淺談光電探測(cè)器與圖像傳感器（一）

光電探測(cè)器和圖像傳感器這兩個(gè)概念經(jīng)常被大家混為一談，實(shí)際上他們是不相同的。光電探測(cè)器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的器件，其可以是單個(gè)器件，也可以是陣列型的器件。圖像傳感器是將某種信號(hào)轉(zhuǎn)化為圖像信息的器件，其為陣列芯片。圖像傳感器的傳感信息多為光信號(hào)，當(dāng)然也可以是熱信號(hào)乃至其他物理場(chǎng)的信號(hào)。對(duì)于光電型傳感的圖像傳感器而言，其組成除了包括光電探測(cè)器陣列，還有對(duì)應(yīng)的讀出電路。

光電探測(cè)器

光電探測(cè)器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通常都是通過光電效應(yīng)進(jìn)行直接轉(zhuǎn)化。其也通過其他信號(hào)進(jìn)行間接轉(zhuǎn)化，比如光-熱-電，光-磁-電，光-聲-電等。這里先主要討論光-電情況。下圖是我對(duì)光電探測(cè)器類別進(jìn)行的一個(gè)總結(jié)。實(shí)際上其可以按照不同的分類方式進(jìn)行分類。

該圖是按照器件結(jié)構(gòu)和機(jī)理分類。

上圖的具體細(xì)分類別后面有機(jī)會(huì)再介紹一下，當(dāng)然這個(gè)總結(jié)還不完全，目前源源不斷的有很多新的光電探測(cè)器件出現(xiàn)。

除此以外還可以按照功能進(jìn)行分類（見下圖）。

此外，還可以按照波長(zhǎng)分類，分為：X射線、紫外、可見、紅外（近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外）、太赫茲等。按照材料體系可以分為：硅基、鍺基、銦鎵砷、碲鎘汞、氮化鎵等。

說(shuō)到波長(zhǎng)，我們知道，光實(shí)際上是一種電磁波，其具有波粒二象性，隨著波長(zhǎng)增加，其波動(dòng)性越來(lái)越強(qiáng)，粒子性越來(lái)越弱。對(duì)于短波而言，其粒子性明顯，我們能通過傳感器通過光電效應(yīng)感知到每份‘光子’，對(duì)于X射線這類短波而言，每一個(gè)光子的到達(dá)都會(huì)引起明顯的電荷倍增，產(chǎn)生明顯的電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)單光子級(jí)別的探測(cè)。當(dāng)波長(zhǎng)達(dá)到中遠(yuǎn)紅外，很難直接通過光電效應(yīng)進(jìn)行探測(cè)，常常需要借助光-熱-電過程。當(dāng)波長(zhǎng)到達(dá)微波時(shí)，已經(jīng)很難將一份一份的‘光子’進(jìn)行分辨了，此時(shí)需要將入射場(chǎng)以電磁波的形式通過天線進(jìn)行接受和探測(cè)。

圖像傳感器

圖像傳感器由光學(xué)元件，感光像素，模擬讀出電路，數(shù)字電路等部分組成。目前主流的硅基的圖像傳感器主要包括CMOS圖像傳感器和電荷耦合器件（charge-coupled Device,CCD）

CMOS圖像傳感器主要由像敏單元陣列、行驅(qū)動(dòng)器、列驅(qū)動(dòng)器、時(shí)序控制邏輯、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)總線輸出接口、控制接口等幾部分組成。(圖像傳感器部分，強(qiáng)烈推薦劉斯寧的知乎上寫的文章Understanding CMOS Image Sensor -知乎 (zhihu.com)，看了收獲頗多.)

