1、CMOS圖像傳感器的性能2.2.1光電轉(zhuǎn)換的原理和性能當(dāng)光子入射到半導(dǎo)體材料中，光子被吸收而激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對，稱為光生載流子，如圖2.3(a)所示。量子效率(QuantumEfficiency,QE)被定義為產(chǎn)生光生載流子的光子數(shù)占總?cè)肷涔庾訑?shù)的百分比；或者被定義為n，即每個入射光子激發(fā)出來的光生載流子數(shù)。式中，N為被激發(fā)出來的電子數(shù)；N為入射的光子數(shù)。不同的半導(dǎo)體材料對入ev射光的響應(yīng)隨其波長而變化，對于硅材料而言波長覆蓋整個可見光范圍，截止在約1.12-m的近紅外波長，如圖2.3(b)所示。0.0半導(dǎo)體材料3004(1060070080090010001100波-fe(nin)b)a)

2、圖2.3硅半導(dǎo)體材料的光照響應(yīng)光電信號的噪聲水平?jīng)Q定了能檢測到的最小光功率，即光電轉(zhuǎn)換的靈敏度。硅光電傳感器的噪聲構(gòu)成包括：來源于信號和背景的散粒噪聲(shotnoise)；閃爍噪聲(flickernoise),即1/f噪聲；來源于電荷載流子熱擾動的熱噪聲(thermalnoise)。噪聲特性用噪聲等效功率NEP(NoiseEquivalentPower)表達(dá)，信號功率和噪聲等效功率的比值，被稱為信噪比(SignalNoiseRatio,SNR),是描述傳感器性能的重要參數(shù)之一。當(dāng)入射光子照射在半導(dǎo)體材料的PN結(jié)上，如圖2.4(a)所示，如果在PN結(jié)上施加電壓使光生載流子形成電流，產(chǎn)生如圖2.

3、4(b)所示的I-V特性曲線。曲線上V0的正向偏置一段被稱為太陽能電池模式；PN結(jié)反向偏置VV0的平直一段曲線，被稱為光電二極管模式；I-V特性的反向擊穿段被稱為雪崩模式。通常在圖像傳感器中，光電轉(zhuǎn)換元件工作在光電二極管模式，如圖2.3(c)所示。圖23中PN結(jié)的反向電流Ilk為leak人射光子IncidentPhoton無光照有光照j.；:仏ffJ4?ak|phJ太陽能削池模式SolarCellmode雪崩模式光電二極管模式AvalanchePhotodiodemodemodeI=I+1leakphdiff(b)(a)式中，為光生載流子產(chǎn)生的電流；I為擴散電流。在完全沒有光照的情況下phdi

4、ffI=0,I=I，被稱為暗電流或者漏電流。phleakdiff在通常的CMOS圖像傳感器中，光電轉(zhuǎn)換的速度還不是需要特別加以考慮的因素。但是在某些高速攝影應(yīng)用中，或者某些潛在的未來超高速圖像轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，會考慮到光電轉(zhuǎn)換速度的問題。在CMOS圖像傳感器中，對響應(yīng)速度影響最大的將是少數(shù)載流子的擴散時間。2.2.2圖像清晰度CMOS圖像傳感器和CCD的一樣，圖像的清晰度取決于硅光電二極管陣列的像素總數(shù)N。在正交排列的圖像傳感器像素陣列中，水平方向的像素數(shù)為M，垂直方向的像素數(shù)為N,陣列像素總數(shù)為N=MxNP像素數(shù)越高的圖像信號，可以提供更多的圖像細(xì)節(jié)信息，每1百萬像素用1MNP表示。在靜止圖像照相

5、機應(yīng)用中，采用CMOS圖像傳感器的商品數(shù)碼單反照相機,陣列像素數(shù)可以達(dá)到36M，其M=7360和N=4912,這樣的清晰度可以達(dá)到和超過傳統(tǒng)的專業(yè)135mm膠片水平。高清數(shù)字電視（HDTV）的標(biāo)準(zhǔn)為21M像素，N=MxN=1920 x1080，而相比之下模擬電視時代PAL制電視的清晰度，在625行掃描和6.5MHz圖像信號帶寬下，最多也只能相當(dāng)于約575x767=0.44M像素的水平。采用CMOS圖像傳感器攝像的超高清晰度電視制式（UHDTV）將達(dá)到8K標(biāo)準(zhǔn)，其總像素數(shù)N=7680 x4320=P33M。圖2.5所示為幾種不同清晰度像素陣列規(guī)格畫面的尺寸比較，在這些被比較的陣列中，假設(shè)它們的單

6、個像素尺寸都是相同的。這樣一來從圖2.5中這些不同清晰度矩形所占的面積上，就可以清楚地比較出它們的圖像信息量之間巨大的差別。4KIJigjtalCinema4096x2140RhlJlligitnl(lrcma452()x2540圖2.5不同清晰度像素陣列的尺寸示意DVD720 x480DV1280 x720HDTV192Gifc10SO2KDigitalCmema2048x10802.2.3圖像刷新速率和高速攝影圖像刷新速率決定完成一幅圖像的曝光和讀出所需要的時間，對于某一特定圖像而言，無疑減少曝光時間是提高刷新速率的最直接方法。從圖像傳感器方面來看，當(dāng)然提高靈敏度可以減少曝光時間，從而提高

7、讀出速率也是提高圖像刷新速率的重要手段。在顯示連續(xù)圖像的應(yīng)用中，像電視、視頻和電影，圖像在每秒時間更新的幀數(shù)都有一定的標(biāo)準(zhǔn)，利用人類視覺的惰性實現(xiàn)運動顯示的連續(xù)性。高清電視（HDTV）的刷新速率標(biāo)準(zhǔn)可以達(dá)到每秒120幀，以充分真實地表現(xiàn)高速運動的畫面，而圖像傳感器首先必須達(dá)到同樣的刷新速率。在靜止圖像數(shù)碼照相機應(yīng)用中，圖像刷新速率會影響相機的連拍速度性能。高速攝影在科學(xué)研究和軍事裝備應(yīng)用非常有用，往往要求圖像刷新速率達(dá)到每秒1000幀以上，可以獲得高速運動的細(xì)節(jié)信息，供記錄和用低的刷新速率重建顯示，以觀察高速運動的過程細(xì)節(jié)。2.2.4圖像數(shù)據(jù)的字長如前所述，CMOS圖像傳感器芯片可以直接輸出數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)的字長n決定了圖像信息的動態(tài)范圍，一個nbit二進(jìn)制數(shù)所表達(dá)的最大數(shù)值為2n。當(dāng)信號噪聲的值小于數(shù)據(jù)的最低位LSB時，nbit圖像數(shù)據(jù)表達(dá)的最大動態(tài)范圍就是2常見CMOS圖像傳感器芯片輸出