；
• 列選擇開關和列處理電路參數的不一致。

采用APS像素的傳感器陣列因為有源器件數量多，產生參數偏差的情況更為復雜，與只有一個光電二極管的無源像素（PPS）陣列方案相比，固定圖案噪聲值也更高。幸好CMOS圖像傳感器的技術優勢幫助彌補了這個問題：在傳感器陣列芯片上同時集成CMOS模擬和數字電路，用以修正疊加在有用圖像信號上的固定圖案噪聲偏差。其中最常用的和證明有效的模擬信號處理方法，就
是采用相關雙采樣電路（CDS）。

2、相關雙采樣

相關雙取樣（Correlated Double Sampling，CDS）電路不是直接測量陣列中每個像素曝光完成后的輸出電壓，而是在每個像素曝光過程中測量兩次輸出電壓：

第一次測量在曝光的開始時刻取樣；

第二次測量在曝光的結束時刻取樣。

相關雙取樣電路輸出的是這兩次取樣測量的電壓差值。

VCDS＝VO2-VO1
式中，VO1是第一次取樣得到的曝光開始時刻像素的輸出電壓值，它作為第二次取樣輸出電壓的相關值；VO2是第二次取樣得到的曝光結束時刻像素的輸出電壓值，兩次取樣的過程被稱為相關雙采樣。陣列中每個像素兩次取樣測量中的偏差值將被抵消。從而修正了整幅圖像信號的固定圖案噪聲（FPN）誤差。

以4T-APS像素為例，一般采用差分電路讀出，結構如下圖

下圖為為這個電路的工作過程和控制時序，在TX第二次開啟之前，列通道電路的S1開啟，實現第一次取樣，測量到的電壓VO1就是保持在懸浮二極管FD上的重置電壓VO1＝VFD1＝Vrst，這個電壓保持在電容CS1上。在TX第二次開啟之后，懸浮二極管FD上存儲曝光終點電壓VFD2，然后CDS讀出電路進行第二次取樣，開關S2開啟對VFD2取樣，并保持在電容CS2上形成VO2。最后SCDS開啟把保持在電
容上的VO1和VO2同時輸入到差分放大器，輸出：VCDS＝VO2-VO1＝VFD2-VFD1＝VFD2-Vrst 。在兩次取樣的時間內，行選擇信號Select保持開啟，使CDS讀出電路完成相關雙取樣運算過程。在4T-APS像素陣列的曝光操作中，曝光時間為兩次傳輸門TX開啟之間的時間間隔。

3、讀出速率

一幅圖像中的每一個像素的模擬電壓信息，從被選擇的行和被選擇的列，按順序讀出到模擬放大器。在這一段模擬電壓的傳輸、轉換和處理時間定義為像素的模擬讀出時間Tpix。這一時間的數值，受行像素選擇開關Select（）x）的速度、列共享輸出總線長度的分布電容、列通道的帶寬、CDS采樣電路的時序、列選擇開關Sc（）x）的速度和模擬放大器的帶寬等因素影響。受器件和電路性能參數的制約，像素信號讀出時間Tpix大約是在10到數十納秒之間。這樣的信息傳輸速度對于高刷新率和高清晰度圖像是遠遠不能滿足要求的，所以從最初設計的CMOS圖像傳感器開始，就采用了多列像素信號并行輸出模式。即在同樣的Tpix時間延遲下，并行讀出Ncol列的像素信號。列并行讀出的像素讀出速率（Pixel Readout Ratio，PRR）為PRR＝Ncol/Tpix，從最早期設計的CMOS圖像傳感器Ncol＝2，當前數字影院攝像器件已經達到Ncol＝100數量級。

提高像素陣列的圖像讀出并行列數，對于提高圖像的幀刷新率和清晰度是至關重要的。一幀像素陣列的讀出時間Tframe為：Tframe＝（M·N）/PRR＝NP/PRR。式中，M 為像素陣列的列數；N為行數；NP為陣列總像素數。對于連續圖像，陣列刷新率（Frame Fresh Ratio，FFR）為：FFR＝1/Tframe＝PRR/NP。

在CMOS圖像傳感器集成電路上，并行列輸出的像素模擬信號，通過集成在同一芯片上的Ncol組模數轉換器（ADC）轉換成數字信號，然后利用先進的高速并行數據傳輸標準，輸出數字圖像數據到芯片引腳上。表4.2列出像素陣列的刷新率、像素讀出速率和圖像陣列的并行像素列數。在高清晰度和高刷新率要求下，只有高并行像素列數NPC，才能傳輸和處理高達吉比特每秒（Gb/s）的圖像信號數據率。

4、并行讀出

早期CMOS圖像傳感器上最簡單的并行列讀出結構是由兩組構成的，采用由奇數列和偶數列兩路并行輸出的方式。如圖所示，列模擬開關S（0）、S（2）、S（4）、…，選擇陣列的偶數列像素信號輸入模擬放大器Amp 0，然后經模數轉換器ADC 0變換成偶數列數據輸出；列模擬開關S（1）、S（3）、S（5）、…，選擇陣列的奇數列像素信號輸入模擬放大器Amp1，然后經模數轉換器ADC 1變換成奇數列數據輸出。

四、基本工作過程

一個4T-APS像素陣列的滾動快門曝光讀出時如圖所示，圖中每一行曝光-讀出過程的重置、傳輸、選擇和相關雙取樣（CDS）運算都與上面所描述的一樣，這里的討論將省略S1和S2兩次取樣的時序。

由Reset（x）和TX（x）控制第（x）行重置開始曝光之后，經過行間隔時間Trow，下一行（x＋1）開始曝光，并依次間隔相同時間Trow，（x＋2）、（x＋3）…行開始曝光。每一行曝光后經過相同的曝光時間Texp，傳輸門TX（x＋n）分別依次第二次開啟，在TX（x＋n）前后選擇Select（x＋n）開啟，然后經過雙取樣運算CDS依次輸出每一行像素的光電轉換信號VCDS（x ＋n ），這里n ＝0、1、2、…。當某一行像素被選擇輸出時，這一行中的每一個像素的光電轉換信號，都通過各自的列通道輸出。在每一個行間隔時間Trow內，列輸出開關Sc（0）、Sc（1）、Sc（2）、…輪流開啟，把像素信號依次輸出到信號總線上去，這個操作稱為水平掃描。陣列中的每一行像素曝光后，這一行所有像素信號全部順序完成CDS讀出，就可以開始下一幅圖像的曝光，而不必等待一幀圖像信號全部完成曝光和信號輸出。連續地反復曝光和讀出，就形成了連續滾動電子快門操作。滾動快門所要求的幀刷新周期時間，必須長于曝光時間加上完成一幀最后一行全部列CDS讀出的操作時間。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的CMOS图像传感器——工作原理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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