在CMOS圖像傳感器之前，CCD一直是主流的圖像傳感器技術(shù)。CMOS圖像傳感器出現(xiàn)后，由于其random acess的讀出方式，像素內(nèi)的有源電路設(shè)計(jì)，給予了圖像傳感器更多的設(shè)計(jì)自由度，然而這也帶來(lái)了一些問題，比如填充因子的降低。在早年，CMOS圖像傳感器剛發(fā)展時(shí)，其像素內(nèi)讀出電路是無(wú)源像素結(jié)構(gòu)（the passive pixel sensor (PPS)）。PPS結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器和CCD比，性能遠(yuǎn)不如CCD。在有源像素圖像傳感器（active pixel sensor APS）技術(shù)推出后，CMOS圖像傳感器的性能在SNR和速度上有了明顯的提高，人們也開始意識(shí)到，可以實(shí)現(xiàn)像素內(nèi)的模擬電路乃至數(shù)字電路設(shè)計(jì)是CMOS圖像傳感器的一大優(yōu)勢(shì)。目前很多高性能多功能的圖像傳感器很多是在像素內(nèi)電路上做創(chuàng)新和改進(jìn)。

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

最早的APS是3T結(jié)構(gòu)，通過引入一個(gè)source follower放大器，實(shí)現(xiàn)在像素內(nèi)進(jìn)行電流轉(zhuǎn)電壓讀出，這一設(shè)計(jì)解決了很多PPS結(jié)構(gòu)中遇到的噪聲問題。4T APS相對(duì)于3T而言引入了電荷轉(zhuǎn)移門，這一設(shè)計(jì)一方面解耦和轉(zhuǎn)換增益（轉(zhuǎn)換增益=1/C-fd）和FWC（FWC=C_fd*V）之間的trade-off,另一方面該結(jié)構(gòu)使得相關(guān)雙采樣電路CDS可以引入以消除3T結(jié)構(gòu)不能消除的復(fù)位KT/C噪聲。這里電荷轉(zhuǎn)移門的結(jié)構(gòu)和CCD中的電荷轉(zhuǎn)移有點(diǎn)類似。4T結(jié)構(gòu)還引入了PPD（pinned photodiode）的設(shè)計(jì)，利用P+鈍化表面，降低了暗電流。電荷轉(zhuǎn)移門的一個(gè)優(yōu)勢(shì)還在于其分割了感光像素區(qū)和像素內(nèi)電路，使得這兩部分的設(shè)計(jì)相對(duì)解耦。在這之后，為了實(shí)現(xiàn)性能的提高和功能的拓展，更多的像素內(nèi)電路架構(gòu)和設(shè)計(jì)層出不窮（也叫AFE，anolog front end），甚至有人提出可以將ADC部分也移入像素內(nèi)，實(shí)現(xiàn)DPS設(shè)計(jì)（digital pixel sensor）。

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

與CMOS圖像傳感器相比，CCD有兩個(gè)不同的點(diǎn)，一個(gè)是感光像素不同，CMOS感光像素是基于PD（photodiode，光電二極管）結(jié)構(gòu)，CCD感光像素是MOS結(jié)構(gòu)；另一個(gè)區(qū)別是像素讀出方式不同，CCD沒有像素內(nèi)的獨(dú)立的讀出電路和感光像素外的有源器件，其感光電荷的讀出是通過三相時(shí)鐘信號(hào)控制電荷包以行為單位挨個(gè)移動(dòng)傳出。CMOS有像素內(nèi)獨(dú)立的讀出電路和有源放大器，且其陣列讀出方式類似RAM，通過行選列選讀出，具有更好的并行處理能量和信號(hào)讀出速度。

