應用于空間環(huán)境的CMOS圖像傳感器

1、董佳,等:應用于空間環(huán)境的CMOS 圖像傳感器18期應用于空間環(huán)境的CMOS 圖像傳感器董佳1,2邱躍洪1陳智1,2(中科院西安光學精密機械研究所1,西安710068;中國科學院研究生院2,北京100039摘要空間環(huán)境的特殊性對圖像傳感器的功耗、體積、抗輻射能力等有特殊的要求。在空間技術應用領域,CMOS 圖像傳感器由于具有集成度高、抗輻射能力強、功率低等優(yōu)勢,正得到越來越多的應用;提供了一個采用航天級CMOS 圖像傳感器進行數(shù)字照相系統(tǒng)開發(fā)的設計方案。關鍵詞CMOS APS 總劑量損害位移損害空間輻射數(shù)字照相系統(tǒng)中圖分類號TN386.1;文獻標識碼B 2005年5月24日收到第一作者簡介:董

2、佳,男,中科院西安光機所通信與信息系統(tǒng)專業(yè)碩士研究生,研究方向:CMOS 智能相機。第5卷第18期2005年9月1671-1815(200518-1235-04科學技術與工程c在傳統(tǒng)的空間技術應用中,CCD 在遙感、航天觀測等領域獲得了廣泛的使用。然而隨著近年來CMOS 圖像傳感器的飛速發(fā)展,CMOS 圖像傳感器已經(jīng)開始應用于空間成像領域,并且相比于CCD 器件,具有功耗低、集成度高、體積小、抗干擾能力強、只需要單一電源等優(yōu)點1,在天文觀測等應用領域表現(xiàn)出極大的應用潛力。1CMOS 圖像傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)目前CMOS 圖像傳感器主要分為無源像素傳感器(PPS 和有源像素傳感器(APS 。大部分應

3、用都使用有源像素傳感器,即CMOS APS 。CMOS 圖像傳感器像元結(jié)構(gòu)主要有光敏二極管型無源像素結(jié)構(gòu)、光敏二極管型有源像素結(jié)構(gòu)和光柵型有源像素結(jié)構(gòu),其它特殊結(jié)構(gòu)還有對數(shù)傳輸型、釘扎光敏二極管型、浮柵放大器型等。一個典型的CMOS 圖像傳感器通常包含:一個圖像傳感器核心,相應的時序邏輯和控制電路、AD 轉(zhuǎn)換器、存儲器、定時脈沖發(fā)生器和譯碼器等。定時控制電路用來設置傳感器的工作模式,產(chǎn)生工作時序,控制數(shù)據(jù)的輸出等。像素采集到的信號在芯片內(nèi)部就經(jīng)過了放大、AD 轉(zhuǎn)換、存儲等處理,最后可輸出需要的數(shù)字信號,也可以輸出模擬信號,這給用戶在設計時提供了較大的靈活性,其結(jié)構(gòu)見圖1。2CMOS 圖像傳感器

4、對空間環(huán)境的適應性CCD 和CMOS 圖像傳感器都是非常敏感的器件,因而很容易受到太空中輻射的影響2。在空間輻射環(huán)境下,傳感器會受到地球周圍輻射帶中電子和質(zhì)子的轟擊,且這些粒子中的一部分被衛(wèi)星或飛船和屏蔽材料吸收的同時又會產(chǎn)生gamma 射線輻射。另外,器件還會受到來自宇宙空間的重離子轟擊。這些輻射會對電子器件產(chǎn)生嚴重的影響,甚至導致設備無法正常工作。1962年的telstar 1通信衛(wèi)星,1995年我國的“實踐4號”和“風云一號”等都曾經(jīng)受到過輻射的影響3。當高能重離子或質(zhì)子打到電子部件的芯片上圖1CMOS 圖像傳感器芯片結(jié)構(gòu)示意圖工業(yè)技術科學技術與工程5卷時,在芯片的P-N結(jié)上產(chǎn)生的電荷使

5、邏輯電路發(fā)生非正常電位翻轉(zhuǎn)、鎖定或擊穿,這種現(xiàn)象稱為單粒子事件。頻繁發(fā)生的單粒子事件,可導致航天器失效。由于CMOS圖像傳感器中大都集成了CMOS SRAM等可能產(chǎn)生單離子翻轉(zhuǎn)的器件,所以也要具有一定的抗損害能力。高能質(zhì)子和重離子都會產(chǎn)生位移損害。原子的位移損害,是由停留在物質(zhì)中的相對低能量的粒子引起的。這些停止的粒子將硅原子撞出適當?shù)木Ц裎恢?使晶格結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷,導致各種半導體器件性能衰退,甚至完全損壞?？倓┝繐p害效應是各種輻射長期積累的總效應?？倓┝繐p害通常限制了航天器電子部件的壽命。固體部件的電子學性質(zhì)因暴露在輻射環(huán)境中而改變。由于損害的積累,這些變化使得部件的參數(shù)偏離電路正常工作的設計

6、值。在空間技術應用中,CMOS圖像傳感器比CCD的抗輻射能力要強。雖然CCD的制造工藝使得CCD器件有一定的抗總劑量損害能力,但其性能往往因此又會大幅度降低,在考慮高能質(zhì)子的影響后,其性能損失更為嚴重。位移損害對CCD和CMOS APS都會有影響,但是因為CMOS APS的信號輸出只經(jīng)過一次電荷轉(zhuǎn)移,所以電荷轉(zhuǎn)移損失要小于CCD。除此之外,CMOS APS還有以下特性適合于空間應用。(1CMOS圖像傳感器驅(qū)動簡單,易于開發(fā),并且功耗小。APS型結(jié)構(gòu)消耗的電能大約是CCD的1/100,這對于用太陽能電池供電的衛(wèi)星來說是一個極重要的優(yōu)點。CCD需要外部控制信號和時鐘信號以獲得滿意的電荷轉(zhuǎn)移效率,這

