????????動態范圍是CMOS 圖像傳感器中很重要的一項評價指標。動態范圍指示了CMOS 圖像傳感器能夠在同一幀圖像中同時探測到的最大光強信號和最小光強信號的范圍。動態范圍通常用dB 形式來表示，其計算公式如下

????????其中Pmax 和Pmin 分別是最大非飽和光強與最小可探測光強。對于線性響應的傳感器來說，最大非飽和光強對應滿阱容量，最小可探測光強對應底噪聲，那么動態范圍也可以用滿阱容量除以底噪聲（e-）來計算。

????????CMOS 圖像傳感器因為受到滿阱容量、曝光時間和噪聲的限制，其動態范圍通常60~70dB，但是人眼的動態范圍在100dB 以上，所以傳感器所拍攝的內容很難準確還原人眼所觀察到的場景。在一些特定領域，如汽車電子、安防監控等，也需要傳感器的動態范圍達到100dB 以上。那么為了擴展圖像傳感器的動態范圍，近20 年來提出了很多的方法和技術。

????????除了降低Pmin 來擴展動態范圍，更為常用的動態范圍擴展技術是提高Pmax。人眼的動態范圍高達100dB 以上，遠高于普通的圖像傳感器。人眼擁有以下三種機制來達到如此大的動態范圍。首先，人眼中有兩種細胞在感光，一種是視錐細胞，另一種叫視桿細胞，兩種細胞對光的響應度是不同的，能夠分別感測到高、低光照部分的信息。其次，人眼的響應與光強的關系并不是線性的，而是呈現對數形式的，所以人眼在高光強下敏感度比較低，不容易飽和。最后，人眼還能夠根據所觀測場景的亮度自動調節進光量，相當于平移光響應曲線。綜合以上工作機制，人眼能夠獲得很大的動態范圍。基于人眼的感光機制，圖像傳感器也可以采取類似的方法來獲取大動態范圍。主流的動態范圍擴展技術分為五類：多靈敏度、對數光響應、阱容量調整、飽和探測和多次曝光。

一、多靈敏度

????????前面提到人眼中有兩種感光細胞，這兩種細胞的感光度不同，就能獲得大的動態范圍。那么在CMOS 圖像傳感器的中，可以在一個像素中同時集成具有高低靈敏度探測能力的兩個光電探測器來模擬人眼這種機制來實現大動態范圍。在明亮條件下，低靈敏度的光電探測器工作，而在暗環境下，高靈敏度的光電探測器工作。這種方式與人類視覺系統是很類似的。

????????還有方案是將CMOS 圖像傳感器像素中，PD 是高感光度的光電探測器，而將FD 作為低感光度的探測器。在明亮條件下，一些光生載流子通過襯底擴散到FD 區域，并且被FD 收集，成為能夠響應強光的電荷。

二、對數光響應

????????對數光響應傳感器將需要很高電壓擺幅才能探測的光強通過對數形式壓縮，在相同的電壓擺幅范圍內，實現更大的探測范圍。目前對數傳感器通常是在像素中增加一個工作在亞閾值的晶體管來實現對數響應。??除了通過像素改進輸出對數響應，還有通過把ADC 的量化曲線修改成指數的關系也可以輸出對數光響應。

??????對數傳感器的限制因素主要在于工藝失配、低光下的噪聲和圖像拖尾。這些問題都是由對數傳感器中的亞閾值工作的晶體管引起的。因此很多研究都在關注如何消除對數傳感器的FPN。

????????為了解決低光下對數傳感器噪聲特性差的問題，一些研究提出了線性-對數響應的傳感器。

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????????在低光強條件下傳感器呈現出線性響應，而在高光強條件下傳感器的光響應表現為對數形式。因為低光照條件下線性響應通常表現出更好的信噪比和FPN 等特性，所以低光照成像能力得到提升，而高光照條件下對數響應又能夠保證傳感器有足夠的探測范圍。因此這種線性-對數響應傳感器是對數傳感器的重要改進。

三、阱容量調整

????????阱容量調整方案就是在曝光期間調整PD 的滿阱容量，來改變光響應曲線。在這個方案中，需要用到一個用于電荷泄放的漏極（over-flow drain，OFD）。通過調整積分區域和泄放漏之間柵極的電壓來將光響應曲線調整為非線性。當照射到圖像傳感器足夠強時，光電二極管就會飽和，通過逐漸減低泄放漏極的阱電勢，釋放部分光生電荷，強光就不容易使像素飽和，同時弱信號也能夠保留下來。這種方法在3T 和4T 有源像素中實現起來都非常容易，而且在低光條件下它具有很好的信噪比特性。

???????上面通過調整PD 的電荷容納能力來提高動態范圍，但是當PD 足夠大時，滿阱容量的限制主要在于轉換節點FD，所以調整轉換節點也能夠獲得大動態范圍特性。常見方案是在FD 旁增加一個小電容CS。暗光下只用FD 來獲得高靈敏度信號，強光下用FD+CS 來獲得更大的阱容量來提高強光信號探測能力，所以傳感器不僅在暗光下擁有高靈敏度，其動態范圍也得到了保證。

四、飽和探測

????????飽和探測方案是通過檢測積分信號或者積分電荷，當其達到某一閾值就將像素復位，再繼續探測，如此重復進行，最后輸出未飽和的信號和記錄下的復位次數。飽和探測方案在工作過程中將部分信號轉換為了數字量，所以其對信號擺幅的依賴要遠小于普通的APS 像素，也就是說這種方案可以在滿阱容量受限的條件下，實現大的動態范圍。

????????飽和探測的具體實現方案主要分為脈沖寬度調制型（pulse width modulation，PWM）和脈沖頻率調制型（pulse frequency modulation，PFM）像素。

????????脈沖寬度調制型傳感器是探測信號達到某一閾值的時間從而將這一時間轉化為一個寬度可調的脈沖，并且用計數器記錄這一脈沖寬度所占用的時鐘數，最終用這個時鐘數來表示光強。現有研究發現PWM 型像素更加適合深亞微米工藝的低電壓、低功耗設計。PWM 型傳感器動態范圍主要取決于暗電流水平和計數時鐘的頻率，所以其動態范圍的限制因素要比普通APS 要容易小的多，所以PWM 傳感器更容易獲得大動態范圍。

????????脈沖頻率調制PFM 型傳感器的是當PD 電壓達到某閾值時即對PD 進行復位，再次積分，如此重復工作。PFM 型圖像傳感器的動態范圍限制與PWM 類似，最低探測光強都是受限于暗電流，而最高探測光強，PFM 傳感器是受限于復位時間。

五、多次曝光技術

????????多次曝光技術是一種對目標場景進行長短不同多次曝光，并將多次曝光得到的圖像合成為一幅圖像的動態范圍擴展技術。這種動態范圍擴展方法不需要修改傳感器結構，只是簡單的時序調整，所以其易于實現，擴展效果好，是一種常用的動態范圍擴展技術。

????????常見方案是在一幀的曝光時間內插入多個不同的短曝光時間。這種曝光方案按照先長曝光后短曝光順序依次進行所有的短時間曝光和讀出。

????????在這種方案中，像素復位之后，先進行最長曝光，長曝光信號讀出并開始短曝光，在短曝光的讀出階段，像素開始更短時間的曝光，后面如果還有更多次的短曝光就完全以此方式完成所有的短曝光操作。

? ? ? ? 對于多次曝光，還有許多其他方案，這里僅拋磚引玉。

總結

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

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