傳感器架構可由兩分式、四分式或一個(gè)像素陣列組成。輸出可為并行模擬輸出， 或一個(gè)10位數字輸出或數字串行 LVDS輸出。每個(gè)輸出可高達每秒5,000萬(wàn)次的采樣速度，這樣就能實(shí)現每秒55億像素的吞吐量。迄今為止，該圖像傳感器是具有最高連續像素吞吐量的一款。圖像質(zhì)量至少達到10位精度，因此攝像頭數字化之后，數據吞吐量可為每秒55Gbit。這樣高速的應用通常需要6個(gè)電晶體快照像素，且需要較高的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。圖像傳感器的靈敏度很大程度上取決于像素尺寸，而大的像素尺寸就需要大面積特定應用的定制圖像傳感器。內部多路復用技術(shù)可支持更高幀速率的隨機窗口。如果將窗口大小縮至較小的ROI(圈選目標區域)，那么最快速度器件的幀速率可達每秒170,000幀。大多數傳感器都采用0.25工藝。
目前， CMOS是高速成像所青睞的技術(shù)。在當前市場(chǎng)中，我們可以發(fā)現高速圖像傳感器有三大發(fā)展趨勢，一是向極高速方向發(fā)展，二是向片上特性集成方向發(fā)展，三是向通用高速圖像傳感器方向發(fā)展。
分辨率和幀速率相結合，發(fā)揮著(zhù)重要的作用。目前，我們可以推出1024×1024像素的圖像傳感器，工作速度達到每秒5,000個(gè)全幀。如果模數轉換為10位的話(huà)，那么這就是說(shuō)攝像頭上的總數據速率可達每秒55Gbit。為了實(shí)現傳感器上極高的數據速率和高圖像質(zhì)量，尤其是對這種高敏感度的應用而言，我們不僅要設計出正確的電子線(xiàn)路，還要確保整個(gè)線(xiàn)路布局實(shí)現良好的平衡性。這就是說(shuō)，電源線(xiàn)路應實(shí)現極佳的分布，而且布局中每個(gè)線(xiàn)路節點(diǎn)的所有光學(xué)和雜散光靈敏反應都應得到很好的控制。并需要采用低功耗模塊設計，以確保滿(mǎn)足整體功耗要求。
高速成像領(lǐng)域還有另一種趨勢，就是把高速 ADC、時(shí)序發(fā)生器、LVDS發(fā)射器和校正算法的片上集成趨勢。這種圖像傳感器通常在速度和靈敏度方面不如上述圖像傳感器，但在易用性和系統集成功能方面頗有長(cháng)處。目前市場(chǎng)上新興的第三種圖像傳感器就是通用高速圖像傳感器。具有模擬輸出或不具有時(shí)序發(fā)生器功能的老式(簡(jiǎn)單式)通用圖像傳感器正在被速度更快、更復雜的圖像傳感器所取代。這種新型圖像傳感器使我們能在較短時(shí)間內就設計出通用高速攝像頭。
6晶體管像素
賽普拉斯推出的大多數高速圖像傳感器使用了所謂的6晶體管(6T)像素。這種圖像傳感器有一點(diǎn)非常重要，就是其管線(xiàn)化全局快門(mén)特性。就全局快門(mén)而言，所有像素都同時(shí)啟動(dòng)和終止光集成，這對高速應用控制所有像素的運動(dòng)影像模糊非常重要。全局快門(mén)技術(shù)使圖像傳感器能固定高速運動(dòng)場(chǎng)景。下圖給出了典型的高速捕獲順序(小彈頭擊中火柴棍)。管線(xiàn)特性確保像素陣列在讀取期間就能進(jìn)行下一幀像素中的光集成工作，這樣才能確保幀速率不受集成時(shí)間的影響。
典型的高速捕獲順序
為了實(shí)現盡可能高的敏感度，采集光電荷并將其轉換為電壓的光電二極管應設計得盡可能小型化，以盡可能減少光電二極管的寄生電容。此外，像素填充因數(像素開(kāi)放區域與光敏區域之比)應盡可能大。我們可采用N-well像素專(zhuān)利技術(shù)，再配合光電二極管周邊的P-well開(kāi)口，就能實(shí)現光電二極管小型化和較大的填充因數。除了高敏感度之外，我們還應使像素存儲電容，與光實(shí)現良好的屏蔽并且減少泄漏, 確保它不會(huì )造成任何噪聲。該像素架構在像素讀數期間的信號存儲方面實(shí)現了良好的性能。但這種像素架構尚缺乏像素的固定圖案噪聲校正功能，該功能必須在圖像傳感器以外的系統上完成。
更快的速度
圖像傳感器的速度是指精度和幀速率的乘積，反映出傳感器的像素速率。在非常高端的高速成像市場(chǎng)中，人們對速度的需求是沒(méi)有止境的。在高端市場(chǎng)中，客戶(hù)希望通過(guò)高級攝像頭實(shí)現極高的全幀速率，比如汽車(chē)碰撞檢測。
只有采用并行模擬輸出才能實(shí)現這樣極高的速度，但并行模擬輸出(最多128個(gè)輸出)也會(huì )對攝像頭系統的集成提出挑戰。這種類(lèi)型的圖像傳感器架構比較簡(jiǎn)單：包括一個(gè)可被分為若干像限的6T像素陣列，幾個(gè)并行高速模擬總線(xiàn)以及用于驅動(dòng)輸出的并行輸出放大器。
