應(yīng)用于高光譜成像的CMOS圖像傳感器

解 寧,丁 毅,王 欣,陳世軍

(中國科學院上海技術(shù)物理研究所,上海 200083)

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應(yīng)用于高光譜成像的CMOS圖像傳感器

解 寧,丁 毅,王 欣,陳世軍

(中國科學院上海技術(shù)物理研究所,上海 200083)

文中介紹了應(yīng)用于高光譜地球觀測的CMOS有源圖像傳感器。該器件由全局曝光模式的像素組成512×256面陣，可實現(xiàn)450幀/s的幀頻。全局曝光模式是由在光二極管外增加1個儲存電容的方式實現(xiàn)的。 該器件采用0．5 μm標準CMOS工藝，滿阱電子達到140 000電子，瞬態(tài)噪聲29電子，動態(tài)范圍74 dB。采用該器件開發(fā)的高光譜成像儀的空間及頻譜分辨率具有很高水平。

CMOS有源圖像傳感器；全局曝光模式像素；高幀頻；高光譜成像儀

0 引言

高光譜遙感技術(shù)是近些年來迅速發(fā)展起來的一種集探測器技術(shù)、精密光學機械、微弱信號檢測、計算機技術(shù)、信息處理技術(shù)于一體的綜合性技術(shù)。在成像過程中，它利用成像光譜儀以納米級的光譜分辨率，以幾十或幾百個波段同時對地表地物成像，能夠獲得地物的連續(xù)光譜信息，實現(xiàn)了地物空間信息、輻射信息、光譜信息的同步獲取，其數(shù)據(jù)可廣泛應(yīng)用于國土資源、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、油氣、礦產(chǎn)、海洋、城市熱島、大氣環(huán)境探測、材料科學等領(lǐng)域的研究，對開展地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)和油氣資源勘查、水文生態(tài)監(jiān)測以及環(huán)境污染監(jiān)測分析具有重大意義。同其他常用的遙感手段相比，成像光譜獲得的數(shù)據(jù)具有波段多、光譜分辨率和空間分辨率高等特點。高光譜成像儀的原理是利用圖像探測器對每個空間像元色散形成幾十個到上百個波段帶寬為10 nm左右的連續(xù)光譜覆蓋，以高光譜分辨率獲取景物或目標的高光譜圖像。自20世紀90年代以來，國內(nèi)也開展了高光譜技術(shù)的研究，其發(fā)展趨勢為：高空間分辨率、更多譜段要求、大觀測范圍。在可見光成像領(lǐng)域，CMOS APS傳感器的成像性能已經(jīng)達到了CCD器件的水平[1],而且APS器件與CCD相比還有一些本質(zhì)上的優(yōu)勢，如低功耗、高速度、可開窗口、可片上集成處理功能、高抗輻照性能等。因此APS探測器可以應(yīng)用于高光譜成像儀的核心成像器件。

1 高光譜成像原理

本文介紹的圖像傳感器是一款根據(jù)高光譜探測的設(shè)計要求進行開發(fā)的APS器件。 高光譜成像的原理如圖1所示。

圖1 高光譜成像原理

高光譜相機的感光部件為二維像素陣列。 當衛(wèi)星沿飛行方向移動時,反射光通過光柵投射到圖像傳感器的焦平面,傳感器空間維方向上反映的是目標的空間信息，光譜維方向上則是光譜信息。 三維圖像的重建可以通過飛行方向上產(chǎn)生的連續(xù)二維圖像信息獲得。 根據(jù)以上的工作原理，應(yīng)用于高光譜相機的APS傳感器需要能夠?qū)崿F(xiàn)全局曝光的工作模式以及極高的讀出速率[2]:全局曝光模式可保證當衛(wèi)星高速移動時y軸方向上的頻譜信息不會發(fā)生扭曲；而讀出幀頻越高則可實現(xiàn)的空間分辨率越高，如式(1)所示：

(1)

式中：fr，array為幀頻；vε為衛(wèi)星的速率；GSD為地面采樣距離。

由于vε是由衛(wèi)星所在軌道高度決定，因此frarray越高，則地面采樣精度越高。本文為了滿足特定的精度要求，APS的幀頻需要高于450 fps (frame per second)。除了全局曝光及幀頻的要求以外，該APS還將針對滿阱電子、噪聲、量子效率等性能指標進行優(yōu)化。