CCD的一大優(yōu)點(diǎn)是像素的填充因子大，因?yàn)槠涓泄鈪^(qū)域和功能區(qū)域分開，信號(hào)處理等功能電路都放在了非感光區(qū)域。CCD的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其噪聲低，這是由于其像素內(nèi)沒有別的含有源器件的電路結(jié)構(gòu)，器件和器件之間的deviation比較小，因此FPN相對(duì)比較小。但是CCD這一讀出方式也存在其固有的問題，首先讀出方式并行度低，決定了其速度比CMOS圖像傳感器慢，其次，CCD基于高頻高壓的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)MOS結(jié)構(gòu)的深耗盡勢(shì)阱中的電荷轉(zhuǎn)移，需要三組電源供電結(jié)合時(shí)鐘控制電路，因此功耗較大。此外，CCD不需要進(jìn)行特殊的像素隔離設(shè)計(jì)，而CMOS圖像傳感器存在像素串?dāng)_問題，需要復(fù)雜的像素隔離設(shè)計(jì)和加工工藝。就成像質(zhì)量而言，由于CCD的FF大，集成度相對(duì)較低，光、電、磁之間的干擾小，讀出方式的并行性低，像素間的串?dāng)_也比較小，因此在早期其成像質(zhì)量相比于CMOS較高。不過，隨著CMOS圖像傳感器的發(fā)展，目前也有很多提高CMOS圖像傳感器成像質(zhì)量的技術(shù)。

雖然CCD在某些方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，但是CMOS圖像傳感器已經(jīng)成為更為主流的技術(shù)占據(jù)主導(dǎo)的市場(chǎng)地位。個(gè)人認(rèn)為這主要有兩方面原因，第一，器件的發(fā)展離不開工藝，CMOS圖像傳感器基于CMOS工藝，CMOS工藝發(fā)展的成熟度高和先進(jìn)性好，兼容性高，集成度高，是目前主流的工藝；其二，CMOS的讀出方式給予了其更高的設(shè)計(jì)靈活性，像素內(nèi)的讀出電路結(jié)構(gòu)框架，提供了各種在像素端進(jìn)行信號(hào)處理的可能和設(shè)計(jì)空間，由此可以發(fā)展各種新型圖像傳感器件，比如壓縮感知，智能感知，邊緣提取，感算一體，可編程像素，神經(jīng)形態(tài)傳感等等。當(dāng)然在某些特定應(yīng)用場(chǎng)景，CCD也有其碾壓性的優(yōu)勢(shì)，比如用于弱光探測(cè)的TDI，基于CCD 的TDI比基于CMOS的TDI有更好的信噪比，也容易做出更高的線數(shù)。原因還是來(lái)自于其讀出方式的不同，CCD沒有像素內(nèi)的其他有源器件，其多次曝光疊加是基于電荷域的直接疊加，相比之下，CMOS圖像傳感器每一個(gè)像素都帶有其自己的讀出電路，輸出的是通過像素內(nèi)電路轉(zhuǎn)化后的電壓信號(hào)，因此其疊加信號(hào)的同時(shí)也疊加了像素內(nèi)讀出電路部分有源器件引入的噪聲。

新型圖像傳感器

目前新型圖像傳感器主要沿著材料創(chuàng)新、器件創(chuàng)新、電路架構(gòu)創(chuàng)新、功能結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、應(yīng)用場(chǎng)景創(chuàng)新等幾方面的思路進(jìn)行發(fā)展。下圖總結(jié)了目前的圖像傳感器和新型圖像傳感器的分類（詳述的話內(nèi)容實(shí)在太多了，這一部分的展開討論后面有機(jī)會(huì)再寫寫）。

光電探測(cè)器的主要指標(biāo)

對(duì)光電探測(cè)器其性能指標(biāo)主要是從device level進(jìn)行考量。作為一個(gè)光電器件而言，圍繞其輸入輸出特性，主要考慮的參數(shù)如下。高性能的光電探測(cè)器多圍繞著高速，寬譜，高靈敏度，低噪聲等目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化和研發(fā)。

圖像傳感器的主要指標(biāo)

