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[原创] CMOS图像传感器系列 - 4 传感器关键指标概述

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发表于 2022-1-2 00:14:39 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 feynmancgz 于 2022-1-5 20:08 编辑

新年了,用一篇新帖子庆祝2022的到来!也祝大家2022年新年快乐!继续奋战在IC设计的道路上,设计电路嘛,就是玩!希望大家在新的一年玩出特色,玩出花样!
在开始讲CIS架构之前,我想先说一说图像传感器各关键性能指标的意义,这样就能方便大家去理解影响架构选择的各种因素了

其实对于成像效果来说,第一个最重要的部分不是传感器本身,而是镜头!而且通常对于高端成像系统来说,镜头的价格要比所有的电学、机械系统加在一起还要贵,我想这个多数人都能理解吧,比如光刻机,天文台,再比如刚发射的James Webb望远镜。。。生活中能够有机会见到的镜头可能就要属为电视、电影制作的相机用的镜头了,比如下图这个。这是我知道的可能买的到的最贵的镜头,差不多就百万软妹币这个级别了,不知道大家还知不知道更贵的镜头呢
image.png
镜头的specs也有不少,我也不全懂,我就列一些我知道的比较重要的吧

- Focal length 焦距,这个我相信绝大多数人都知道

- Aperture diameter 孔径直径

- F-number,这个就是焦距/孔径直径。他的理论最小值是0.5,而人类历史上目前的实际极限值是1966年Carl Zeiss为美国Apollo计划开发的f/0.7的镜头,据说估价2300万美元一个,但其实他是买不到的,可以找NASA租,但是不知道多少钱

- MTF (Modulation Transfer Function) 这个不知道怎么翻译成中文。MTF这个指标是真正反映成像清晰度(或者说分辨率)的指标!而不仅仅是pixel!而整个成像系统的MTF = MTF_lens x MTF_pixel x MTF_system。MTF通俗的讲就是成像系统能够分辨多高频率的黑白条纹,他的单位通常是line pairs/mm (lp/mm)。MTF该怎么理解呢?如下图,假设光照强度在空间上呈正弦分布(红线),比如他的频率刚好等于两个pixel的宽度时,高光处pixel的光照强度为 Imax,低光处pixel的光照强度为 Imin,则 MTF = (Imax-Imin)/(Imax+Imin),作简单的数学计算,我们可发现这个值是 2/pi~63.67%,我们称这个为Nyquist频率下的MTF。这是个很重要的结论,大家要记住,因为这个是Nyquist频率下MTF的极限值。如果你的客户要求的值大于这个,那一定是抽风了 我其实就遇到过这样的客户 当然如果测试得到的值是65%,那还可以说是测量误差,但如果是75%,那就很离谱了
image.png
- Aberration 像差。这个包含的内容比较多,比如 defocus,coma,astigmatism,chromatic aberration等等,就不都介绍了

当然应该还有更多的specs,但我就不熟了,有兴趣的话大家可以找个专业的光学设计师问问。这里再说一个光学上比较重要的概念,就是Airy disk艾里斑,大家应该都知道,当光通过一个小孔时,就会发生衍射。当光通过一个圆形孔径时,就会产生如下图所示的一个一个的圆形光斑,最中间那个光斑的半径为1.22 × 波长 x F数,通常我们定义当成像的两个点的距离小于这个值时(即Rayleigh Criterion),这两个点就是无法分辨的了,这就是所谓的衍射极限diffraction limit。传统上就说当pixel尺寸小于这个值时,成像分辨率就不能再提高了。当然也有人说我们把pixel做的更小,相当于对Airy disk做oversampling,这样经过一定的信号处理,我们可以得到更高的分辨率,这个确实是有道理的。但是这样做提升也有限,确会对pixel设计、系统设计、图像信号处理造成比较大的压力,个人认为是不划算的。现在最小的pixel的大小都到0.61um,从成像效果上说,我觉得意义已经不是很大了,这基本是纯市场驱动,而不是技术驱动了。如果大家了解现在的CIS工艺的话,就会知道大厂是在工艺上花费了多少费用,做了多少改变,而让0.61um的pixel性能上还凑活了。不知道这些大厂最终会将pixel缩小到一个什么程度,maybe极限是0.5um? 但我是觉得已经不太划算了。
image.png
说完镜头,接下来我们就说说传感器的specs吧。。。
  - Image Format:这个有非常多。当对角线长度小于16mm时,我们用inch表示。比如13.2×8.8mm的sensor对角线大约是16mm,我们就说这是个1'' sensor;再比如8.6x6.6mm的sensor,他的对角线大约是16mm的2/3,我们就称为2/3'' sensor。有人要问了,为啥是16mm,1inch不是25.4mm吗?这个就是历史原因了,在集成电路存在之前,大家有用过一种叫做vidicon摄像管的东西做成像,而当他的对角线有差不多25.4mm时,他的实际能够成像部分对角线只有16mm。这个习惯叫法就这样沿用下来了。当sensor对角线大于16mm时,有几种常用的经典尺寸:Micro Four Third(17.3x13mm,对角线差不多是16mm的4/3),APS-C(22.3x14.9mm,这个是佳能的尺寸,Nikon,Sony比这个大一点儿,但也较APS-C),Super35(24.89x18.67mm,这个是沿用使用胶卷时代的叫法),35mm Full Frame(36x24mm,叫法上也是沿用胶卷时代),VistaVision(37.72x24.92mm),Medium/Large Format(这些就没有严格定义的尺寸了,可以说对角线大于Full Frame,差不多直到80mm的左右的其实都可以叫Medium Format;对角线大致在160mm以上都可以叫Large Fromat了)。这个选择,对于不同的应用以及光学系统的设计,影响就比较大

