瞬態成像模式下高幀頻CMOS圖像傳感器性能研究

　　摘要：高幀頻 CMOS 圖像傳感器具有集成度高、幀頻高、功耗低、抗干擾抗輻照能力強等特性，在科學實驗中應用廣泛。為提高外同步觸發瞬態成像模式下的成像性能，本文首先介紹了基于高幀頻 CIS 的瞬態成像系統構成及其工作模式;從像素結構出發，對該款 CIS 在不同工作模式下的成像性能進行了理論分析;搭建了基于 EMVA1288 的標準化測試平臺，對瞬態工作模式下的多項關鍵性能指標進行了測試，并與穩態工作模式下的性能進行了對比。分析結果表明：與穩態工作模式相比，瞬態成像模式下圖像傳感器具有更大的暗本底和固定模式噪聲，但傳感器的時序噪聲、光響應非均勻性優于穩態工作模式，具有更高的信噪比和動態范圍，與理論分析基本吻合。論文測試分析結果可用于指導科學成像系統設計與性能優化。

　　關鍵詞：高幀頻 CMOS 圖像傳感器;瞬態成像;性能分析;響應非均勻性

　　嚴明; 白瓊; 李剛; 李斌康; 楊少華; 郭明安; 張雪瑩， 紅外與激光工程 發表時間：2021-11-26

　　隨著半導體光電技術的不斷發展，基于 CMOS 工藝的圖像傳感器(CMOS Image Sensor, CIS)性能不斷提升，由于其獨有的高集成度、高幀頻、低功耗和強抗干擾抗輻照能力等特性[2]，在科學實驗中應用日益廣泛。在圖像測量與診斷領域中，成像系統通常工作于外部信號同步觸發的瞬態成像模式。與連續圖像輸出的穩態模式不同，瞬態成像模式主要以觸發等待時間長、曝光時間短、圖像推出速度快、圖像曝光輸出不連續為突出特點。瞬態成像技術可以較好的捕捉快速物理現象中的過程圖像，以反應其物理過程的發展變化規律。因此瞬態成像技術廣泛應用于等離子體物理研究、高速碰撞實驗、爆轟效應等科學實驗領域[1]。高幀頻的圖像傳感器作為瞬態成像系統的核心器件，由于生產工藝的個體差異、半導體材料特性變化、傳感器工作模式的差異[4]，有必要對傳感器的實際性能參數進行精細化測量與分析，并根據分析結果對圖像進行相應的優化處理，以獲得最佳的測試圖像。

　　國內外針對 CIS 的性能研究大都集中在連續圖像輸出的穩態模式，主要有針對暗電流信號的性能優化、針對光響應一致性的性能優化、針對不同高幀頻傳感器的性能測試與對比分析等等。但是很少有針對 CIS 工作在瞬態成像模式下的性能研究。因此，開展高幀頻 CMOS 圖像傳感器在瞬態成像模式下的性能研究具有十分重要的價值。 CMOS 圖像傳感器工藝將光二極管工藝與標準 CMOS 工藝相結合，片內集成列讀出放大及高速并行 AD 轉換器，有利于大像素陣列集成和高幀頻實現。隨著特種半導體工藝技術的進步，CIS 在量子效率、靈敏度等方面接近 CCD 技術水平，而更低廉的加工成本和獨特的性能優勢，使得 CIS 逐漸取代 CCD 成為圖像傳感器的主流器件。尤其在對傳感器性能要求較高的科學成像領域，CIS 在高靈敏度、高幀頻和大面陣成像系統方面已經取代 CCD 器件，成為大部分成像系統設計的首選。

　　本文首先介紹了一款高幀頻 CIS 的性能參數以及基于該 CIS 的瞬態成像系統構成;然后從像素結構出發，分析了高幀頻 CIS 在不同工作模式下的成像性能特征;搭建了基于 EMVA1288 的標準化測試平臺，對瞬態工作模式下的多項關鍵性能指標進行了測試，并與穩態工作模式下的成像性能進行了對比，測試結果與理論分析相吻合。

