上網時間: 2008年03月13日     關鍵字: 影像  感測器  高速成像 

高速CMOS影像感測器有幾種類型,即通用用途、高階或定製的高速相機。這些相機用於科學研究、撞擊測試、高速掃描、機器視覺和軍事研究等,所有應用都要求高訊框率運動擷取。

這些感測器的解析度從VGA到10M畫素,某些可達到每秒10,000全訊框。感測器的架構有兩個半分,四分儀或者一個畫素陣列幾種。輸出可以是平行的類比輸出,一個數位化的10位元輸出或者數位化的串列LVDS輸出。每位元輸出工作速率達50M採樣/秒時可實現5.5G畫素/秒的吞吐量。這是迄今為止最高的連續畫素吞吐率。影像品質至少是10位元,故相機中數位化後的數據吞吐率高達55Gb/s。這些影像感測器的靈敏度主要取決於畫素的大小。於是對某些特定應用導致了非常大的畫素數,使影像感測器也非常大。內部多工技術允許實現具有增加訊框率的隨機窗口。當窗口尺寸減少到一個小型的ROI時,訊框率提高到170,000訊框/秒。目前絕大多數感測器採用0.25微米製程。

高速影像感測發展趨勢

CMOS正在成為高速影像感測器的首選技術。我們可以清楚地看到高速影像感測器的三個發展趨勢,即超高速,晶片上功能整合和普通的高速成像

畫素率是解析度和訊框率的乘積,如今該指標提升了許多。目前所公佈的影像感測器為1,024x1,024畫素,每秒的全訊框率超過了5,000。如果影像品質達10位元,就意味著相機中總數據率高達55Gb/s。為了在相機中實現如此高的速率、高品質影像以及高靈敏度,重點將不僅是關注電路設計,還要確保整個佈線的平衡。這意味著必須仔細分佈所需電源線,在電路佈局的每個節點上,所有的寄生參數效應,電氣和光學部份都必須良好控制。功率預算要求採用低功耗模組設計,以確保能滿足整體功率需求。

在高速成像中的另一個不同趨勢是在晶片上整合高速ADC、排程器、LVDS發射器以及校準演算法。這些成像器在速度和靈敏度方面通常遜於上述的成像器,但其優點是整合度高,簡單易用。市場上出現的第三種成像器是普通的高速成像器。傳統具備類比輸出或沒有定時功能的普通成像器正被更快速和更複雜的影像成像器所取代。這類成像器可確保在較短時間內實現普通高速相機的設計。

畫素與畫素率

圖1所示為常見的高速影像感測器中所用畫素的實現電路圖,這是一種6電晶體(6T)畫素結構。這類影像感測器的重點是管線全域快門(global shutter)功能。

 

圖1:畫素電路單元。
圖1:畫素電路單元。

全快門功能可讓所有畫素同時開啟和終止光學整合,這對高速應用非常重要,它能實現良好的運動模糊控制,使所有畫素完全一致,還能讓成像器保存高速運動鏡頭。

一個典型的高速擷取序列器如圖2所示(就像一個小彈珠衝擊一根火柴棒)。管線功能意味著在畫素陣列的讀取過程中,用於下一訊框畫素中的光學整合正在進行。這就要求確保訊框率與整合時間無關。

 

圖2:典型的高速擷取順序(彈丸衝擊火柴棒)。
圖2:典型的高速擷取順序(彈丸衝擊火柴棒)。

為了獲取可能更高的靈敏度,負責收集影像電荷並將該電荷轉換成電壓的光電二極體應盡可能小,以便將其寄生電容減到最小。此外,畫素的填充係數,即對光感測區域貢獻的開放區域應盡可能大。利用N阱畫素專利,集合圍繞光電二極體開放的P阱,即可實現上述的小光電二極體和大填充係數兩項功能。除了高靈敏度之外,另一項重點是採用一個畫素儲存電容,該電容並不造成任何噪音,但它能很好地屏蔽光,泄漏很小。這種畫素結構在讀取過程中儲存畫素訊號的效果很好,但主要缺點是在畫素中沒有固定的繪圖噪音校正,必須在影像感測器外部實現。

一個影像感測器的速率是解析度和訊框率的乘積,這決定了感測器的畫素率。在超高階的高速成像市場中,該參數其實並不夠高。用戶希望在可實現所期望的全訊框率條件下開發出複雜的相機。圖3為典型的高速應用影像(汽車撞擊試驗)。

 

圖3:高速成像應用:汽車撞擊試驗。
圖3:高速成像應用:汽車撞擊試驗。

這麼高的速度只能透過平行的類比輸出(多達128路輸出)來實現,這為相機系統的整合提出了挑戰。這種成像器的結構相當簡單,包括被隨意劃分成象限的畫素陣列中的6T畫素電路、幾個平行的高速類比匯流排,以及用來驅動輸出的平行輸出放大器。