  - Aspect ratio:这个就是宽长比。在一般的相机领域,最常用的4:3或者3:2;电视领域最常用的是16:9或者4:3;电影上最常用的是1.85:1或者2.4:1。通常sensor设计,为了满足不同的应用环境,常常也不一定按照标准的宽长比进行设计

  - Reslution: 这个就很简单了。常见的像640x480,1280x1024,1920x1080等等。这个当然也是取决于应用,不过现在一般都至少是1280x1024了,少于1Mpixel真的是拿不出手了:lol

  - Pixel size/pitch:这个指标可以说是第一重要的。但是像素尺寸的选择,很难有一个固定的程序去做选择,因为光学设计、应用环境、市场需求这些影响着它,它的选择也影响着其他sensor指标,比如QE, Full well,Noise 。。。

  - Frame rate:他的单位是frames/second或者fps。一般的应用都在30fps到120fps之间;250fps以上基本都可以叫做高速应用了;在小于100kfps时,理论上都可以连续读出;现在工业界做的最好的可能就是Ametek的TMX6410了,1280x800的阵列可以达到65940fps,他们发的paper上能达到80kfps,但产品上没这么高,可能高速的成像效果还是有些问题。当要求1Mfps以上时,可能就需要用到burst mode了,Burst mode指的是芯片上将pixel的值存在cap上,再相对慢速读出,因为需要存pixel的值,所以这种sensor通常只能连续曝光100~200帧,然后再将这100多帧读出。Burst-mode sensor还有一个问题就是photodiode可能要做特别的设计,不然电荷无法在如此高的速度上转移到cap上

  - Readout noise:一般来说rolling shutter要比global shutter要好。如果是用4T/5T做global shutter,FD上的dark current就会引入噪声,而通常FD上的dark current会比PPD的大很多,另外CDS的效果GS也没RS好;即使是采用charge-domain global shutter pixel,因为还需要引入额外的MEM node,该点的dark current也较难做到与PPD相同的水平。Global shutter的noise能做到3~5e-,就是比较好的水平了;对于rolling shutter,现在做的比较好的sensor能达到1~2e-,如果加入CMS,可以做到1e-以下。目前产品上做的最好的其中之一是Hamamatsu的qCMOS, 在5fps下能达到0.27e-;另外就是Gigajot的QIS,在30fps时可以到0.19e-;虽然他们不叫CIS,但本质上还是CMOS工艺,只是说工艺上做了些改变去提升FD的CVF。但这种sensor应用上就比较有限一点,我们不是总需要photon counting能力的,而且这种sensor满阱也有限。readout noise在测试的时候具体怎么得到呢?一般的做法是测试所有像元的readout noise,给出一个histogram例如下图,基于这个histogram,再计算整个frame的noise,这里其实就有三种算法:Mean,Median,RMS。具体用哪一个,工业界似乎没有一个固定的规定,但以用Median居多 image.png

  - Quantum efficiency 量子效率:这个我们在第2讲中说过了,就不再重复了。这里就说一点,通常FSI sensor的peak QE在50~70%之间;而BSI sensor的peak QE能到90~95%

