文本將介紹高速 CMOS圖像傳感器的類型及其應(yīng)用市場(chǎng)。高速傳感器適用于通用、高端或定制的高速攝像頭，而這些攝像頭可用于科研、汽車碰撞檢測(cè)、高速掃描、機(jī)器視覺(jué)和軍事研究等要求較高的幀速率運(yùn)動(dòng)捕獲的領(lǐng)域。傳感器分辨率從VGA級(jí)直到1萬(wàn)像素不等，有的能以每秒10,000次全幀速率工作。

傳感器架構(gòu)可由兩分式、四分式或一個(gè)像素陣列組成。輸出可為并行模擬輸出， 或一個(gè)10位數(shù)字輸出或數(shù)字串行 LVDS輸出。每個(gè)輸出可高達(dá)每秒5,000萬(wàn)次的采樣速度，這樣就能實(shí)現(xiàn)每秒55億像素的吞吐量。迄今為止，該圖像傳感器是具有最高連續(xù)像素吞吐量的一款。圖像質(zhì)量至少達(dá)到10位精度，因此攝像頭數(shù)字化之后，數(shù)據(jù)吞吐量可為每秒55Gbit。這樣高速的應(yīng)用通常需要6個(gè)電晶體快照像素，且需要較高的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。圖像傳感器的靈敏度很大程度上取決于像素尺寸，而大的像素尺寸就需要大面積特定應(yīng)用的定制圖像傳感器。內(nèi)部多路復(fù)用技術(shù)可支持更高幀速率的隨機(jī)窗口 。如果將窗口大小縮至較小的ROI（圈選目標(biāo)區(qū)域），那么最快速度器件的幀速率可達(dá)每秒170,000幀。大多數(shù)傳感器都采用0.25工藝。

目前，CMOS是高速成像所青睞的技術(shù)。在當(dāng)前市場(chǎng)中，我們可以發(fā)現(xiàn)高速圖像傳感器有三大發(fā)展趨勢(shì)，一是向極高速方向發(fā)展，二是向片上特性集成方向發(fā)展，三是向通用高速圖像傳感器方向發(fā)展。

分辨率和幀速率相結(jié)合，發(fā)揮著重要的作用。目前，我們可以推出1024×1024像素的圖像傳感器，工作速度達(dá)到每秒5,000個(gè)全幀。如果模數(shù)轉(zhuǎn)換為10 位的話，那么這就是說(shuō)攝像頭上的總數(shù)據(jù)速率可達(dá)每秒55Gbit。為了實(shí)現(xiàn)傳感器上極高的數(shù)據(jù)速率和高圖像質(zhì)量，尤其是對(duì)這種高敏感度的應(yīng)用而言，我們不僅要設(shè)計(jì)出正確的電子線路，還要確保整個(gè)線路布局實(shí)現(xiàn)良好的平衡性。這就是說(shuō)，電源線路應(yīng)實(shí)現(xiàn)極佳的分布，而且布局中每個(gè)線路節(jié)點(diǎn)的所有光學(xué)和雜散光靈敏反應(yīng)都應(yīng)得到很好的控制。并需要采用低功耗模塊設(shè)計(jì)，以確保滿足整體功耗要求。

高速成像領(lǐng)域還有另一種趨勢(shì)，就是把高速 ADC、時(shí)序發(fā)生器、LVDS發(fā)射器和校正算法的片上集成趨勢(shì)。這種圖像傳感器通常在速度和靈敏度方面不如上述圖像傳感器，但在易用性和系統(tǒng)集成功能方面頗有長(zhǎng)處。目前市場(chǎng)上新興的第三種圖像傳感器就是通用高速圖像傳感器。具有模擬輸出或不具有時(shí)序發(fā)生器功能的老式（簡(jiǎn)單式）通用圖像傳感器正在被速度更快、更復(fù)雜的圖像傳感器所取代。這種新型圖像傳感器使我們能在較短時(shí)間內(nèi)就設(shè)計(jì)出通用高速攝像頭。