2 傳感器電路構(gòu)造

該傳感器的電路構(gòu)造如圖2 所示。像素尺寸為30 μm×30 μm，陣列規(guī)模為256(光譜維)×512(空間維)，采用四路差分模擬輸出可實現(xiàn)450 fps幀頻，每路輸出由光信號和參考電壓兩個分路組成，每路輸出的讀出頻率為20 MHz,列放大器增益在1．25～20之間可調(diào)。

圖2 器件系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)全局曝光模式，該設(shè)計采用的像素結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)的3T結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行改進，如圖3所示。該APS像素電路由1個光敏二極管(PD)、1個存儲電容(CFD)和5個MOS管組成，AB和TX為全局控制信號，AB的作用是將所有像素陣列中的光敏二極管同時復(fù)位，TX將光敏二極管的電壓信息轉(zhuǎn)移到CFD上。AB和RST管的漏極電壓要低于芯片的電源電壓，該設(shè)計是出于兩點考慮：首先保證PD和CFD之間可通過TX管實現(xiàn)電荷共享從而轉(zhuǎn)移電壓信號到CFD上，其次利用硬復(fù)位(hard reset)原理可消除成像過程中的拖尾(image lag)現(xiàn)象。

圖3 像素電路結(jié)構(gòu)

在像素設(shè)計中，由于感光區(qū)域(PD)和電荷存儲區(qū)域(CFD)被TX管隔離，因此積分和讀出操作可互相獨立同時進行。在這種模式下，積分時間可根據(jù)應(yīng)用環(huán)境進行調(diào)節(jié)，而不會影響讀出操作。積分結(jié)束后，PD中積累的光生電荷將通過TX管在PD和CFD之間重新分配并被讀出，并不需要像4-T像素結(jié)構(gòu)那樣采用特殊的PPD(pinned photodiode)工藝使得PD累積的電荷可完全轉(zhuǎn)移到它的電荷儲存節(jié)點[3-4]。 對于4-T像素來說，通常利用浮動擴散節(jié)點(FD，floating diffusion node)作為電荷存儲節(jié)點，但是FD的電容值通常過小，以至于限制了滿阱電子的指標(4-T像素中的FD通常選擇偏小的電容值是為了獲得更高的電荷增益，更大的輸出擺幅，使像素中的源跟隨器不會因為PD的輸出擺幅過小而截止)，采用了FD作為電荷儲存電容的4-T像素通常滿阱電子少于20 000 電子[5]。由于在這個特定的高光譜應(yīng)用中，要求滿阱電子大于140 000電子，無法選擇4-T像素結(jié)構(gòu)，因此在3-T結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改進提出了圖3 所示的5-T像素結(jié)構(gòu)。該傳感器的時序控制圖如圖4所示，像素工作在“讀出時積分” (IWR,Integrate While Read) 模式下，因此積分時間可靈活根據(jù)應(yīng)用需要控制。

圖4 傳感器時序控制圖

在這個像素結(jié)構(gòu)設(shè)計中，CFD的電容值需要折中考慮：CFD如果過小會限制像素的滿阱電子，同時增大復(fù)位噪聲；如果CFD過大則會使噪聲電荷增益下降。本文設(shè)計中，PD 的電容值約為15 fF，經(jīng)過綜合考慮CFD值設(shè)計為10 fF，因此導致電荷增益下降2/5。CFD是利用MOS管柵電容實現(xiàn)的，該像素版圖設(shè)計如圖5所示，采用0．50 μm三層金屬CMOS工藝，占空比約為47%。

