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淺談CMOS成像器連載之三:APS像素陣列結構

發布時間:2013-1-9 11:32    發布者:絕對好文
關鍵詞: CMOS成像
作者:Luo Xin

上次談到的APS像素只是一個單點的光電傳感器,只獲取整幅圖像中一個點的光照強度值。而在CMOS成像器芯片上,整幅光學圖像是成像在一個APS像素陣列Pixel Array的平面上,整幅圖像信息的獲得是由這個像素陣列實現的,像素陣列的結構決定了圖像的分辨率和畫面結構。

一般的像素陣列是由水平方向的行(Row)和垂直方向的列(Column)構成,如圖3(A)所示意。陣列中相鄰像素中心線的距離稱為步距Pitch,在大多數設計中,垂直和水平方向采取相等的像素步距;而像素的形狀采取邊長相等于步距的正方形:

Pixel height =Pixel width = Pitch row = Pitch column。



無論如何,設計的一般原則是:攝像器件像素排列的圖案,必須與顯示的像素排列完全相同對應,才能無失真地攝取和還原圖像畫面。在一個正方像素陣列(M,N)中,行和列的像素數決定了圖像的分辨率和寬長比。圖像的總有效像素數Total Pixel Number通常被用來表達圖像的分辨率,TPN = M x N;而圖像的寬高比Aspect = M / N。

表 1,典型數字圖像的結構


因為經過聚焦的光學圖像成像在像素陣列上,像素陣列的尺寸與光學系統相關,陣列尺寸實際上就是光學成像畫面的尺寸。在數字單反照相機DSLR上,普遍采用“全幅”36 x 24 mm2畫面,這就是傳統135照相膠片的成像尺寸;或者“半幅”24 x 16 mm2畫面,也就是35 mm電影膠片的成像尺寸,以便充分延續利用膠片時代優秀的光學鏡頭設計。DSLR畫面的寬高比Aspect通常也采用3:2,如膠片時代的照片和普通電影畫面一樣。譬如要求圖像的分辨率為TPN = 24 Meg Pixels,而圖像畫面即像素陣列尺寸為36 x 24 mm2,計算出來單個像素的尺寸和步距應該是6 x 6 μm2。對于一個移動電話攝像用的3.1 Meg Pixels CMOS成像器而言,采用1/4英寸光學鏡頭,芯片的像素陣列尺寸為3.6 x 2.7 mm2,像素尺寸為1.75 x 1.75 μm2。數字影院級攝像機的CMOS傳感器通常也用類似DSLR“半幅”的像素陣列尺寸,使畫面的尺寸看上去象是沿襲電影膠片的。作為例子一個高清影院級4K畫面CMOS成像器,其陣列尺寸為24.2 x 12.5 mm2,總像素數為4480 x 2304 = 11 Meg Pixels,像素尺寸為5.4 x 5.4 μm2。

圖3(B)示意由最簡單3T-APS像素陣列的像素間互連。在陣列的水平方向,每一行像素共享一組重置信號Rst(n)和選擇控制信號Sel(n);在陣列的垂直方向,每一列像素共享輸出信號線Out(m),并最終連接到一個恒流源上。這個恒流源作為m列每個像素中源極跟隨器SF的共享負載。在這個結構中,每行像素同時執行相同的重置Rst和選擇Sel操作。曝光的控制是通過Rst(n)按行操作的,而所有在一行上的像素又同時被Sel(n)選擇輸出光電信號;在被選中行(n)中,分屬于不同列的輸出

Out(m)分別輸出;陣列中所有像素上的電源Vdd都是被連在一起的。

為了在同一顆成像器芯片上,即一個成像器陣列上獲得彩色的圖像,CMOS成像器在每一個像素上加上紅綠蘭不同基色的濾光層。以產生分別對不同基色感光的紅R、綠G、蘭B像素,以檢測不同基色光照強度的信息。最通常采用的基色像素排列圖案,稱為Bayer像素排列(或圖案),如圖3(C)所示。Bayer排列由4個上下左右相鄰的像素構成一組,這一組像素獲得的光能量為:

Ec = 1R + 1B + 2G

相鄰行讀出像素的順序為:G、R、G、R、G …,和B、G、B、G、B …。不同基色的信號,可以在模擬層面或數字層面用時序分別切換到三基色RGB的信號輸出。實際上在一組Bayer排列的4個像素上,三個基色并不真正在一個空間坐標點上,而三個基色的感光的能量也是不同的。直接來自像素的信號讀出后,用數字處理方法可以把一組4個相鄰像素獲得的信息,處理成一組能量均衡的接近真實的RGB信息。但是即使這樣也會引起彩色的失真,以及實際圖像空間分辨率的下降。

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