瞬态成像模式下高帧频CMOS图像传感器性能研究
摘要：高帧频 CMOS 图像传感器具有集成度高、帧频高、功耗低、抗干扰抗辐照能力强等特性，在科学实验中应用广泛。为提高外同步触发瞬态成像模式下的成像性能，本文首先介绍了基于高帧频 CIS 的瞬态成像系统构成及其工作模式;从像素结构出发，对该款 CIS 在不同工作模式下的成像性能进行了理论分析;搭建了基于 EMVA1288 的标准化测试平台，对瞬态工作模式下的多项关键性能指标进行了测试，并与稳态工作模式下的性能进行了对比。分析结果表明：与稳态工作模式相比，瞬态成像模式下图像传感器具有更大的暗本底和固定模式噪声，但传感器的时序噪声、光响应非均匀性优于稳态工作模式，具有更高的信噪比和动态范围，与理论分析基本吻合。论文测试分析结果可用于指导科学成像系统设计与性能优化。
关键词：高帧频 CMOS 图像传感器;瞬态成像;性能分析;响应非均匀性
严明; 白琼; 李刚; 李斌康; 杨少华; 郭明安; 张雪莹， 红外与激光工程 发表时间：2021-11-26
随着半导体光电技术的不断发展，基于 CMOS 工艺的图像传感器(CMOS Image Sensor, CIS)性能不断提升，由于其独有的高集成度、高帧频、低功耗和强抗干扰抗辐照能力等特性[2]，在科学实验中应用日益广泛。在图像测量与诊断领域中，成像系统通常工作于外部信号同步触发的瞬态成像模式。与连续图像输出的稳态模式不同，瞬态成像模式主要以触发等待时间长、曝光时间短、图像推出速度快、图像曝光输出不连续为突出特点。瞬态成像技术可以较好的捕捉快速物理现象中的过程图像，以反应其物理过程的发展变化规律。因此瞬态成像技术广泛应用于等离子体物理研究、高速碰撞实验、爆轰效应等科学实验领域[1]。高帧频的图像传感器作为瞬态成像系统的核心器件，由于生产工艺的个体差异、半导体材料特性变化、传感器工作模式的差异[4]，有必要对传感器的实际性能参数进行精细化测量与分析，并根据分析结果对图像进行相应的优化处理，以获得最佳的测试图像。
国内外针对 CIS 的性能研究大都集中在连续图像输出的稳态模式，主要有针对暗电流信号的性能优化、针对光响应一致性的性能优化、针对不同高帧频传感器的性能测试与对比分析等等。但是很少有针对 CIS 工作在瞬态成像模式下的性能研究。因此，开展高帧频 CMOS 图像传感器在瞬态成像模式下的性能研究具有十分重要的价值。 CMOS 图像传感器工艺将光二极管工艺与标准 CMOS 工艺相结合，片内集成列读出放大及高速并行 AD 转换器，有利于大像素阵列集成和高帧频实现。随着特种半导体工艺技术的进步，CIS 在量子效率、灵敏度等方面接近 CCD 技术水平，而更低廉的加工成本和独特的性能优势，使得 CIS 逐渐取代 CCD 成为图像传感器的主流器件。尤其在对传感器性能要求较高的科学成像领域，CIS 在高灵敏度、高帧频和大面阵成像系统方面已经取代 CCD 器件，成为大部分成像系统设计的首选。
本文首先介绍了一款高帧频 CIS 的性能参数以及基于该 CIS 的瞬态成像系统构成;然后从像素结构出发，分析了高帧频 CIS 在不同工作模式下的成像性能特征;搭建了基于 EMVA1288 的标准化测试平台，对瞬态工作模式下的多项关键性能指标进行了测试，并与稳态工作模式下的成像性能进行了对比，测试结果与理论分析相吻合。
1 高帧频 CIS 及瞬态成像系统构成
高帧频 CIS 是高速成像系统的核心器件，器件的性能参数决定了成像系统的性能。本文选定的高帧频图像传感器采用 5T 像素结构，空间分辨率为 1280×1024，像素量化精度为 12bit，在全分辨率条件下，最大帧频达到 1000fps[3]。其主要性能指标如表 1 所示：表 1 高帧频 CMOS 图像传感器性能参数从表 1 可以看出，与高灵敏度的科学级 CIS 通常采用卷帘快门(Rolling Shutter)不同，高帧频 CIS 通常采用全局快门(Global Shutter)结构。卷帘快门读出噪声低，配合高精度的 ADC 进行量化，有利于实现高灵敏度的成像性能，而高帧频则主要关心图像推出速度，其列处理电路的噪声较大，数字化精度较低，对读出噪声不太敏感，因此高帧频 CIS 大多采用全局快门工作模式。高帧频 CIS 的电荷转移时间短，通常在百纳秒量级，浮置栅级电容较小，为了实现高帧频图像推出，像素列处理电路的工作频率较高，因此读出噪声较大。为实现较高的帧频率和较短的曝光时间，通常采用 5T 或者更多晶体管的像素结构，以实现良好的全局曝光控制。
基于该款高帧频 CIS，设计实现了一种瞬态成像系统，系统主要由前端高速相机及远端高速图像采集系统构成[5]。前端高速相机包括光学镜头、快响应像增强器、高压快脉冲发生器、光纤锥耦合 CIS、以及传感器驱动电路等。该瞬态成像系统的实物和构成如图 1 所示：瞬态成像系统通常需要实现很高的时间分辨能力，通过快响应像增强器配合高压快脉冲发生器，本系统实现了纳秒量级的时间分辨性能，同时像增强器可以对目标场景进行光增强，获得较好的图像信噪比。本文所设计的瞬态成像系统，通过将快响应像增强器的开门时间与高帧频 CIS 的曝光时间相配合，实现了超短曝光的连续两帧瞬态图像获取功能。前端相机获取的瞬态图像通过光纤传输至后端图像采集系统进行处理和显示，有利于提高成像系统对各类不同科学实验的适用性。
