|
|
|
CMOS图像传感器面临噪音问题挑战
|
|
CMOS Image Sensor Facing Noise Challenge
|
随着数字相机市场的快速增长和消费者对新功能的需求，CMOS图像传感器迎来迅速发展时期。过去，大多数这类电子产品都使用电荷耦合器件（CCD）作为图像传感器。现在，人们要求产品必须拥有更大的带宽和更低的功耗，而CCD在结构上的缺陷使它难以满足这种需求。正因为如此，CMOS图像传感器才有了取代CCD的可能。
在数字相机等产品中，图像传感器是最关键的部件。图像传感器技术的进步使这些产品越来越大众化。据Cahners In-Stat统计，2000年全球共卖出1亿只图像传感器，总价值达到了12亿美元。
噪音成为挑战
在这个急速膨胀的数字影像市场中，生产厂商必须拥有很强的实力才能生存。现在，图像传感器只是数字相机的眼睛，但今后它将是相机的大脑。所以，生产厂商必须努力消除产品设计中的所有缺陷，以便占据有利地位。噪音就是容易产生问题的地方之一，但大多数CMOS图像传感器生产商都把注意力集中在降低功耗和材料成本上面，而忽略了这一问题。
无论是在摄像机还是在照相机中，噪音问题都必须得到解决，这里有两个至关重要的原因。其一是因为消费者都希望产品能有更多的特性，比如高分辨率、高对比度以及更清晰的图像等。然而，要想提高成像水平就必须增大带宽。但带宽增加后，芯片内部的噪音也会同时变大；而噪音增加又会引起图像质量下降。另外一个原因，现在的用户已经不满足于简单的拍摄与展示。有了数字相机，他们就能自己对照片进行剪裁、编辑、放大和缩小，还可以把照片印到日历上、名片上或通过互联网与家人和朋友分享。
在下一波追求高带宽、低功耗的竞争中，CMOS图像传感器将展现出在设计上比CCD更优越的特点：尺寸小、系统成本低，在确保产品品质的前提下功耗也低。但现在，噪音成了CMOS成功路上最大的障碍，它会引起图像质量的下降。这也是噪音问题必须得到解决的原因之一。
CMOS器件要取得成功，必须从设计和制造两方面对噪音问题进行详尽地研究，以便将其降到合理的地步。图像传感器生产商最容易犯的错误是忽略噪音问题。他们总是在通用的设计基础上设计他们自己的产品，其中包括放大电路、像素及其他部件。但通用设计并不是针对特定产品的。当然，使用通用设计让这些厂家都能够快速地设计出自己的图像传感器，但其性能只能是一般水平。要想降低噪音，就必须针对特定产品进行设计，比如照相机、摄像机、工业用监视摄像机或指纹识别设备等，否则噪音就仍然会成为主要问题。
从像素入手
像素是对信号链进行深入检测的最佳起点，也是降低噪音的重要因素。
像素是组成图像传感器的基本元素，同时也是收集光信号的最小部件。根据模数采样转换的原理，像素越多，得到的图像质量就越好。也就是说对一幅图的采样越多，再现出来的图像质量就越好（比如，1200dpi的打印机的打印质量就比300dpi的打印机要好）。这些像素上产生的电压经过放大、迭加、转换，然后构成一系列像素阵列输出。在这个生成信号流的整个过程中，到处都有可能产生噪音，降噪也就得从此处入手。整体设计越是平衡，最终图像中的噪音水平就越低。
当用户需要高分辨率图像时，保持图像质量就更加重要了，并且技术的进步也必须跟得上用户需求的发展。当数字相机成为捕捉和交换图像的标准设备时，数字摄影的使用机会就会大大增加。使用胶片时，用户得到的只是一张照片；而现在，随着数字相机的普及，用户能做更多的事情。他们可以自己的照片进行编辑，并和朋友们分享，或是想利用更多的资源创作自己的作品。由于剪裁出来的照片比原始的镜头更为重要，最初拍摄的镜头已经成为新图片的来源，它的分辨率越高，最后的输出质量也就越高。
固有噪音和突发噪音
在降噪时，我们必须考虑这个问题，也就是保证整个信号流的噪音都非常低。一个方法就是在合适的地方加上能满足带宽要求的去噪电路。在加入去噪电路时，设计者必须考虑两种类型的噪音：固有噪音和突发噪音。
