????????動(dòng)態(tài)范圍是CMOS 圖像傳感器中很重要的一項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。動(dòng)態(tài)范圍指示了CMOS 圖像傳感器能夠在同一幀圖像中同時(shí)探測(cè)到的最大光強(qiáng)信號(hào)和最小光強(qiáng)信號(hào)的范圍。動(dòng)態(tài)范圍通常用dB 形式來(lái)表示，其計(jì)算公式如下

????????其中Pmax 和Pmin 分別是最大非飽和光強(qiáng)與最小可探測(cè)光強(qiáng)。對(duì)于線性響應(yīng)的傳感器來(lái)說(shuō)，最大非飽和光強(qiáng)對(duì)應(yīng)滿阱容量，最小可探測(cè)光強(qiáng)對(duì)應(yīng)底噪聲，那么動(dòng)態(tài)范圍也可以用滿阱容量除以底噪聲（e-）來(lái)計(jì)算。

????????CMOS 圖像傳感器因?yàn)槭艿綕M阱容量、曝光時(shí)間和噪聲的限制，其動(dòng)態(tài)范圍通常60~70dB，但是人眼的動(dòng)態(tài)范圍在100dB 以上，所以傳感器所拍攝的內(nèi)容很難準(zhǔn)確還原人眼所觀察到的場(chǎng)景。在一些特定領(lǐng)域，如汽車電子、安防監(jiān)控等，也需要傳感器的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到100dB 以上。那么為了擴(kuò)展圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，近20 年來(lái)提出了很多的方法和技術(shù)。

????????除了降低Pmin 來(lái)擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍，更為常用的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展技術(shù)是提高Pmax。人眼的動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)100dB 以上，遠(yuǎn)高于普通的圖像傳感器。人眼擁有以下三種機(jī)制來(lái)達(dá)到如此大的動(dòng)態(tài)范圍。首先，人眼中有兩種細(xì)胞在感光，一種是視錐細(xì)胞，另一種叫視桿細(xì)胞，兩種細(xì)胞對(duì)光的響應(yīng)度是不同的，能夠分別感測(cè)到高、低光照部分的信息。其次，人眼的響應(yīng)與光強(qiáng)的關(guān)系并不是線性的，而是呈現(xiàn)對(duì)數(shù)形式的，所以人眼在高光強(qiáng)下敏感度比較低，不容易飽和。最后，人眼還能夠根據(jù)所觀測(cè)場(chǎng)景的亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)光量，相當(dāng)于平移光響應(yīng)曲線。綜合以上工作機(jī)制，人眼能夠獲得很大的動(dòng)態(tài)范圍。基于人眼的感光機(jī)制，圖像傳感器也可以采取類似的方法來(lái)獲取大動(dòng)態(tài)范圍。主流的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展技術(shù)分為五類：多靈敏度、對(duì)數(shù)光響應(yīng)、阱容量調(diào)整、飽和探測(cè)和多次曝光。

一、多靈敏度

????????前面提到人眼中有兩種感光細(xì)胞，這兩種細(xì)胞的感光度不同，就能獲得大的動(dòng)態(tài)范圍。那么在CMOS 圖像傳感器的中，可以在一個(gè)像素中同時(shí)集成具有高低靈敏度探測(cè)能力的兩個(gè)光電探測(cè)器來(lái)模擬人眼這種機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍。在明亮條件下，低靈敏度的光電探測(cè)器工作，而在暗環(huán)境下，高靈敏度的光電探測(cè)器工作。這種方式與人類視覺(jué)系統(tǒng)是很類似的。

????????還有方案是將CMOS 圖像傳感器像素中，PD 是高感光度的光電探測(cè)器，而將FD 作為低感光度的探測(cè)器。在明亮條件下，一些光生載流子通過(guò)襯底擴(kuò)散到FD 區(qū)域，并且被FD 收集，成為能夠響應(yīng)強(qiáng)光的電荷。

二、對(duì)數(shù)光響應(yīng)

????????對(duì)數(shù)光響應(yīng)傳感器將需要很高電壓擺幅才能探測(cè)的光強(qiáng)通過(guò)對(duì)數(shù)形式壓縮，在相同的電壓擺幅范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)更大的探測(cè)范圍。目前對(duì)數(shù)傳感器通常是在像素中增加一個(gè)工作在亞閾值的晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)響應(yīng)。??除了通過(guò)像素改進(jìn)輸出對(duì)數(shù)響應(yīng)，還有通過(guò)把ADC 的量化曲線修改成指數(shù)的關(guān)系也可以輸出對(duì)數(shù)光響應(yīng)。

??????對(duì)數(shù)傳感器的限制因素主要在于工藝失配、低光下的噪聲和圖像拖尾。這些問(wèn)題都是由對(duì)數(shù)傳感器中的亞閾值工作的晶體管引起的。因此很多研究都在關(guān)注如何消除對(duì)數(shù)傳感器的FPN。

????????為了解決低光下對(duì)數(shù)傳感器噪聲特性差的問(wèn)題，一些研究提出了線性-對(duì)數(shù)響應(yīng)的傳感器。

????????