圖像傳感器作為一個(gè)功能芯片，其性能指標(biāo)多結(jié)合其應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析。器件的性能最優(yōu)不能保證整個(gè)芯片的功能最優(yōu)。比如按照器件優(yōu)化思路，可以把光電探測(cè)器本身的速度實(shí)現(xiàn)提高和優(yōu)化（通過優(yōu)化擴(kuò)散和耗盡區(qū)，材料遷移率等），但是整個(gè)芯片的成像速度受限于其讀出過程，因此作為功能芯片，往往需要進(jìn)行全鏈路的協(xié)同調(diào)優(yōu)。同樣的，在進(jìn)行性能參數(shù)分析的時(shí)候也需要全鏈路進(jìn)行考量。Photo transfer一書中對(duì)整個(gè)成像鏈路進(jìn)行分析，建立了一系列數(shù)學(xué)物理模型對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行分解和建模。

噪聲

整個(gè)成像鏈路中的電路和元件都會(huì)對(duì)噪聲有所貢獻(xiàn)。主要貢獻(xiàn)噪聲包括散粒噪聲、FPN噪聲，讀出噪聲等。

Shot noise是由于入射光子的時(shí)間和空間上的分布的統(tǒng)計(jì)特性導(dǎo)致的，光子是玻色子，滿足玻色-愛因斯坦分布，在可見波段附近，滿足hv>>kT,其分布可以用經(jīng)典的泊松分布描述。

Fano noise是光子激發(fā)多個(gè)載流子產(chǎn)生的，對(duì)于高能光子，其每一份光子可以激發(fā)出多個(gè)電子，因此低入射功率下可以看到其一份一份光子的光電轉(zhuǎn)換過程。對(duì)于可見波段附近， Fano noise的影響幾乎可以忽略不計(jì)（以硅為例，估算得到其Fano noise小于0.01e-）。除了隨著波長(zhǎng)減小fano噪聲增加外，隨著功率的增加fano噪聲也會(huì)增加趨勢(shì)。

FPN noise是由于器件之間的差異性導(dǎo)致的噪聲，是一個(gè)不會(huì)隨著時(shí)間變化的固定噪聲。與shot noise不同的是，F(xiàn)PN噪聲正比于信號(hào)，而不是信號(hào)的開方。因此FPN的抑制對(duì)實(shí)現(xiàn)HDR十分重要。FPN的產(chǎn)生原因主要有三個(gè)方面，一是圖像傳感器感光像素的性能差異，二是讀出電路的差異，三是光學(xué)元件的影響（比如有顆?；蛘呓Y(jié)構(gòu)件導(dǎo)致的衍射干涉）。不過換一個(gè)思路想，也可以通過設(shè)計(jì)特定的光學(xué)元件來(lái)特意引入FPN，此時(shí)相當(dāng)于FPN是一個(gè)像素陣列分辨率大小的矩陣，相當(dāng)于在感光同時(shí)實(shí)現(xiàn)乘加運(yùn)算。

Read noise讀出噪聲是讀出鏈路引入的噪聲，它不是輸入信號(hào)的函數(shù)，只與讀出電路有關(guān)。

最終總的噪聲是所有噪聲源的疊加，可以通過PTC曲線的分析對(duì)器件的噪聲鏈路實(shí)現(xiàn)分析。

量子效率

值得一提的是，對(duì)于圖像傳感器而言，量子效率不但要考慮光電器件本身能夠轉(zhuǎn)換多少電子，還要考慮電子到DN（digital number）的轉(zhuǎn)換情況，因?yàn)槲覀冏罱K得到的是經(jīng)過AD轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號(hào)。

滿阱容量

對(duì)于CCD而言，滿阱容量就是感光像素對(duì)應(yīng)的耗盡層勢(shì)阱的電荷容量，對(duì)于CMOS而言，滿阱容量主要是由存儲(chǔ)電荷的FD點(diǎn)對(duì)應(yīng)的等效電容決定，因此目前很多CMOS圖像傳感器通過設(shè)計(jì)可以切換（常通過加一個(gè)開關(guān)管）FD點(diǎn)電容的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)成像模式切換以滿足HDR和微光探測(cè)的目的。