首先来看固有噪音，它的产生表明在图像阵列的行、列、像素之间有位置偏差或是增益变化，其效果就像通过一扇窗户看外面的景色。固有噪音对每一帧都是一样的，所以对所有的数据都减去一个固定的偏移量就可以消除它。
与固有噪音相比，突发噪音(有时也称作随机噪音)会随时间而变化（在帧与帧之间），所以不能通过后期处理来纠正。标准的视频帧速率是30fps，帧与帧之间的变化速度极大地影响着图像的质量，CCD就很容易在高分辨率、高帧速的条件下产生随机噪音，而这一点用CMOS技术很容易克服。
CMOS技术能够解决随机噪音问题的原因在于它独特的放大电路设计。在CMOS图像传感器中，每个像素都有一个放大器，而CCD器件只是在最后输出时才对信号进行放大，也就在生成数字信号的最后一步进行放大。在拍摄视频时，像素在每一帧间都会变化，所以放大电路就必须对输出的每一个点的变化进行放大处理。举例来说，与HDTV摄像机上用的200万像素CCD配套的放大电路的工作频率是78MHz，而相同尺寸的CMOS器件只需要30Hz到60Hz的带宽，基本等于它的帧速率。所以，用CCD就意味着功耗大，由于带宽大而带来的随机噪音也多。总之，用CCD技术的结果就会是电池寿命短、图像质量差。
制造工艺控制
在解决噪音问题时，有许多公司会在制造工艺上投入很多时间，而另外一些公司则会在设计上下工夫。理想的解决方案是在开发产品时同时关注所有的重要步骤。通常，混合信号的处理会用到多种类型的晶体管，而其中有些是专为数字信号设计的，有些是专门用于模拟信号的。
在处理噪音问题时，对每个晶体管建模并进行模拟是十分重要的。使用改进的模型，再加上较好的计算机辅助设计工具，会使图像传感器和信号处理电路和设计更容易、更精确。这个模拟过程模拟从光照射到器件上直到输出成为电信号的整个过程，它可以精密地在物理层面上对整个过程进行模拟，并提供图像传感器的光学特性以及外围电路的一些性质。设计者不能简单地放下两个晶体管说：“这个是增益电路，那个是重置电路。”每一个晶体管都必须有自己的任务，并且必须放到信号链和整个设计过程中进行考虑。
要想完美地解决噪音问题，工程师必须从像素开始、围绕着最佳拍摄效果这一目标进行设计。在整个信号链中，他们必须时刻注意降噪技术的应用，并为求得最佳性能而对设计方案进行权衡。
必须克服噪音问题
总的来说，在进行降噪处理时，设计者不但要对设计和制造过程的结合有深刻理解，也必须知道这两方面怎样满足产品的需要。对于各种产品，要考虑的参数有帧速率、光学性能以及像素的大小，另外很重要一点是要弄清产品是面向人的（消费类产品），还是面向机器的（工业监视）。设计过程中不能只强调某一方面，而损害产品的其他性能。最好能够真正地理解所设计的产品并把它做好。随着对降噪要求的不断提高，人们必须对它进行详细的研究，特别是在某种产品上集成了很多功能的情况下。
在摄影领域，在一种产品上集成多种功能是一种潮流。比如，在一台照相机上转动一个开关就可以把它变成一台摄像机。这就要求使用高分辨率的图像传感器。目前，便携式摄像机上常见的分辨率是NTSC制式的40万像素、高清晰度电视的220万像素。
追求高分辨率的潮流将成为未来图像传感器的一个关键因素。为达到这一目标，不管是CCD还是CMOS都必须满足以下条件：主流产品的批量生产成本很低、功耗很低、能集成更多的功能、能拍摄清晰的图像。CMOS图像传感器比CCD拥有很多优点：成本低、集成度高、低功耗。如果再解决了影响性能和图像质量的噪音问题，CMOS就将满足所有的要求，成为极佳选择。
对图像传感器厂商而言，高性能的器件、更长寿命的电池以及各种各样的功能是不够的。如果图像质量不能满足消费者的要求，功能再多也不会吸引消费者购买。总之，要想把握数字相机的消费趋势，CMOS图像传感器厂商就必须加倍努力以克服噪音问题。
(齐)
|
|
