基于CMOS下的像素阵列校正系统你了解多少呢？

1  引言

CMOS 图像传感器与 CCD 图像传感器都是将光信号转换成电信号的半导体器件，但由于 CMOS 图像传感器造价更低、功耗也更低，在现代生活中，CMOS 图像传感器逐渐取代了 CCD 图像传感器，得到了大量的应用，如工业相机、民用相机、手机、监控摄像头等设备。

然而，通常 CMOS 像素阵列各区域成像不均一，或者说对光的敏感度有差异，会影响 CMOS图像传感器的出图质量，这是不可忽略的问题。CMOS 图像传感器的基本框架如图 1 所示，除像素阵列外还有控制像素阵列的其余电路，其中任何一处的不一致都将导致图片成像的不一致。一方面，在相同的工艺条件下，因元器件所处的批次、位置不同，CMOS 像素阵列各区域的成像情况会有差异；另一方面，各像素在光信号的激励下经由不同的电路路径输出图像信号，而经由不同的电路路径也会带来不同的信号量损失，即使每一像素都得到了相同量的光信号，不同的电路路径也会使各像素输出的电信号之间具有明显差异。

因此，业界期望获得一种 CMOS 像素阵列校正系统，其能一定程度上克服元器件差异及各像素经由不同的电路路径输出数字信号而带来的差异，使CMOS 像素阵列各区域对光的敏感度接近、成像的均一性良好。

2 成像不一致性

在 CMOS 图像传感器中，成像不一致主要是由像素阵列的差异和读出电路的差异二者共同造成。而像素阵列的不一致性和读出电路的不一致性，在分析过程中都可以归结于噪声。

其中，像素阵列的噪声主要是暗电流噪声，而读出电路噪声主要是闪烁噪声、散粒噪声、热噪声以及失配噪声，这些噪声都会影响 CMOS 图像传感器的结果。由于噪声在时间和位置上呈现不一致性，最终导致 CMOS 图像传感器成像的不一致即图像的失真。

下面对像素阵列和电路的噪声进行分析。

2.1 像素阵列不一致性

CMOS 图像传感器的核心器件是光电二极管，对于二极管来说，其本质是 PN 结中载流子运动形成电荷，在 PN 结稳定的情况下 PN 结的扩散电流和内建电场平衡，PN 结对外不显示电流。但对于图像传感器器件，PN 结器件表面会存在一定的缺陷或者杂质，缺陷和杂质会形成新的复合中心，从而会破坏原有的 PN 结的平衡，吸引电子或者空穴移动，PN 结对外显示电流[6]。这样的电流与是否有光照无关，即在无光条件下也会存在，因此称为暗电流。暗电流是由图像传感器器件本身的结构产生的，因此是一直存在的。但这种暗电流的存在会对收集到的图像信号产生干扰，导致图像质量降低。

在实际像素结构中，一般有个开关管控制光电二极管转化的电信号的传输，图 2 给出了像素结构开关管附近的结构示意图，图 2(a) 为俯视图，图 2(b) 为剖面图。其中，TG 表示开关管，FD 是悬浮扩散区。悬浮扩散区是用来存储二极管产生的电荷，最早是在 2003 年由 Krymski 等提出。但是悬浮扩散区会导致 PN 结产生较大节点电流，引入额外的暗电流，为了消除悬浮扩散区带来的影响，通常在器件表面增加一个另外存储电荷的节点。

2011 年 10 月，Harvest 实验室给出了像素阵列的暗电流分布（如图 3 所示），图中颜色的参考值是电流强度。图是在无光条件下拍摄，图中颜色的差异象征暗电流强弱，可以看到颜色分布深浅分布不均，这就意味着在整个像素阵列上暗电流分布不一致。

2.2 电路不一致性 

在 CMOS 工艺中，电路中的噪声主要是热噪声、散粒噪声和闪烁噪声。其中热噪声主要是由导体中的载流子的布朗运动引起的，由于电子自由运动受温度影响较大，因此热噪声也会随着温度的变化而发生改变。

热噪声大小也与频率有关，其大小通常用功率谱密度来衡量。散粒噪声是由于载流子跨越势垒的时间的不一致导致器件中产生了一些脉冲电流，由于载流子运动是不规则运动，因此散粒噪声也是一种白噪声。

闪烁噪声与电子器件的表面特性有关，其功率谱密度与频率成反比关系，因此又可称为 1/f  噪声。

由于 MOS 管的晶体中的缺陷和杂质的影响，MOS 管的栅氧化层和衬底的界面包含许多额外的能态的“悬挂键”，当载流子经过该界面时会被“悬挂键”随机俘获或者释放，这样的俘获或者释放带来载流子运动形成了一定的漏电流，最终导致了 MOS 管中的闪烁噪声。