　　1 高幀頻 CIS 及瞬態成像系統構成

　　高幀頻 CIS 是高速成像系統的核心器件，器件的性能參數決定了成像系統的性能。本文選定的高幀頻圖像傳感器采用 5T 像素結構，空間分辨率為 1280×1024，像素量化精度為 12bit，在全分辨率條件下，最大幀頻達到 1000fps[3]。其主要性能指標如表 1 所示：表 1 高幀頻 CMOS 圖像傳感器性能參數從表 1 可以看出，與高靈敏度的科學級 CIS 通常采用卷簾快門(Rolling Shutter)不同，高幀頻 CIS 通常采用全局快門(Global Shutter)結構。卷簾快門讀出噪聲低，配合高精度的 ADC 進行量化，有利于實現高靈敏度的成像性能，而高幀頻則主要關心圖像推出速度，其列處理電路的噪聲較大，數字化精度較低，對讀出噪聲不太敏感，因此高幀頻 CIS 大多采用全局快門工作模式。高幀頻 CIS 的電荷轉移時間短，通常在百納秒量級，浮置柵級電容較小，為了實現高幀頻圖像推出，像素列處理電路的工作頻率較高，因此讀出噪聲較大。為實現較高的幀頻率和較短的曝光時間，通常采用 5T 或者更多晶體管的像素結構，以實現良好的全局曝光控制。

　　基于該款高幀頻 CIS，設計實現了一種瞬態成像系統，系統主要由前端高速相機及遠端高速圖像采集系統構成[5]。前端高速相機包括光學鏡頭、快響應像增強器、高壓快脈沖發生器、光纖錐耦合 CIS、以及傳感器驅動電路等。該瞬態成像系統的實物和構成如圖 1 所示：瞬態成像系統通常需要實現很高的時間分辨能力，通過快響應像增強器配合高壓快脈沖發生器，本系統實現了納秒量級的時間分辨性能，同時像增強器可以對目標場景進行光增強，獲得較好的圖像信噪比。本文所設計的瞬態成像系統，通過將快響應像增強器的開門時間與高幀頻 CIS 的曝光時間相配合，實現了超短曝光的連續兩幀瞬態圖像獲取功能。前端相機獲取的瞬態圖像通過光纖傳輸至后端圖像采集系統進行處理和顯示，有利于提高成像系統對各類不同科學實驗的適用性。

　　2 高幀頻 CIS 工作特性分析

　　高幀頻 CIS 通常采用的典型像素結構為 5T 像素，該結構可以實現較快的全局電子快門，高幀頻 CIS 的典型芯片結構及 5T 像素結構如圖 2 所示：如圖 2 所示的 5T 像素結構主要包括光敏區復位、浮置柵級復位、轉移門、源極跟隨輸出及行選擇輸出等晶體管。全局電子快門通過全局光敏區復位信號配合全局轉移信號實現，快門時序如圖 3 所示：

　　如圖 3 所示，5T 像素通過 PD_RST 信號對全局像素光敏區進行清零，關閉該信號像素陣列開始曝光，打開轉移信號 TX 則開始全局電荷轉移，轉移結束標志一次全局曝光的電子快門結束。在瞬態成像模式下，等待觸發信號時像素陣列處于狀態①，此時 5T 像素僅光敏區處于復位狀態，轉移信號和浮置柵級復位信號關閉，傳感器像素陣列內部僅有光敏區的光生電荷通過復位管的直接泄放電流。5T像素 CIS 的瞬態成像模式和穩態連續成像模式時序驅動不同，兩者的對比如圖 4 所示：