在這類晶片上,沒有ADC、排程器和其他晶片上影像處理。可對應所有裝置的類比匯流排確保所有的平行輸出可以被使用,而不管被讀取之x方向上的半訊框影像大小。這在讀取半訊框影像時提高了訊框率。

重影的消除

超高速影像感測器中的一個重要問題是x方向上的重影。這是由可對應所有裝之類比匯流排的相對較大RC常數所引起的。對於匯流排上的訊號,由於處理10位元的精密度所用時間較長,故上一個畫素的部份資訊可能滯留到目前畫素上。這就在影像中導致了x方向上的重影。這種重影在後續的影像處理中很難校正。

解決該問題的一項技術是,在每個新的訊號之前對匯流排進行短暫的預充電。這樣就保證了有關前面畫素的所有資訊被洗掉。該技術要求產生短期預充電脈衝。這些脈衝用來將類比匯流排短路到地。絕大多數的成像器是根據客戶產品的需求來製造的,因為目前沒有將這類超高速成像器產品變成通用產品的真正需求。客戶的應用範圍從VGA到10Mpixel,訊框率從500fps到10,000fps,數據吞吐率高達5.5Gpix/s。圖4為典型的超高速影像感測器架構。兩個半球被平行讀取,每個的平行類比輸出為64路。整體為128路高速平行類比輸出。

 

圖4:一個典型的超高速影像感測器架構。
圖4:一個典型的超高速影像感測器架構。
圖4:一個典型的超高速影像感測器架構。

應用需求:體積小且易於設計

與傳統複雜且體積大的、圍繞感測器設計的攝影系統相反,市場上對小型且易於實現的高速影像感測器需求正在增加。

高速成像器已開始用於數種消費性應用,如掃描、視覺系統以及全息數據儲存。下圖為典型的全息數據儲存應用,其中就使用了成像器。

這些應用要求板上影像感測器具有許多系統功能。這就是為什麼將ADC、定時產生、影像處理以及一些輸出電路整合在晶片上的原因。對於這類成像器,整合的功能與靈敏度和速度一樣重要。絕大部份這類成像器還是根據客戶的利於簡化其高速相機設計特殊功能來定製的。下圖為這類高速成像器的典型架構。這類成像器通常只有時脈輸入、一些電源和一些同步接腳。所有其他需要讀取並送給成像器的訊號都將在晶片內產生。

 

圖5:全息數據儲存及其高速成像器。
圖5:全息數據儲存及其高速成像器。

 

圖6:具有許多晶片上邏輯和附加功能的典型高速影像感測器架構。
圖6:具有許多晶片上邏輯和附加功能的典型高速影像感測器架構。

 

圖7:通用高速成像器適用的各類應用
圖7:通用高速成像器適用的各類應用

 

圖8:高速影像感測器應用實例。
圖8:高速影像感測器應用實例。

通用高速影像感測器

我們在市場上看到的第三類高速影像感測器是通用高速影像感測器。其應用包含機器視覺攝影、交通監控、科學試驗運動擷取以及撞擊測試檢查。早期的這類通用高速影像感測器僅包括平行類比輸出,沒有板上邏輯(非常像如今我們所知的超高速成像器)。但最近,我們看到許多功能在晶片上實現,目的是使成像器可被用於各種不同應用(如多斜率、欠採樣、翻轉(flipping)、鏡像、增益、補償等)。

今天,業界正在研發能夠提供1.3MPxl速率、訊框率1,000fps的高速全域快門影像感測器。特別是這類感測器具有管線的快照快門以及多斜率功能。這些晶片上功能也因不同的感測器而異。

有幾種不同類型的高速影像感測器,可用來滿足目前市場上的不同需求。超高速影像感測器是真正的類比影像感測器,具有非常高的訊框率和數據吞吐率,適用於複雜的客戶定製相機設計。具有許多板上功能的高速影像感測器提供許多特殊的板上功能,這些功能有助於設計師將成像器植入其高速相機設計中,更適用於客製化應用。這些功能是根據客戶的要求實現的。

最後,通用高速影像感測器結合了上述影像感測器的大部份通用功能,使之成為通用影像感測器,可用於廣泛的相機中。今天,板上功能整合度、數據率以及解析度都將繼續提高。未來設計師的真正挑戰將是如何實現感測器超高數據率與像LVDS和影像處理等板上功能的完美結合。

作者:Pieter Willems

產品應用工程師

Cypress半導體

Source: http://www.eettaiwan.com/ART_8800510065_480502_TA_7d4e64f2.HTM

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