这三种噪声会导致电路在同样的输入的情况下输出信号不完全相同，也就是同样的像素信号经过电路读出时会存在信号大小的差异。

除了电路器件本身的噪声以外，由于工艺的失配会导致不同器件的匹配不完全一致，也会带来一定的失配噪声，该噪声是器件的固有模式噪声（Fixed Patton Noise，FPN）。这种由于工艺失配带来的固有模式噪声主要包括像素阵列的失配噪声和像素阵列的行方向电路的失配噪声，体现在图片上就是行列条纹。工艺的失配，主要影响的是不同像素驱动电路的 MOS 管的参数性能，比如阈值电压、MOS 管的寄生电容，进一步会影响其饱和电流和跨导，从而导致不同 MOS 管对不同的像素带来的寄生和噪声的影响不同，导致最终图像质量的失真。但工艺的失真通常可以通过相关双采样得到消除。

3  像素阵列校准系统设计

针对像素阵列和电路噪声带来的图像不一致，本文提出了一种像素基于阵列的校准系统。校准系统主要包括 6 个部分（如图 4 所示），分别是电压生成模块、校准像素、待校正像素、行控制驱动模块、模数转换模块和数字校准模块。

校准像素和待校正像素一起构成整个像素阵列，其中像素阵列中包括至少一行校准像素和多行待校正像素，校准像素和待校正像素以矩阵形式设置。电压生成模块将外部输入的基准数字信号转化为基准电压信号，校准像素根据基准电压信号得到校准像素输出电压，行控制驱动模块控制选中的行的像素信号进入模数转换模块，而未选中的行的数据不进入模数转换模块。

一行模数转换模块与一行校准像素、待校正像素一一对应。校准像素的输入为电压模块输出的基准电压信号，输出为基准电压信号对应的校准像素电压信号，待校正像素将光电二极管转化得到的电信号输出得到对应的待校正像素电压信号。校准像素和待校正像素都会经过模数转化模块和数字校准模块，但校准像素为数字校准模块提供校准误差值，而待校正像素输出的数字信号被数字校准模块校准过后得到最终的数字信号。

同一列的数据校准工作流程如图 5 所示。

计基准数字信号为 Dref，则 Dref 经过电压生成模块得到对应的基准电压信号 Vref，Vref 经过校准像素，输出电压信号 V1，V1 经过模数转换模块，得到 V1 对应的数字信号 D1。由于校准像素输出电路以及模数转换模块的噪声，D1 与 Dref 可能不等，数字校准模块根据 D1 和 Dref 得到差值 ΔD。

待校正像素经过曝光阶段，将接收的光信号转化为电信号，像素输出电压信号记为 V2，V2 经过模数转换模块得到对应的数字信号 D2。由于同一列上的校准像素和待校正像素，经过的模数转换模块相同，因此模数转换电路的噪声带来的误差相同，因此可以用校准像素的误差 ΔD 来校准待校正像素。ΔD 和 D2 在数字校准模块中被校准得到校正过后的数字信号 Dout。

对于同一列的其他待校正像素，校准数值均相同，都是对应的列的校准像素的基准数字信号与数模转换模块输出的数字信号的差值。对于不同列的待校正像素的校准数值为对应列的校准像素的校准差值。

4  测试结果

本文的设计基于 HL 55 nm 工艺实现，将 CMOS 图像传感器放在测试平台进行测试，采用 FPGA 完成数据采集与输出，通过采集板进行图像信息的采集和处理，最终图像数据显示在 PC 上。

在 25 ℃下，打开 5 倍增益，曝光 4 ms 的情况下拍摄图片，在打开校准系统前后的出图结果如图 6 所示。

图 6(a) 为校正系统不工作时的图像传感器出图，图 6(b) 为校正系统工作时的图像传感器出图。从图 6(a)、图 6(b) 对比可知，在校准前，由于暗电流以及电路噪声的存在，电路图像整体亮度过大，图像细节损失，导致图像不一致；在校准后，图片数据得到了还原，图像细节恢复，图像动态范围增大。

由于暗电流和噪声与温度有关，因此导致图像不一致与温度有关。在 4 ms 的曝光情况下测试不同温度的校准系统工作情况，得到的校准前后的数据对比如表 1 所示，数据是通过 12 bit ADC 转化得到。从表 1 可以看到，校准系统打开后，图片数据减小，校准效果明显。

5  结语

分析了 CMOS 图像传感器出图不一致现象，研究了像素阵列和电路的噪声，设计了像素阵列校正系统，阐述了校正系统工作流程。基于 HL 55 nm CMOS 工艺完成校正系统设计，在测试平台测试，在不同的温度条件下验证了校正系统的校准效果。

参考文献

[1] 刘洪文,张生才,姚素英,徐江涛.CMOS图像传感器中数字噪声抑制技术研究[J].光电子.激光,2007(04):411-413.

[2] 朱苏磊,韩焱.CMOS图像传感器的消噪技术[J].测试技术学报,2000(02):87-92.

[3] 邹义平. CMOS图像传感器的图像降噪技术的研究[D].北京：北京邮电大学,2009.

[4] 刘宇,王国裕.CMOS图像传感器固定模式噪声抑制新技术[J].固体电子学研究与进展，2006 (03):345-348+419.

[5] 柳长源.相关向量机多分类算法的研究与应用[D].黑龙江：哈尔滨工程大学，2013. 

[6] Srour J R, Lo D H. Universal damage factor for radiation-induced dark current in silicon devices[J]. 2001, 47(6):2451-2459.