圖5 像素版圖設(shè)計

3 傳感器性能測試

圖6中展示的網(wǎng)球下落并彈起的圖像是利用本文所述的APS傳感器獲得的原始圖像。這些圖像是以450 fps幀頻條件下以全局曝光模式獲得的。如果將圖3中的控制信號TX 和AB分別置為邏輯“1”和“0”，此時該傳感器可以傳統(tǒng)3-T像素的滾動曝光模式工作。在112 fps幀頻下以滾動模式獲得的原始圖像如圖7所示，在該圖中，球的運動方向垂直于行讀出方向，當向下運動時，圓球呈橢圓形并向左下傾斜，當向上運動時，圓球呈橢圓形并向右上傾斜。比較圖6和圖7中的圖像，兩圖中網(wǎng)球形狀的對比清楚的表明了在高速成像的應(yīng)用中，全局曝光相對于滾動曝光的優(yōu)勢。對于全局曝光的器件來說，PLS(寄生光敏感度，parasitic light sensitivity)是一個重要指標。在器件的PLS測試中，隨積分結(jié)束到讀出操作之間的時間延遲的增加，器件的輸出電壓變化曲線如圖8所示，3條曲線對應(yīng)測試中不同的光照強度，從該測試中可得到器件的PLS為1∶5 000。

圖6 450 fps幀頻全局曝光模式下拍攝網(wǎng)球軌跡原始圖像

圖7 112 fps幀頻滾動曝光模式下拍攝網(wǎng)球軌跡原始圖像

該器件與E2v器件的性能對比如表1所示。本文論述的器件在四通道輸出450 fps幀頻條件下的功耗為220 mW，它的瞬態(tài)噪聲為29電子，滿阱電子為144 000電子，因此可達到動態(tài)范圍74 dB。當列電路增益為×3時，電荷增益為5μV/e-，當列電路增益為×9時，電荷增益為16μV/e-。采用本文所述器件的高光譜相機與其他在軌衛(wèi)星負載的高光譜相機的性能比較見表2。采用本器件的高光譜成像儀的空間及光譜分辨率具有很高水平。圖9展示的是采用該器件與三色濾光片結(jié)合分別進行推掃獲得的原始圖像合成后的圖像。

圖8 傳感器輸出與曝光結(jié)束和讀出開始之間的時間延時之間的關(guān)系

規(guī)格 精度V(光譜維)H(空間維)曝光方式像素尺寸/μm幀頻/fps文中器件256512全局/滾動曝光可調(diào)30450E2v器件[6](背照器件)2561024全局/滾動曝光可調(diào)24250 規(guī)格占空比/%功耗/mW電荷增益/(μV/e-)滿阱電子瞬態(tài)噪聲文中器件472205(gain×3)16(gain×9)14400029E2v器件[6](背照器件)100NA10100000/315(@100000滿阱電子)

表2 與其他在軌高光譜成像儀參數(shù)比較

4 結(jié)論

論述了一個應(yīng)用于高光譜成像的256×512 CMOS APS傳感器，它由0．50 μm CMOS工藝制造，在4路模擬輸出20 MHz讀出頻率條件下可達到450 fps幀頻。本文在3-T像素基礎(chǔ)上提出了一種改進方法，可實現(xiàn)全局曝光的工作模式，并且無需任何特殊工藝。該器件的噪聲水平為29電子，滿阱電子144 000電子。采用該器件完成的高光譜成像儀的空間及光譜分辨率具有很高水平。

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[6] JERRAM P,BURT D,MORRIS D,et al．Design of Image Sensors for Hyperspectral Applications．Sensors Systems,and Next-Generation Satellites XIII,Proceeding of SPIE，Maspalomas,2009．

CMOS Active Pixel Sensor for Hyperspectral Imaging Application

XIE Ning,DING Yi,WANG Xin,CHEN Shi-jun

(Shanghai Institute of Technical Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200083,China)

A 450 frame per second (fps) CMOS Active Pixel Sensors (APS) with 512×256 global shutter pixels was proposed for hyperspectral earth observation application．The global shutter was realized by adding a storage capacitance next to the photodiode．The sensor was manufactured in 0．50 μm standard CMOS process,resulting in a full well capacity of 140 000e-,a read noise of 29e- RMS and a dynamic range of 74 dB．The developed spectrometer by this sensor is able to achieve the better spatial and spectral resolution．

CMOS APS;global shutter pixel;high frame rate;hyperspectral imager

2014-10-09 收修改稿日期:2015-03-07

TN36

A

1002-1841(2015)07-0007-03

解寧(1982— )，副研究員，主要從事CMOS APS 圖像探測器的研究。E-mail：n．xie@mail．sitp．a(chǎn)c．cn