基于CMOS下的像素阵列校正系统你了解多少呢？.doc

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1、基于CMOS下的像素阵列校正系统你了解多少呢？　　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

2、、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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（FixedPattonNoise，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