  - Full well 满阱:指的是PPD里最多能存多少电子。当光照射到PPD上时,PPD就开始储存电子,PPD电压就从pinning voltage开始往下降,降到什么程度呢?这里有2点需要考虑:第一就是光照会产生从PPD向SUB方向的电流,而PPD电压下降到负电压时,SUB-PPD就会产生正偏,两者相平衡了,PPD内就不会再增加电子了;第二就是如果有transfer gate的话,就要考虑transfer gate会不会leak,如果transfer gate设计不合理,电子就会流到FD上去。刚说满阱就是PPD能存多少电子,这个说法其实并不完全准确的。满阱具体是多少,其实是取决于整个信号链上的dynamic range的,这里就包括FD的DR, column wire上的DR,Analog readout的DR和ADC的DR,当所有这些都和PPD的match的时候上面这个说法才是准确的。比如说我在column电路里加入一个x64的放大器,那最终满阱肯定是达不到PPD的满阱的。当然一般sensor的datasheet说满阱的时候都指的是PPD的满阱,类似noise,这里取的通常也是所有像素的median的FW
  - Dynamic range 动态范围:这个就是Full well/Readout noise。一般的sensor都至少是60dB,HDR的sensor就至少是90dB

  - SNR 信噪比:第2讲我们说过光信号是存在photon shot noise的,所以SNR并不等于dynamic range,通常最大SNR就是等于sqrt(Full Well)

  - Dark current 暗电流:通常datasheet里用e-/s来表示。具体多少算是好,就要看具体应用了,比如高速应用1000fps以上,那即使暗电流有100e-/s也没事了;但如果是科学级的,像是天文类应用,曝光时间很长,至少是几分钟,甚至数小时,那这个时候采用降温来降低暗电流就显的很重要了。一般说来温度每变化6~10C,暗电流会变化一倍,我们通常叫doubling temperature,这个值一般datasheet是不会给的,但在做sensor性能测试时是个很重要的指标。对于CIS设计,在做工艺选择的时候,我们通常更关心pA/cm2这个值,而不是e-/s,现代工艺,他的暗电流能做到2pA/cm2 @25C 就算是一个比较好的值了。暗电流产生的原因其实非常多,除了第3讲提到过的金属杂质,本身因为热而导致的SRH recombination以外,还有PPD与STI接触的地方,pinning层漏过的电流,TX与PPD接触的地方,如果是BSI的话,还有backside的表面态等等。这些在做工艺选择和版图设计时,就显得非常重要了

  - Image lag 残影:这个指的就是上一帧的电荷没被完全清空,留到了下一帧,这样就会看到上一帧信号的残影了。对于3T pixel,如果reset是hard reset的话,是不存在image lag的问题的;对于4T pixel,由于有TX的存在,再加上PPD的满阱和FD的满阱不一定能够match,所以总是可能存在image lag的问题的。一般来说在满阱达到50%时,所有pixel的均值image lag能做到小于0.1%就是个较好的值了。PPD的doping的设计,以及TX的版图设计对Image lag有比较大的影响,这里技巧比较多(机密也很多)我就不详述了

  - Conversion gain(CG)或者Charge-to-Voltage factor(CVF):他的单位是uV/e-。这个值并一定所有的sensor的datasheet都会给,但这个值对于CIS设计来说是一个非常非常重要的值。他主要反映的就是FD的电容有多大。想要读出噪声e-越小,根据Q=CV,我们就需要FD的电容越小越好,从而CVF也就越大;CVF越大,存在的问题就是FD的满阱就变小了,但这个是无法避免的,还想要增加成像的DR,就要用到HDR技术了。对于绝大多数sensor,CVF通常在80~160uV/e-之间

  - Responsitivity:有的公司会给这个指标,他的单位一般是V/lux.s 我其实非常厌恶这个指标,我们公司就从来不给这个指标,因为这个指标压根没啥意义,完全是一个marketing的东西,甚至marketing都很牵强。首先lux定义就是个很虚的东西,如果是指定了某个波长下的responsitivity那还稍微好点儿,500nm和700nm下的V/lux.s的差别那是数量级上的差别!另外还有一点就是lux和光学设计还相关,这很难说是一个纯sensor指标。另外这个是指信号链在什么增益下的值?哪一点测得的值?不做说明可还行?一般来说,有了QE,有了CVF,你基本就知道一个sensor的responsitivity是个什么水平了,我不需要别的。给这种指标的公司,10个有9个是骗子:lol(略偏激啊,我只是表达一下我对这个指标的厌恶!)