暗電流

暗電流的大小直接決定了器件的探測(cè)下限，為了實(shí)現(xiàn)弱光探測(cè)，提高器件靈敏度，常常通過各種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)暗電流的抑制，最直接的方式就是降溫，這在紅外圖像傳感器比較常見。

對(duì)于圖像傳感器，大家關(guān)注的一些主要性能如下：

對(duì)于圖像傳感器而言，其相關(guān)性能測(cè)試可以參考EMVA1288標(biāo)準(zhǔn)，其是歐洲機(jī)器視覺協(xié)會(huì)（EMVA）于 2004 年 2 月成立的由 Awaiba

與 Basler 牽頭制定的一個(gè)統(tǒng)一的適合機(jī)器視覺行業(yè)的相機(jī)與圖像傳感器性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，其通過建立單元像素?cái)?shù)學(xué)模型和相機(jī)物理模型對(duì)相關(guān)參數(shù)的定義、測(cè)定、計(jì)算等給出了一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

最后，幾句廢話。。。

最后說(shuō)回光電探測(cè)器和圖像傳感器，通常說(shuō)到這兩個(gè)，一個(gè)對(duì)應(yīng)單個(gè)器件，另一個(gè)是陣列器件。要從語(yǔ)文上較真挑刺的話，個(gè)人認(rèn)為探測(cè)器與傳感器也是不同的概念（故意較真一下）。

探測(cè)（detection）是對(duì)目標(biāo)信號(hào)的特性參數(shù)進(jìn)行定量或者半定量的提取，比如對(duì)光而言，其包含振幅、幾何相位、傳輸相位、波長(zhǎng)等信息，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度探測(cè)器（光功率計(jì)）、偏振探測(cè)器、光譜探測(cè)器、波前探測(cè)器。不過目前要實(shí)現(xiàn)光的強(qiáng)度以外的信息，傳統(tǒng)的探測(cè)器需要匹配對(duì)應(yīng)的光學(xué)元件，其和電子器件搭配才能實(shí)現(xiàn)參數(shù)提取，去掉光學(xué)部分做全片上的光參數(shù)探測(cè)是目前的一大研究熱點(diǎn)，比如片上光譜探測(cè)、片上偏振探測(cè)等。

傳感（sensor）從定義上說(shuō)更著重于對(duì)目標(biāo)信號(hào)的感知和轉(zhuǎn)化。比如圖像傳感器中，我們不需要定量知道入射光信號(hào)的參數(shù)（比如光強(qiáng)具體多少），只需要將其轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)圖像的明暗即可。

實(shí)際上，傳感器件和探測(cè)器件有的時(shí)候大家也并不較真，常?；鞛橐徽?，從結(jié)構(gòu)上說(shuō)是他們確實(shí)是同一個(gè)東西，只不過分別用不同的詞匯描述時(shí)其著重點(diǎn)不同，前者強(qiáng)調(diào)對(duì)信號(hào)的‘能感知’，后者強(qiáng)調(diào)其對(duì)信號(hào)的’能測(cè)定’，當(dāng)然這是個(gè)人的一些理解。

（小聲bb：后來(lái)，我在WikiDiff上也查到了對(duì)這兩個(gè)概念的區(qū)別的解釋）

參考文獻(xiàn)/書籍：

[1] 圖像傳感器集成電路—原理、設(shè)計(jì)和應(yīng)用，羅昕

[2] Ultra Low Noise CMOS Image Sensors, Assim Boukhayma

[3] Photo transfer.Jame.R.Janesick

[4]H. Y. M. Y. X. Huang, "COMS Image Sensor," IEEE CMOS Integrated Lab-on-a-chip System for Personalized Biomedical Diagnosis , IEEE, pp. 142-168, 2018.

[5] EMVA1288:圖像傳感器與相機(jī)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)