　　兩種成像模式在像素陣列的工作狀態方面存在較大不同：如圖 4 A 子圖所示，在瞬態成像模式下，傳感器光敏區長時間處于復位狀態，光敏區電勢被拉高至 VPIX，當外部觸發信號到來，PD_RST 管關閉，陣列光敏區開始累積光生電荷，此時 VPIX負載降低，由于此時光敏區與 VPIX斷開，VPIX負載降低帶來的電壓波動，對光敏區的感光不產生影響;如 B 子圖所示，在穩態成像模式下，光敏區大部分時間處于電荷累積狀態，光敏區的復位間隔小于幀間隔，當曝光時間與幀間隔接近時，光敏區復位時間非常短。像素陣列光敏區短時間復位，會在 VPIX上造成負載的短時增大，尤其 PD_RST 復位管打開的瞬間，VPIX上會增加一個 20nF 的瞬時容性負載，峰值瞬時電流負載達到 1A/50ns。此負載造成 VPIX 在像素陣列內部的波動，帶來像素陣列光響應一致性變壞。即連續成像模式下，像素陣列的光響應一致性差于瞬態成像模式，曝光時間越短，連續成像模式下光響應一致性越差。

　　兩種成像模式在讀出電路的工作狀態方面存在不同：瞬態成像模式下長時間沒有圖像讀出，列處理電路處于初始等待狀態，此時 CDS 電路的采樣電容、PGA 電路的信號放大電容、信號傳輸鏈路上的存儲電容等容性負載在熱噪聲影響下會不斷積累電荷，使得像素陣列的暗本底信號不斷上升，但由于電路沒有處于高頻率工作狀態，時序噪聲會略小;而穩態模式下，圖像處于連續讀出狀態，列處理電路處于連續工作狀態，每行讀出后，列處理電路會自動復位清零，因此像素陣列的暗本底信號較小，但電路一直處于高頻工作狀態，時序噪聲會略大。即連續成像模式下，像素陣列暗本底較低，但時序噪聲略大;瞬態成像模式下，像素陣列暗本底較高，但時序噪聲略小。

　　3 成像性能測試系統及方法

　　為測試不同工作模式下成像系統的關鍵性能指標，本文所搭建的成像性能測試系統如圖 5 所示，主要由光源系統、暗室、信號源、高幀頻 CMOS 相機、圖像采集卡、上位機控制系統構成[7]。該測試系統可提供明場、暗場兩種測試光場;可分別對成像系統的瞬態工作模式及穩態工作模式進行測量。瞬態工作模式采用外觸發信號獲取單幀圖像，穩態工作模式采用連續曝光獲取多幅圖像，抽取其中一幅圖像進行測試。

　　穩態工作模式下，系統選用 LED 光源，利用光源控制器控制光源強度，可輸出穩定單色光，通過進光口后拆分為兩路，一路直接照射到被測相機的 CMOS 圖像傳感器的感光平面,用于穩態圖像的采集;一路通過光電轉換模塊，輸入示波器，與信號源原始波形進行對比。瞬態工作模式下，信號源控制納秒激光器，發射脈寬為 5ns 的脈沖激光，用于瞬態圖像的采集，激光器的光譜在 200nm~1000nm 范圍內可調，頻譜寬度為 5nm。前端相機獲取不同工作模式下的圖像數據通過光纖實時傳輸至后端圖像采集卡;圖像采集卡獲取測量圖像后通過 USB3.0 接口傳輸存儲到上位控制主機內，上位機軟件對采集的圖像數據進行處理分析，獲取最終的性能測試結果。

　　暗場測試過程中，測試系統關閉光源，通過改變相機的曝光時間，測量暗信號時間噪聲及暗信號非均勻性(DSNU)等性能參數。明場測試過程中，為了獲取一系列不同曝光量的測試圖像，保持光源光照強度不變，改變圖像傳感器的曝光時間，測量時間噪聲、光響應非均勻性(PRNU)等性能參數。并結合明場、暗場測試結果，進一步分析獲得信噪比、動態范圍、暗電流、總體系統增益等性能參數。

　　4 性能測試方法與結果分析

　　4.1 時間噪聲

　　(1)參數測試方法

　　成像系統的時間噪聲指隨時間發生變化的噪聲，主要來源包括：熱噪聲、讀出噪聲及放大電路噪聲、量化噪聲、散粒噪聲等。明場條件下，每個曝光強度下采集 L=20 幅圖像，對 20 幅圖像取平均獲得平均灰度圖像，并計算每個像素灰度相對于平均灰度圖像的方差，再對整張圖像求平均，獲取輸出信號的時間噪聲