2 高帧频 CIS 工作特性分析
高帧频 CIS 通常采用的典型像素结构为 5T 像素，该结构可以实现较快的全局电子快门，高帧频 CIS 的典型芯片结构及 5T 像素结构如图 2 所示：如图 2 所示的 5T 像素结构主要包括光敏区复位、浮置栅级复位、转移门、源极跟随输出及行选择输出等晶体管。全局电子快门通过全局光敏区复位信号配合全局转移信号实现，快门时序如图 3 所示：
如图 3 所示，5T 像素通过 PD_RST 信号对全局像素光敏区进行清零，关闭该信号像素阵列开始曝光，打开转移信号 TX 则开始全局电荷转移，转移结束标志一次全局曝光的电子快门结束。在瞬态成像模式下，等待触发信号时像素阵列处于状态①，此时 5T 像素仅光敏区处于复位状态，转移信号和浮置栅级复位信号关闭，传感器像素阵列内部仅有光敏区的光生电荷通过复位管的直接泄放电流。5T像素 CIS 的瞬态成像模式和稳态连续成像模式时序驱动不同，两者的对比如图 4 所示：
两种成像模式在像素阵列的工作状态方面存在较大不同：如图 4 A 子图所示，在瞬态成像模式下，传感器光敏区长时间处于复位状态，光敏区电势被拉高至 VPIX，当外部触发信号到来，PD_RST 管关闭，阵列光敏区开始累积光生电荷，此时 VPIX负载降低，由于此时光敏区与 VPIX断开，VPIX负载降低带来的电压波动，对光敏区的感光不产生影响;如 B 子图所示，在稳态成像模式下，光敏区大部分时间处于电荷累积状态，光敏区的复位间隔小于帧间隔，当曝光时间与帧间隔接近时，光敏区复位时间非常短。像素阵列光敏区短时间复位，会在 VPIX上造成负载的短时增大，尤其 PD_RST 复位管打开的瞬间，VPIX上会增加一个 20nF 的瞬时容性负载，峰值瞬时电流负载达到 1A/50ns。此负载造成 VPIX 在像素阵列内部的波动，带来像素阵列光响应一致性变坏。即连续成像模式下，像素阵列的光响应一致性差于瞬态成像模式，曝光时间越短，连续成像模式下光响应一致性越差。
两种成像模式在读出电路的工作状态方面存在不同：瞬态成像模式下长时间没有图像读出，列处理电路处于初始等待状态，此时 CDS 电路的采样电容、PGA 电路的信号放大电容、信号传输链路上的存储电容等容性负载在热噪声影响下会不断积累电荷，使得像素阵列的暗本底信号不断上升，但由于电路没有处于高频率工作状态，时序噪声会略小;而稳态模式下，图像处于连续读出状态，列处理电路处于连续工作状态，每行读出后，列处理电路会自动复位清零，因此像素阵列的暗本底信号较小，但电路一直处于高频工作状态，时序噪声会略大。即连续成像模式下，像素阵列暗本底较低，但时序噪声略大;瞬态成像模式下，像素阵列暗本底较高，但时序噪声略小。
3 成像性能测试系统及方法
为测试不同工作模式下成像系统的关键性能指标，本文所搭建的成像性能测试系统如图 5 所示，主要由光源系统、暗室、信号源、高帧频 CMOS 相机、图像采集卡、上位机控制系统构成[7]。该测试系统可提供明场、暗场两种测试光场;可分别对成像系统的瞬态工作模式及稳态工作模式进行测量。瞬态工作模式采用外触发信号获取单帧图像，稳态工作模式采用连续曝光获取多幅图像，抽取其中一幅图像进行测试。
稳态工作模式下，系统选用 LED 光源，利用光源控制器控制光源强度，可输出稳定单色光，通过进光口后拆分为两路，一路直接照射到被测相机的 CMOS 图像传感器的感光平面,用于稳态图像的采集;一路通过光电转换模块，输入示波器，与信号源原始波形进行对比。瞬态工作模式下，信号源控制纳秒激光器，发射脉宽为 5ns 的脉冲激光，用于瞬态图像的采集，激光器的光谱在 200nm~1000nm 范围内可调，频谱宽度为 5nm。前端相机获取不同工作模式下的图像数据通过光纤实时传输至后端图像采集卡;图像采集卡获取测量图像后通过 USB3.0 接口传输存储到上位控制主机内，上位机软件对采集的图像数据进行处理分析，获取最终的性能测试结果。
暗场测试过程中，测试系统关闭光源，通过改变相机的曝光时间，测量暗信号时间噪声及暗信号非均匀性(DSNU)等性能参数。明场测试过程中，为了获取一系列不同曝光量的测试图像，保持光源光照强度不变，改变图像传感器的曝光时间，测量时间噪声、光响应非均匀性(PRNU)等性能参数。并结合明场、暗场测试结果，进一步分析获得信噪比、动态范围、暗电流、总体系统增益等性能参数。
4 性能测试方法与结果分析
4.1 时间噪声
(1)参数测试方法
成像系统的时间噪声指随时间发生变化的噪声，主要来源包括：热噪声、读出噪声及放大电路噪声、量化噪声、散粒噪声等。明场条件下，每个曝光强度下采集 L=20 幅图像，对 20 幅图像取平均获得平均灰度图像，并计算每个像素灰度相对于平均灰度图像的方差，再对整张图像求平均，获取输出信号的时间噪声