淺談光電探測器與圖像傳感器（一）

光電探測器和圖像傳感器這兩個概念經(jīng)常被大家混為一談，實際上他們是不相同的。光電探測器是將光信號轉(zhuǎn)化為電信號的器件，其可以是單個器件，也可以是陣列型的器件。圖像傳感器是將某種信號轉(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，當然也可以是熱信號乃至其他物理場的信號。對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器陣列，還有對應的讀出電路。

光電探測器

光電探測器是將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，通常都是通過光電效應進行直接轉(zhuǎn)化。其也通過其他信號進行間接轉(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。下圖是我對光電探測器類別進行的一個總結(jié)。實際上其可以按照不同的分類方式進行分類。

該圖是按照器件結(jié)構(gòu)和機理分類。

上圖的具體細分類別后面有機會再介紹一下，當然這個總結(jié)還不完全，目前源源不斷的有很多新的光電探測器件出現(xiàn)。

除此以外還可以按照功能進行分類（見下圖）。

此外，還可以按照波長分類，分為：X射線、紫外、可見、紅外（近紅外、中紅外、遠紅外）、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。

說到波長，我們知道，光實際上是一種電磁波，其具有波粒二象性，隨著波長增加，其波動性越來越強，粒子性越來越弱。對于短波而言，其粒子性明顯，我們能通過傳感器通過光電效應感知到每份‘光子’，對于X射線這類短波而言，每一個光子的到達都會引起明顯的電荷倍增，產(chǎn)生明顯的電信號，實現(xiàn)單光子級別的探測。當波長達到中遠紅外，很難直接通過光電效應進行探測，常常需要借助光-熱-電過程。當波長到達微波時，已經(jīng)很難將一份一份的‘光子’進行分辨了，此時需要將入射場以電磁波的形式通過天線進行接受和探測。

圖像傳感器

圖像傳感器由光學元件，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)動器、列驅(qū)動器、時序控制邏輯、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)的有源電路設計，給予了圖像傳感器更多的設計自由度，然而這也帶來了一些問題，比如填充因子的降低。在早年，CMOS圖像傳感器剛發(fā)展時，其像素內(nèi)讀出電路是無源像素結(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，人們也開始意識到，可以實現(xiàn)像素內(nèi)的模擬電路乃至數(shù)字電路設計是CMOS圖像傳感器的一大優(yōu)勢。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。

（圖片來源：參考文獻[1]）

最早的APS是3T結(jié)構(gòu)，通過引入一個source follower放大器，實現(xiàn)在像素內(nèi)進行電流轉(zhuǎn)電壓讀出，這一設計解決了很多PPS結(jié)構(gòu)中遇到的噪聲問題。4T APS相對于3T而言引入了電荷轉(zhuǎn)移門，這一設計一方面解耦和轉(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)移有點類似。4T結(jié)構(gòu)還引入了PPD（pinned photodiode）的設計，利用P+鈍化表面，降低了暗電流。電荷轉(zhuǎn)移門的一個優(yōu)勢還在于其分割了感光像素區(qū)和像素內(nèi)電路，使得這兩部分的設計相對解耦。在這之后，為了實現(xiàn)性能的提高和功能的拓展，更多的像素內(nèi)電路架構(gòu)和設計層出不窮（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)，實現(xiàn)DPS設計（digital pixel sensor）。

（圖片來源：參考文獻[1]）

與CMOS圖像傳感器相比，CCD有兩個不同的點，一個是感光像素不同，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)；另一個區(qū)別是像素讀出方式不同，CCD沒有像素內(nèi)的獨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鐘信號控制電荷包以行為單位挨個移動傳出。CMOS有像素內(nèi)獨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讀出速度。

CCD的一大優(yōu)點是像素的填充因子大，因為其感光區(qū)域和功能區(qū)域分開，信號處理等功能電路都放在了非感光區(qū)域。CCD的第二個優(yōu)點是其噪聲低，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基于高頻高壓的時鐘信號來實現(xiàn)MOS結(jié)構(gòu)的深耗盡勢阱中的電荷轉(zhuǎn)移，需要三組電源供電結(jié)合時鐘控制電路，因此功耗較大。此外，CCD不需要進行特殊的像素隔離設計，而CMOS圖像傳感器存在像素串擾問題，需要復雜的像素隔離設計和加工工藝。就成像質(zhì)量而言，由于CCD的FF大，集成度相對較低，光、電、磁之間的干擾小，讀出方式的并行性低，像素間的串擾也比較小，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，但是CMOS圖像傳感器已經(jīng)成為更為主流的技術(shù)占據(jù)主導的市場地位。個人認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計靈活性，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行信號處理的可能和設計空間，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。當然在某些特定應用場景，CCD也有其碾壓性的優(yōu)勢，比如用于弱光探測的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，因此其疊加信號的同時也疊加了像素內(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、應用場景創(chuàng)新等幾方面的思路進行發(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)容實在太多了，這一部分的展開討論后面有機會再寫寫）。

