全局快门像素技术和CMOS图像传感器形成强大的技术组合.doc

技术论坛technical forum全局快门像素技术和CMOS图像传感器形成强大的技术组合作者：Aptina公司传统上，全局快门像素技术主要用于C 技术论坛 technical forum 全局快门像素技术和CMOS图像 传感器形成强大的技术组合 作者：Aptina公司 传统上，全局快门像素技术主要用于CCD图像传 物体的静态影像时会产生失真，这使得卷帘式快门不适 合条形码读出、机器视觉或自动检验系统等应用，因为 这些应用要求对快速移动物体进行成像。 人们经常在使用某些胶片摄影机以及CMOS数码相 机和摄像机时发现，其中的卷帘式快门无法在单一时间 点记录整个画面，而是通过垂直或水平扫描整个画面来 捕获连续的像素条。卷帘式快门的优点是图像传感器可 以在拍摄期间连续收集光子，这样增强了光感度。然而 在运动或闪光等极端条件下成像时，卷帘式快门有明显 的缺点：即快速移动物体或闪光带来的失真，比如模糊 (smear)、扭曲、晃动和局部曝光。 在 过 去 一 段 时 间 里 ， 人 们 一 直 在 探 索 如 何 从 卷 帘 式快门转变到全局快门。但CMOS图像传感器供应商发 现增加额外的存储单元将会牺牲太多的光敏(电二极管) 区 域 ， 对 量 子 效率 产 生 负 面 影 响 。 而 且 ， 出 于 对 当 时 的 半 导 体 工 艺 技 术 、 应 用 层 面 的 要 求 、 市 场 需 求 、 成 本 和 其 它 因 素 的 考 量 ， 无 法 断 定 其 产 品 可 行 性 而 未 能 有所进展。 感器。由于CMOS图像传感器的不断普及，且 由于机器视觉、电影制作、工业、汽车和扫描 应用要求必须以高图像品质捕捉快速移动的物体，图像 传感器供应商Aptina公司已经致力于克服在CMOS图像 传感器上使用全局快门像素技术的相关传统障碍。在这 种努力下，所提供的全局快门像素技术具有更小的像素 尺寸、更大的填充系数、更高的GSE、更低的暗电流和 更低的噪声，使得CMOS图像传感器在更多应用中成为 CCD传感器的可行替代方案。 卷帘式快门技术概述 卷帘式快门也称为焦平面快门(focal-plane shutter)， 利用行复位和行读出(reset and readout)两个扫描来控制曝 光时间。实现行复位的快门脉冲在行读出之前将某一行 像素复位(如图1所示)。快门和读出脉冲的时间间隔决定 了曝光时间。然而，在使用卷帘式快门传感器时，因为 不同行的曝光是在不同时点进行的，因而拍摄快速移动 Shutter 图1，典型的卷帘式快门工作原理。 图2，典型的全局快门工作原理。 Scan direction Global Memory Pixel Column 1 Column 2 Column N Rolling Shutter Pixel Readout Exposure time for the Red row Shutter Column 1 Column 2 Column N 关键字：全局快门像素，CMOS，图像传感器，Aptina Metal 1 Metal 12 2 Photodiode Metal Metal 1 Metal 1 2 2 Photodiode Metal 1 Metal Photodiode Metal Pixel Level Memory 图3，卷帘式快门像素。 图4，全局快门像素。 pixel Line buffer 图5，行间转移型CCD (Interline-Transfer CCD，IT-CCD)。 technical forum 技术论坛 全局快门技术概述 CCD图像传感器需要模拟存储器来进行工作，自然 可以使用全局快门技术，因此采用全局快门技术的CCD 相机及摄像机已相当普遍。全局快门通过同时捕获整个 画面的图像来消除卷帘式快门伪像(如图2所示)。 然而，对于CMOS图像传感器来说，全局快门实施 方案的主要缺点是需要增加像素级存储器，对于某些应 用，这使其成为比较昂贵的方案选择(如图3和图4所示)。 以往全局快门技术的其它缺点还包括低填充-系数， 这导致了量子效率的降低。为了补偿这一影响，全局快 门像素的尺寸通常比卷帘式快门像素的尺寸大。 另一个重要问题就是存储节点的暗电流。暗电流指 的是即便像素处于完全黑暗状态时像素中产生的微小电 流。典型的暗电流产生区域包括PN结的耗尽区和硅片表 面。暗电流是像素噪声的主要来源之一，并且在全局快 门像素中比在卷帘式快门像素中更为严重。 最后，要注意到在背照式(backside illumination， BSI)像素技术中实施全局快门的问题。因为在光路中既 没有金属层也没有晶体管，BSI像素量子效率高于其前照 式(front side illumin