  - Linearity:sensor的线性度要求不会像通讯类应用要求那么高,一般在full well以内,小于1%就可以了。原因主要是第一是像素本身在整个满阱内保证小于1%的线性度就是有难度的;第二就是这个也是可以做calibration的,一般做3阶的fit出来的效果就非常好了

  - Parasitic Light Sensitivity(PLS)有人也叫Shutter Efficiency:这个指的是你不希望感光的地方他有多感光,比如FD上,或是GS pixel里MEM node有多感光。一般来说,这个值至少好于1/1000,通常小于1/5000。这个值其实也跟波长有关系,特别是BSI sensor,但一般厂家只会给一个值(就有可能是所有波长都好于这个值),或者至少给某个波长下的值

  - Fixed Pattern Noise(FPN):FPN指的就是所有的pixel,在同样的光照/无光条件下,他们的输出值差别有多大,主要就是像素间的offset和gain differences有多大。这个里面就还分pixel FPN,row FPN 和 column FPN。pixel FPN就主要是像素间的offset,source follower增益的差别等而导致的;row FPN这里影响的因素就比如有sampling cap的ground有多稳,读出电路的reference,power有多稳,一些控制信号的voltage ripple或者jitter有多大等等;column FPN主要就是各列读出电路间的offset,gain等不同造成的。但其实sensor基本最后都会做calibration,所以只要FPN不是太离谱或者对温度太敏感,基本都问题不是太大

  - MTF:这个刚前面讲过了,这里主要指的是pixel的MTF。MTF也是跟波长相关的,而且FSI和BSI sensor的MTF也会有一定差别。 具体的大家可以参看这个网站,我觉得写的还蛮好的 http://www.falklumo.com/lumolabs/articles/sharpness/index.html

  - Photo Response Non-Uniformity(PRNU) 光响应非均匀性:这个主要就是像素间光响应增益的差别,一般在1%左右就差不多了

  - Dark Signal Non-Uniformity(DSNU) 暗信号非均匀性:这个是指无光条件下像素间信号的不同,一般用DN值或者%表示。DSNU在不同的曝光时长和温度下,因为dark current,或是像素增益变化而导致会有所不同,这个是需要注意的。但一般只会report在正常frame rate下,室温时的DSNU

  - Dead/Stuck pixel: 这些指的就是对光完全无响应的pixel。这些pixel根据不同的芯片设计,后者不同的defect产生原因,可以表现为始终黑/始终白。可以说这个世界上所有的sensor都会有dead pixel的情况,但大家一般是注意不到的,因为这些pixel在相机厂做characterization的时候就会记录下来,成像的时候会用旁边的pixel的信号对它进行估值。

  - Hot pixel:这个一般是指dark current比正常值大很多的pixel。通常来说sensor会做on-chip/off-chip的dark frame substraction,这样即使是dark current比较大,只要dark current不会大到直接让像素饱和,出来的信号也只是dark current引起的噪声而已,这样这些pixel看起来就不是很明显了。但是hot pixel是无法消除的,因为不同的温度,曝光时间长度,sensor使用的时间长短都会影响这些pixel的表现。举个例子吧,下面两张图是我用自己的Huawei P40 Pro拍的,专业模式下,30s曝光,ISO=6400,第一张图就是正常室温的图;第二张图是我用暖气片对手机加热后的图,可以明显看到非常多的噪点,这些就是dark current引起的。
image.jpg

OK,相信以上这些介绍对image sensor的关键指标应该是比较完备了。下次我们就正式进入传感器架构的介绍了。


 楼主| 发表于 2022-1-2 00:18:04 | 显示全部楼层
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发表于 2022-1-4 11:48:22 | 显示全部楼层
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发表于 2022-1-4 15:29:58 | 显示全部楼层
Marked!
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发表于 2022-1-5 21:01:04 | 显示全部楼层
膜拜追更,今年知识储备就靠版主了
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发表于 2022-1-7 13:38:37 | 显示全部楼层
lZ 您好,光学部分有参考的书籍吗?向深入学习学习
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发表于 2022-1-14 14:58:10 | 显示全部楼层
赞,长期追更
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发表于 2022-1-19 15:03:27 | 显示全部楼层
学习,谢谢
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发表于 2022-2-25 14:14:53 | 显示全部楼层
SS公司的确喜欢用V/lux.s
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发表于 2022-3-1 15:50:35 | 显示全部楼层
学习了
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