????????在低光強(qiáng)條件下傳感器呈現(xiàn)出線性響應(yīng)，而在高光強(qiáng)條件下傳感器的光響應(yīng)表現(xiàn)為對(duì)數(shù)形式。因?yàn)榈凸庹諚l件下線性響應(yīng)通常表現(xiàn)出更好的信噪比和FPN 等特性，所以低光照成像能力得到提升，而高光照條件下對(duì)數(shù)響應(yīng)又能夠保證傳感器有足夠的探測(cè)范圍。因此這種線性-對(duì)數(shù)響應(yīng)傳感器是對(duì)數(shù)傳感器的重要改進(jìn)。

三、阱容量調(diào)整

????????阱容量調(diào)整方案就是在曝光期間調(diào)整PD 的滿阱容量，來(lái)改變光響應(yīng)曲線。在這個(gè)方案中，需要用到一個(gè)用于電荷泄放的漏極（over-flow drain，OFD）。通過(guò)調(diào)整積分區(qū)域和泄放漏之間柵極的電壓來(lái)將光響應(yīng)曲線調(diào)整為非線性。當(dāng)照射到圖像傳感器足夠強(qiáng)時(shí)，光電二極管就會(huì)飽和，通過(guò)逐漸減低泄放漏極的阱電勢(shì)，釋放部分光生電荷，強(qiáng)光就不容易使像素飽和，同時(shí)弱信號(hào)也能夠保留下來(lái)。這種方法在3T 和4T 有源像素中實(shí)現(xiàn)起來(lái)都非常容易，而且在低光條件下它具有很好的信噪比特性。

???????上面通過(guò)調(diào)整PD 的電荷容納能力來(lái)提高動(dòng)態(tài)范圍，但是當(dāng)PD 足夠大時(shí)，滿阱容量的限制主要在于轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)FD，所以調(diào)整轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)也能夠獲得大動(dòng)態(tài)范圍特性。常見(jiàn)方案是在FD 旁增加一個(gè)小電容CS。暗光下只用FD 來(lái)獲得高靈敏度信號(hào)，強(qiáng)光下用FD+CS 來(lái)獲得更大的阱容量來(lái)提高強(qiáng)光信號(hào)探測(cè)能力，所以傳感器不僅在暗光下?lián)碛懈哽`敏度，其動(dòng)態(tài)范圍也得到了保證。

四、飽和探測(cè)

????????飽和探測(cè)方案是通過(guò)檢測(cè)積分信號(hào)或者積分電荷，當(dāng)其達(dá)到某一閾值就將像素復(fù)位，再繼續(xù)探測(cè)，如此重復(fù)進(jìn)行，最后輸出未飽和的信號(hào)和記錄下的復(fù)位次數(shù)。飽和探測(cè)方案在工作過(guò)程中將部分信號(hào)轉(zhuǎn)換為了數(shù)字量，所以其對(duì)信號(hào)擺幅的依賴要遠(yuǎn)小于普通的APS 像素，也就是說(shuō)這種方案可以在滿阱容量受限的條件下，實(shí)現(xiàn)大的動(dòng)態(tài)范圍。

????????飽和探測(cè)的具體實(shí)現(xiàn)方案主要分為脈沖寬度調(diào)制型（pulse width modulation，PWM）和脈沖頻率調(diào)制型（pulse frequency modulation，PFM）像素。

????????脈沖寬度調(diào)制型傳感器是探測(cè)信號(hào)達(dá)到某一閾值的時(shí)間從而將這一時(shí)間轉(zhuǎn)化為一個(gè)寬度可調(diào)的脈沖，并且用計(jì)數(shù)器記錄這一脈沖寬度所占用的時(shí)鐘數(shù)，最終用這個(gè)時(shí)鐘數(shù)來(lái)表示光強(qiáng)。現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)PWM 型像素更加適合深亞微米工藝的低電壓、低功耗設(shè)計(jì)。PWM 型傳感器動(dòng)態(tài)范圍主要取決于暗電流水平和計(jì)數(shù)時(shí)鐘的頻率，所以其動(dòng)態(tài)范圍的限制因素要比普通APS 要容易小的多，所以PWM 傳感器更容易獲得大動(dòng)態(tài)范圍。

????????脈沖頻率調(diào)制PFM 型傳感器的是當(dāng)PD 電壓達(dá)到某閾值時(shí)即對(duì)PD 進(jìn)行復(fù)位，再次積分，如此重復(fù)工作。PFM 型圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍限制與PWM 類似，最低探測(cè)光強(qiáng)都是受限于暗電流，而最高探測(cè)光強(qiáng)，PFM 傳感器是受限于復(fù)位時(shí)間。

五、多次曝光技術(shù)

????????多次曝光技術(shù)是一種對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景進(jìn)行長(zhǎng)短不同多次曝光，并將多次曝光得到的圖像合成為一幅圖像的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展技術(shù)。這種動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展方法不需要修改傳感器結(jié)構(gòu)，只是簡(jiǎn)單的時(shí)序調(diào)整，所以其易于實(shí)現(xiàn)，擴(kuò)展效果好，是一種常用的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展技術(shù)。

????????常見(jiàn)方案是在一幀的曝光時(shí)間內(nèi)插入多個(gè)不同的短曝光時(shí)間。這種曝光方案按照先長(zhǎng)曝光后短曝光順序依次進(jìn)行所有的短時(shí)間曝光和讀出。

????????在這種方案中，像素復(fù)位之后，先進(jìn)行最長(zhǎng)曝光，長(zhǎng)曝光信號(hào)讀出并開(kāi)始短曝光，在短曝光的讀出階段，像素開(kāi)始更短時(shí)間的曝光，后面如果還有更多次的短曝光就完全以此方式完成所有的短曝光操作。

? ? ? ? 對(duì)于多次曝光，還有許多其他方案，這里僅拋磚引玉。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的CMOS图像传感器——高动态范围的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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