应用于高光谱成像的CMOS图像传感器

解 宁,丁 毅,王 欣,陈世军

(中国科学院上海技术物理研究所,上海 200083)



应用于高光谱成像的CMOS图像传感器

解 宁,丁 毅,王 欣,陈世军

(中国科学院上海技术物理研究所,上海 200083)

文中介绍了应用于高光谱地球观测的CMOS有源图像传感器。该器件由全局曝光模式的像素组成512×256面阵，可实现450帧/s的帧频。全局曝光模式是由在光二极管外增加1个储存电容的方式实现的。 该器件采用0．5 μm标准CMOS工艺，满阱电子达到140 000电子，瞬态噪声29电子，动态范围74 dB。采用该器件开发的高光谱成像仪的空间及频谱分辨率具有很高水平。

CMOS有源图像传感器；全局曝光模式像素；高帧频；高光谱成像仪

0 引言

高光谱遥感技术是近些年来迅速发展起来的一种集探测器技术、精密光学机械、微弱信号检测、计算机技术、信息处理技术于一体的综合性技术。在成像过程中，它利用成像光谱仪以纳米级的光谱分辨率，以几十或几百个波段同时对地表地物成像，能够获得地物的连续光谱信息，实现了地物空间信息、辐射信息、光谱信息的同步获取，其数据可广泛应用于国土资源、林业、农业、油气、矿产、海洋、城市热岛、大气环境探测、材料科学等领域的研究，对开展地质调查、矿产和油气资源勘查、水文生态监测以及环境污染监测分析具有重大意义。同其他常用的遥感手段相比，成像光谱获得的数据具有波段多、光谱分辨率和空间分辨率高等特点。高光谱成像仪的原理是利用图像探测器对每个空间像元色散形成几十个到上百个波段带宽为10 nm左右的连续光谱覆盖，以高光谱分辨率获取景物或目标的高光谱图像。自20世纪90年代以来，国内也开展了高光谱技术的研究，其发展趋势为：高空间分辨率、更多谱段要求、大观测范围。在可见光成像领域，CMOS APS传感器的成像性能已经达到了CCD器件的水平[1],而且APS器件与CCD相比还有一些本质上的优势，如低功耗、高速度、可开窗口、可片上集成处理功能、高抗辐照性能等。因此APS探测器可以应用于高光谱成像仪的核心成像器件。

1 高光谱成像原理

本文介绍的图像传感器是一款根据高光谱探测的设计要求进行开发的APS器件。 高光谱成像的原理如图1所示。

图1 高光谱成像原理

高光谱相机的感光部件为二维像素阵列。 当卫星沿飞行方向移动时,反射光通过光栅投射到图像传感器的焦平面,传感器空间维方向上反映的是目标的空间信息，光谱维方向上则是光谱信息。 三维图像的重建可以通过飞行方向上产生的连续二维图像信息获得。 根据以上的工作原理，应用于高光谱相机的APS传感器需要能够实现全局曝光的工作模式以及极高的读出速率[2]:全局曝光模式可保证当卫星高速移动时y轴方向上的频谱信息不会发生扭曲；而读出帧频越高则可实现的空间分辨率越高，如式(1)所示：

(1)

式中：fr，array为帧频；vε为卫星的速率；GSD为地面采样距离。

由于vε是由卫星所在轨道高度决定，因此frarray越高，则地面采样精度越高。本文为了满足特定的精度要求，APS的帧频需要高于450 fps (frame per second)。除了全局曝光及帧频的要求以外，该APS还将针对满阱电子、噪声、量子效率等性能指标进行优化。

2 传感器电路构造

该传感器的电路构造如图2 所示。像素尺寸为30 μm×30 μm，阵列规模为256(光谱维)×512(空间维)，采用四路差分模拟输出可实现450 fps帧频，每路输出由光信号和参考电压两个分路组成，每路输出的读出频率为20 MHz,列放大器增益在1．25～20之间可调。

图2 器件系统设计

为了实现全局曝光模式，该设计采用的像素结构在传统的3T结构基础上进行改进，如图3所示。该APS像素电路由1个光敏二极管(PD)、1个存储电容(CFD)和5个MOS管组成，AB和TX为全局控制信号，AB的作用是将所有像素阵列中的光敏二极管同时复位，TX将光敏二极管的电压信息转移到CFD上。AB和RST管的漏极电压要低于芯片的电源电压，该设计是出于两点考虑：首先保证PD和CFD之间可通过TX管实现电荷共享从而转移电压信号到CFD上，其次利用硬复位(hard reset)原理可消除成像过程中的拖尾(image lag)现象。

图3 像素电路结构

在像素设计中，由于感光区域(PD)和电荷存储区域(CFD)被TX管隔离，因此积分和读出操作可互相独立同时进行。在这种模式下，积分时间可根据应用环境进行调节，而不会影响读出操作。积分结束后，PD中积累的光生电荷将通过TX管在PD和CFD之间重新分配并被读出，并不需要像4-T像素结构那样采用特殊的PPD(pinned photodiode)工艺使得PD累积的电荷可完全转移到它的电荷储存节点[3-4]。 对于4-T像素来说，通常利用浮动扩散节点(FD，floating diffusion node)作为电荷存储节点，但是FD的电容值通常过小，以至于限制了满阱电子的指标(4-T像素中的FD通常选择偏小的电容值是为了获得更高的电荷增益，更大的输出摆幅，使像素中的源跟随器不会因为PD的输出摆幅过小而截止)，采用了FD作为电荷储存电容的4-T像素通常满阱电子少于20 000 电子[5]。由于在这个特定的高光谱应用中，要求满阱电子大于140 000电子，无法选择4-T像素结构，因此在3-T结构基础上改进提出了图3 所示的5-T像素结构。该传感器的时序控制图如图4所示，像素工作在“读出时积分” (IWR,Integrate While Read) 模式下，因此积分时间可灵活根据应用需要控制。