6T晶體管可以實(shí)現非常高的速度。
上述芯片沒(méi)有采用ADC、時(shí)序發(fā)生器或其他片上圖像處理技術(shù)。整個(gè)芯片上的模擬總線(xiàn)確保所有并行輸出都能使用，而不管讀取圖像大小的寬度到底是多少。這就能在讀取部分圖像時(shí)加快幀速率。該款極高速圖像傳感器也存在一個(gè)重要問(wèn)題，就是x方向上的重影現象，這是由于整個(gè)芯片上模擬總線(xiàn)相對較大的RC常量造成的。由于總線(xiàn)上的信號穩定到10位精度之內需要一定的時(shí)間，因此前一個(gè)像素的一部分信息在當前像素上還存在。在圖像中，這就會(huì )導致x方向上的重影。這種重影在圖像后處理階段難以糾正。我們專(zhuān)為這種圖像傳感器開(kāi)發(fā)了一種特殊技術(shù)，在每個(gè)新信號之前以很短時(shí)間對總線(xiàn)進(jìn)行預充電，這就會(huì )消除所有此前像素的信息。該技術(shù)要求生成較短的預充脈沖，用以將模擬總線(xiàn)短路到接地上。大多數這樣的圖像傳感器都是根據客戶(hù)要求推出的定制產(chǎn)品。
目前此類(lèi)極高速圖像傳感器基本不會(huì )作為通用產(chǎn)品出現。多年來(lái)，賽普拉斯已經(jīng)為市場(chǎng)中幾家頂尖的高速攝像頭制造商推出了幾款極高速圖像傳感器，分辨率涵蓋VGA級到1,000萬(wàn)像素的范圍，而速度則支持每秒500幀到10,000幀。近年來(lái)，速度和靈敏度不斷提高，現在最快的產(chǎn)品的數據吞吐量達到每秒5.5G像素。在典型的極高速圖像傳感器架構中，并行讀出圖的兩部分，每一部分都提供64個(gè)并行模擬輸出，這樣我們可以得到128個(gè)高速并行模擬輸出。
更多應用
與上面圍繞傳感器構建的(大型)極復雜攝像系統相矛盾的是，市場(chǎng)對小型化高速圖像傳感器的需求越來(lái)越多，并希望提高其易用性。高速圖像傳感器已開(kāi)始在掃描儀、視覺(jué)系統和全息數據存儲等類(lèi)似消費類(lèi)電子產(chǎn)品應用中出現。
上述應用需要圖像傳感器在板上集成許多系統功能。因此，ADC、時(shí)序發(fā)生器、圖像處理和其他輸出級都集成在芯片上。對這種圖像傳感器來(lái)說(shuō)，板上功能集成與靈敏度和速度一樣重要。大多數這種圖像傳感器都是根據客戶(hù)需要定制推出的，以提供給定的特性，這些特性有助于簡(jiǎn)化定制高速攝像頭的設計工作。此類(lèi)高速圖像傳感器通常只有一個(gè)時(shí)鐘輸入，為數不多的電源和一些同步引腳。圖像傳感器讀取和曝光的所有其他信號都在片上生成。
通用高速圖像傳感器
我們在市場(chǎng)中看到的第三種類(lèi)型的高速圖像傳感器(去年就已經(jīng)推出)就是通用高速圖像傳感器，其應用范圍包括機器視覺(jué)攝像頭、交通監控、科學(xué)運動(dòng)捕獲以及碰撞檢測等。最早推出的通用高速圖像傳感器僅包括并行模擬輸出，不提供板上邏輯(很像現在的極高速圖像傳感器)。不過(guò)現在，芯片本身已經(jīng)集成了許多特性，使圖像傳感器能適用于多種不同的應用(多坡度曝光、次采樣、分級、鏡像、增益、偏移等)。賽普拉斯目前提供多種高速全局快門(mén)圖像傳感器，規格從VGA、250幀每秒(LUPA300)到1.3M像素、1000幀每秒(正在開(kāi)發(fā))不等。所有這些圖像傳感器都支持管線(xiàn)快照功能和多坡度曝光功能。不同傳感器的板級特性是有差異的。
結論
本文概括介紹了幾種不同類(lèi)型的高速圖像傳感器，分別對應于當前不同的市場(chǎng)需求。我們將市場(chǎng)中的產(chǎn)品分為三類(lèi)：
極高速成像：純模擬的圖像傳感器，幀速率極高，數據吞吐量也極大 —＞ 復雜的攝像頭設計 —＞ 主要用于定制設計。
具有板級特性的高速成像：這種圖像傳感器具有很多特定的板級特性，有助于開(kāi)展圖像傳感器的內部設計，滿(mǎn)足類(lèi)似消費類(lèi)電子應用中的高速攝像頭需求。有關(guān)特性是根據客戶(hù)需要提供的，主要為定制設計。
通用高速圖像傳感器：這種圖像傳感器將上述圖像傳感器最常見(jiàn)的特性與通用圖像傳感器相結合，可適合多種應用的攝像頭需要。
市場(chǎng)發(fā)展趨勢證明，板級特性、數據速率和精度方面的要求還將不斷上升。真正的挑戰在于，如何將數據速率極高的圖像傳感器與LVDS和圖像處理等眾多板級特性實(shí)現有效結合。