6晶體管像素

賽普拉斯推出的大多數(shù)高速圖像傳感器使用了所謂的6晶體管（6T）像素。這種圖像傳感器有一點(diǎn)非常重要，就是其管線化全局快門特性。就全局快門而言，所有像素都同時(shí)啟動(dòng)和終止光集成，這對(duì)高速應(yīng)用控制所有像素的運(yùn)動(dòng)影像模糊非常重要。全局快門技術(shù)使圖像傳感器能固定高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景。下圖給出了典型的高速捕獲順序（小彈頭擊中火柴棍）。管線特性確保像素陣列在讀取期間就能進(jìn)行下一幀像素中的光集成工作，這樣才能確保幀速率不受集成時(shí)間的影響。

典型的高速捕獲順序

為了實(shí)現(xiàn)盡可能高的敏感度，采集光電荷并將其轉(zhuǎn)換為電壓的光電二極管應(yīng)設(shè)計(jì)得盡可能小型化，以盡可能減少光電二極管的寄生電容。此外，像素填充因數(shù)（像素開(kāi)放區(qū)域與光敏區(qū)域之比）應(yīng)盡可能大。我們可采用N-well像素專利技術(shù)，再配合光電二極管周邊的P-well開(kāi)口，就能實(shí)現(xiàn)光電二極管小型化和較大的填充因數(shù)。除了高敏感度之外，我們還應(yīng)使像素存儲(chǔ)電容，與光實(shí)現(xiàn)良好的屏蔽并且減少泄漏, 確保它不會(huì)造成任何噪聲。該像素架構(gòu)在像素讀數(shù)期間的信號(hào)存儲(chǔ)方面實(shí)現(xiàn)了良好的性能。但這種像素架構(gòu)尚缺乏像素的固定圖案噪聲校正功能，該功能必須在圖像傳感器以外的系統(tǒng)上完成

更快的速度

圖像傳感器的速度是指精度和幀速率的乘積，反映出傳感器的像素速率。在非常高端的高速成像市場(chǎng)中，人們對(duì)速度的需求是沒(méi)有止境的。在高端市場(chǎng)中，客戶希望通過(guò)高級(jí)攝像頭實(shí)現(xiàn)極高的全幀速率，比如汽車碰撞檢測(cè)。

只有采用并行模擬輸出才能實(shí)現(xiàn)這樣極高的速度，但并行模擬輸出（最多128個(gè)輸出）也會(huì)對(duì)攝像頭系統(tǒng)的集成提出挑戰(zhàn)。這種類型的圖像傳感器架構(gòu)比較簡(jiǎn)單：包括一個(gè)可被分為若干像限的6T像素陣列，幾個(gè)并行高速模擬總線以及用于驅(qū)動(dòng)輸出的并行輸出放大器。

6T晶體管可以實(shí)現(xiàn)非常高的速度

上述芯片沒(méi)有采用ADC、時(shí)序發(fā)生器或其他片上圖像處理技術(shù)。整個(gè)芯片上的模擬總線確保所有并行輸出都能使用，而不管讀取圖像大小的寬度到底是多少。這就能在讀取部分圖像時(shí)加快幀速率。該款極高速圖像傳感器也存在一個(gè)重要問(wèn)題，就是x方向上的重影現(xiàn)象，這是由于整個(gè)芯片上模擬總線相對(duì)較大的RC常量造成的。由于總線上的信號(hào)穩(wěn)定到10位精度之內(nèi)需要一定的時(shí)間，因此前一個(gè)像素的一部分信息在當(dāng)前像素上還存在。在圖像中，這就會(huì)導(dǎo)致x方向上的重影。這種重影在圖像后處理階段難以糾正。我們專為這種圖像傳感器開(kāi)發(fā)了一種特殊技術(shù)，在每個(gè)新信號(hào)之前以很短時(shí)間對(duì)總線進(jìn)行預(yù)充電，這就會(huì)消除所有此前像素的信息。該技術(shù)要求生成較短的預(yù)充脈沖，用以將模擬總線短路到接地上。大多數(shù)這樣的圖像傳感器都是根據(jù)客戶要求推出的定制產(chǎn)品。