图4 传感器时序控制图

在这个像素结构设计中，CFD的电容值需要折中考虑：CFD如果过小会限制像素的满阱电子，同时增大复位噪声；如果CFD过大则会使噪声电荷增益下降。本文设计中，PD 的电容值约为15 fF，经过综合考虑CFD值设计为10 fF，因此导致电荷增益下降2/5。CFD是利用MOS管栅电容实现的，该像素版图设计如图5所示，采用0．50 μm三层金属CMOS工艺，占空比约为47%。

图5 像素版图设计

3 传感器性能测试

图6中展示的网球下落并弹起的图像是利用本文所述的APS传感器获得的原始图像。这些图像是以450 fps帧频条件下以全局曝光模式获得的。如果将图3中的控制信号TX 和AB分别置为逻辑“1”和“0”，此时该传感器可以传统3-T像素的滚动曝光模式工作。在112 fps帧频下以滚动模式获得的原始图像如图7所示，在该图中，球的运动方向垂直于行读出方向，当向下运动时，圆球呈椭圆形并向左下倾斜，当向上运动时，圆球呈椭圆形并向右上倾斜。比较图6和图7中的图像，两图中网球形状的对比清楚的表明了在高速成像的应用中，全局曝光相对于滚动曝光的优势。对于全局曝光的器件来说，PLS(寄生光敏感度，parasitic light sensitivity)是一个重要指标。在器件的PLS测试中，随积分结束到读出操作之间的时间延迟的增加，器件的输出电压变化曲线如图8所示，3条曲线对应测试中不同的光照强度，从该测试中可得到器件的PLS为1∶5 000。

图6 450 fps帧频全局曝光模式下拍摄网球轨迹原始图像

图7 112 fps帧频滚动曝光模式下拍摄网球轨迹原始图像

该器件与E2v器件的性能对比如表1所示。本文论述的器件在四通道输出450 fps帧频条件下的功耗为220 mW，它的瞬态噪声为29电子，满阱电子为144 000电子，因此可达到动态范围74 dB。当列电路增益为×3时，电荷增益为5μV/e-，当列电路增益为×9时，电荷增益为16μV/e-。采用本文所述器件的高光谱相机与其他在轨卫星负载的高光谱相机的性能比较见表2。采用本器件的高光谱成像仪的空间及光谱分辨率具有很高水平。图9展示的是采用该器件与三色滤光片结合分别进行推扫获得的原始图像合成后的图像。

图8 传感器输出与曝光结束和读出开始之间的时间延时之间的关系

规格 精度V(光谱维)H(空间维)曝光方式像素尺寸/μm帧频/fps文中器件256512全局/滚动曝光可调30450E2v器件[6](背照器件)2561024全局/滚动曝光可调24250 规格占空比/%功耗/mW电荷增益/(μV/e-)满阱电子瞬态噪声文中器件472205(gain×3)16(gain×9)14400029E2v器件[6](背照器件)100NA10100000/315(@100000满阱电子)

表2 与其他在轨高光谱成像仪参数比较

4 结论

论述了一个应用于高光谱成像的256×512 CMOS APS传感器，它由0．50 μm CMOS工艺制造，在4路模拟输出20 MHz读出频率条件下可达到450 fps帧频。本文在3-T像素基础上提出了一种改进方法，可实现全局曝光的工作模式，并且无需任何特殊工艺。该器件的噪声水平为29电子，满阱电子144 000电子。采用该器件完成的高光谱成像仪的空间及光谱分辨率具有很高水平。

[1] BOGAERTS J,MOOR P D,MUNCK K O,et al．Development of CMOS active pixel sensors for earth observation．Proceedings 5th EARSel Workshop on Imaging Spectroscopy,SPIE,Bruges,2007．[2] SHI C，YANG J，HAN Y，et al．A 1 000 fps vision chip based on a dynamically reconfigurable hybrid architecture comprising a PE array and self-organizing map neural Network．International Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers (ISSCC),IEEE,San Francisco,2014．

[3] TAKAYANAGI I,MO Y,ANDO H,et al．A 600×600 pixel,500 fps CMOS image sensor with a 4．4 μm pinned photodiode 5-Transistor global shutter pixel．Proceedings International Image Sensor Workshop,SPIE,Ogunquit，2007．

[4] LAUXTERMANN S,LEE A,STEVENS J,et al．Comparison of global shutter pixels for CMOS image sensors．Proceedings International Image Sensor Workshop,SPIE，Ogunquit,2007．

[5] MEYNANTS G,BOGAERTS J,WANG X,et al．Backside illuminated global shutter CMOS image sensors．Proceedings International Image Sensor Workshop,SPIE，Hokkaido，2011．

[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

解宁(1982— )，副研究员，主要从事CMOS APS 图像探测器的研究。E-mail：n．xie@mail．sitp．ac．cn