光電探測器的主要指標

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

圖像傳感器的主要指標

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

噪聲

整個成像鏈路中的電路和元件都會對噪聲有所貢獻。主要貢獻噪聲包括散粒噪聲、FPN噪聲，讀出噪聲等。

Shot noise是由于入射光子的時間和空間上的分布的統(tǒng)計特性導致的，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)多個載流子產(chǎn)生的，對于高能光子，其每一份光子可以激發(fā)出多個電子，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。對于可見波段附近， Fano noise的影響幾乎可以忽略不計（以硅為例，估算得到其Fano noise小于0.01e-）。除了隨著波長減小fano噪聲增加外，隨著功率的增加fano噪聲也會增加趨勢。

FPN noise是由于器件之間的差異性導致的噪聲，是一個不會隨著時間變化的固定噪聲。與shot noise不同的是，F(xiàn)PN噪聲正比于信號，而不是信號的開方。因此FPN的抑制對實現(xiàn)HDR十分重要。FPN的產(chǎn)生原因主要有三個方面，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，三是光學元件的影響（比如有顆粒或者結(jié)構(gòu)件導致的衍射干涉）。不過換一個思路想，也可以通過設計特定的光學元件來特意引入FPN，此時相當于FPN是一個像素陣列分辨率大小的矩陣，相當于在感光同時實現(xiàn)乘加運算。

Read noise讀出噪聲是讀出鏈路引入的噪聲，它不是輸入信號的函數(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曲線的分析對器件的噪聲鏈路實現(xiàn)分析。

量子效率

值得一提的是，對于圖像傳感器而言，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，因為我們最終得到的是經(jīng)過AD轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號。

滿阱容量

對于CCD而言，滿阱容量就是感光像素對應的耗盡層勢阱的電荷容量，對于CMOS而言，滿阱容量主要是由存儲電荷的FD點對應的等效電容決定，因此目前很多CMOS圖像傳感器通過設計可以切換（常通過加一個開關(guān)管）FD點電容的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)成像模式切換以滿足HDR和微光探測的目的。

暗電流

暗電流的大小直接決定了器件的探測下限，為了實現(xiàn)弱光探測，提高器件靈敏度，常常通過各種方式來實現(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。

對于圖像傳感器，大家關(guān)注的一些主要性能如下：

對于圖像傳感器而言，其相關(guān)性能測試可以參考EMVA1288標準，其是歐洲機器視覺協(xié)會（EMVA）于 2004 年 2 月成立的由 Awaiba

與 Basler 牽頭制定的一個統(tǒng)一的適合機器視覺行業(yè)的相機與圖像傳感器性能測試標準，其通過建立單元像素數(shù)學模型和相機物理模型對相關(guān)參數(shù)的定義、測定、計算等給出了一個統(tǒng)一的標準。

最后，幾句廢話。。。

最后說回光電探測器和圖像傳感器，通常說到這兩個，一個對應單個器件，另一個是陣列器件。要從語文上較真挑刺的話，個人認為探測器與傳感器也是不同的概念（故意較真一下）。

探測（detection）是對目標信號的特性參數(shù)進行定量或者半定量的提取，比如對光而言，其包含振幅、幾何相位、傳輸相位、波長等信息，對應的強度探測器（光功率計）、偏振探測器、光譜探測器、波前探測器。不過目前要實現(xiàn)光的強度以外的信息，傳統(tǒng)的探測器需要匹配對應的光學元件，其和電子器件搭配才能實現(xiàn)參數(shù)提取，去掉光學部分做全片上的光參數(shù)探測是目前的一大研究熱點，比如片上光譜探測、片上偏振探測等。

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

實際上，傳感器件和探測器件有的時候大家也并不較真，常?；鞛橐徽?，從結(jié)構(gòu)上說是他們確實是同一個東西，只不過分別用不同的詞匯描述時其著重點不同，前者強調(diào)對信號的‘能感知’，后者強調(diào)其對信號的’能測定’，當然這是個人的一些理解。

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

參考文獻/書籍：

[1] 圖像傳感器集成電路—原理、設計和應用，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:圖像傳感器與相機性能測試標準