目前此類極高速圖像傳感器基本不會(huì)作為通用產(chǎn)品出現(xiàn)。多年來(lái)，賽普拉斯已經(jīng)為市場(chǎng)中幾家頂尖的高速攝像頭制造商推出了幾款極高速圖像傳感器，分辨率涵蓋 VGA級(jí)到 1,000萬(wàn)像素的范圍，而速度則支持每秒500幀到10,000幀。近年來(lái)，速度和靈敏度不斷提高，現(xiàn)在最快的產(chǎn)品的數(shù)據(jù)吞吐量達(dá)到每秒5.5G像素。在典型的極高速圖像傳感器架構(gòu)中，并行讀出圖的兩部分，每一部分都提供64個(gè)并行模擬輸出，這樣我們可以得到128個(gè)高速并行模擬輸出。

更多應(yīng)用

與上面圍繞傳感器構(gòu)建的（大型）極復(fù)雜攝像系統(tǒng)相矛盾的是，市場(chǎng)對(duì)小型化高速圖像傳感器的需求越來(lái)越多，并希望提高其易用性。高速圖像傳感器已開(kāi)始在掃描儀、視覺(jué)系統(tǒng)和全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等類似消費(fèi)類電子產(chǎn)品應(yīng)用中出現(xiàn)。

上述應(yīng)用需要圖像傳感器在板上集成許多系統(tǒng)功能。因此，ADC、時(shí)序發(fā)生器、圖像處理和其他輸出級(jí)都集成在芯片上。對(duì)這種圖像傳感器來(lái)說(shuō)，板上功能集成與靈敏度和速度一樣重要。大多數(shù)這種圖像傳感器都是根據(jù)客戶需要定制推出的，以提供給定的特性，這些特性有助于簡(jiǎn)化定制高速攝像頭的設(shè)計(jì)工作。此類高速圖像傳感器通常只有一個(gè)時(shí)鐘輸入，為數(shù)不多的電源和一些同步引腳。圖像傳感器讀取和曝光的所有其他信號(hào)都在片上生成。

通用高速圖像傳感器

我們?cè)谑袌?chǎng)中看到的第三種類型的高速圖像傳感器（去年就已經(jīng)推出）就是通用高速圖像傳感器，其應(yīng)用范圍包括機(jī)器視覺(jué)攝像頭、交通監(jiān)控、科學(xué)運(yùn)動(dòng)捕獲以及碰撞檢測(cè)等。最早推出的通用高速圖像傳感器僅包括并行模擬輸出，不提供板上邏輯（很像現(xiàn)在的極高速圖像傳感器）。不過(guò)現(xiàn)在，芯片本身已經(jīng)集成了許多特性，使圖像傳感器能適用于多種不同的應(yīng)用（多坡度曝光、次采樣、分級(jí)、鏡像、增益、偏移等）。賽普拉斯目前提供多種高速全局快門圖像傳感器，規(guī)格從VGA、 250 幀每秒（LUPA300）到1.3M像素、1000幀每秒（正在開(kāi)發(fā)）不等。所有這些圖像傳感器都支持管線快照功能和多坡度曝光功能。不同傳感器的板級(jí)特性是有差異的。

結(jié)論

本文概括介紹了幾種不同類型的高速圖像傳感器，分別對(duì)應(yīng)于當(dāng)前不同的市場(chǎng)需求。我們將市場(chǎng)中的產(chǎn)品分為三類：

1. 極高速成像：純模擬的圖像傳感器，幀速率極高，數(shù)據(jù)吞吐量也極大 —> 復(fù)雜的攝像頭設(shè)計(jì) —> 主要用于定制設(shè)計(jì)。

2. 具有板級(jí)特性的高速成像：這種圖像傳感器具有很多特定的板級(jí)特性，有助于開(kāi)展圖像傳感器的內(nèi)部設(shè)計(jì)，滿足類似消費(fèi)類電子應(yīng)用中的高速攝像頭需求。有關(guān)特性是根據(jù)客戶需要提供的，主要為定制設(shè)計(jì)。

3. 通用高速圖像傳感器：這種圖像傳感器將上述圖像傳感器最常見(jiàn)的特性與通用圖像傳感器相結(jié)合，可適合多種應(yīng)用的攝像頭需要。

市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)證明，板級(jí)特性、數(shù)據(jù)速率和精度方面的要求還將不斷上升。真正的挑戰(zhàn)在于，如何將數(shù)據(jù)速率極高的圖像傳感器與LVDS和圖像處理等眾多板級(jí)特性實(shí)現(xiàn)有效結(jié)合。