7、些外部驅(qū)動電路消耗了大量的電能,同時CCD系統(tǒng)需要不止一個電源和電壓調(diào)節(jié)器。而APS僅使用單一的5V電源,大大提高了電源使用效率。一般來說,CCD系統(tǒng)需要(2 5W(數(shù)字輸出的電能,而具有相同像素輸出的APS系統(tǒng)僅需要(2050mW。(2CMOS圖像傳感器應用靈活,可以在面陣上只讀取感興趣的區(qū)域甚至只對感興趣的像素進行讀取。在CMOS APS中,光探測部件和輸出放大器都是每個像素的一部分,這使積分電荷可以在像素內(nèi)被轉(zhuǎn)換為電壓信號,然后通過X-Y輸出線輸出(而不是像在CCD中那樣使用電荷移位寄存器。這種與普通DRAM相似的行列編址使興趣窗口輸出(即窗口操作成為可能,可以進行在片平移、旋轉(zhuǎn)和縮放。

8、窗口操作為需要圖像壓縮、運動檢測和目標跟蹤的應用方式提供了許多附加的靈活性。這就使得整個成像系統(tǒng)可以實現(xiàn)許多數(shù)字信號處理功能,包括抗跳動(圖像穩(wěn)定,圖像壓縮(輸出之前或之后,色彩編碼,計算機數(shù)據(jù)總線接口,多分辨率成像等4,為實現(xiàn)較復雜的星上圖像處理功能提供了基礎。(3CMOS圖像傳感器具有很高的集成潛力,可以將多個功能模塊集成在一個芯片上,因此很有利于提高系統(tǒng)的集成度,減小系統(tǒng)的體積,降低功耗。CMOS圖像傳感器相對于CCD的優(yōu)點使前者得到迅速發(fā)展,盡管它還存在電離環(huán)境下暗電流稍大、高分辨率、高性能器件有待進一步發(fā)展等問題,但隨著這些問題的解決,CMOS圖像傳感器在空間技術的相應領域中將成為C

9、CD的替代者。3基于航天級CMOS圖像傳感器的相機開發(fā)目前用于空間技術的CMOS圖像傳感器種類比較少。比利時的Fillfactory公司致力于CMOS圖像傳感器的研究,已經(jīng)開發(fā)出STAR系列產(chǎn)品,包括STAR65、STAR250和STAR1000三種型號,可以用于空間攝像系統(tǒng)的開發(fā)。下面以基于STAR250的數(shù)字相機為例介紹。3.1傳感器性能STAR250的分辨率為512×512像素,0.5mCMOS 工藝,象元尺寸為25m,片內(nèi)集成有雙采樣電路用以減少固定模式噪聲(FPN,一個10bit的A/D轉(zhuǎn)換器完成模數(shù)轉(zhuǎn)換,封裝形式采用陶瓷JLCC封裝,光譜范圍從200nm到1000nm,動

10、態(tài)范圍74dB,最大輸出幀速率為30f/s。如果要獲得更高的幀速率,可以在面陣上開一個較小的窗口。27無輻射時的平均暗電流大約為200pA/cm2。STAR250的暗電流增益明顯小于普通標準的CMOS圖像傳感器,并呈對數(shù)增長。由總離子劑量損害產(chǎn)生的暗電流增益可由式(1的經(jīng)驗公式表示2DC T ID(TID=max0,Klog10TIDTID thres!"(1式(1中,TID表示總離子劑量,TIDthres是總離子劑量門限,K表示暗電流增益的比例系數(shù)。K=0.54 nAcm-2dec-1,TID thres=350Gy時,實測數(shù)據(jù)顯示,在TID為(0.10.15kGy之間,采用一般工

11、藝(未采用防輻射技術的CMOS圖像傳感器的暗電流增益由5 nA/cm2迅速增長為25nA/cm2,增長曲線為指數(shù)增1236董佳,等:應用于空間環(huán)境的CMOS圖像傳感器18期長。STAR250在這個TID范圍的暗電流增益5僅為(1-2pA/cm2,增長曲線為對數(shù)增長;即使TID到達100Gy時,其暗電流增益也只有1.5nA/cm2。因此,STAR250的抗輻射能力比未經(jīng)防輻射處理的普通CMOS圖像傳感器的0.5Gy提高了幾個數(shù)量級,達到100Gy左右。STAR250列放大器采用的輸出校正技術有效抑制了圖像傳感器中的固定模式噪聲(FPN。因此,STAR250的FPN并沒有因為總離子劑量的影響而增長

12、。在高能粒子、重離子、質(zhì)子、中子等的轟擊下,原子會脫離其原先所在的晶格。這種輻射導致的暗電流增益可以表示為:DC D D=K1FV dep NIEL(2式中K是損害因子,表示每MeV能量積累對暗電流增益的影響,是硅的密度,F是每平方厘米的質(zhì)子數(shù),Vdep是根據(jù)像素的設計規(guī)劃和仿真得到的,取130m3。NIEL表示非電離能量損失?？梢?暗電流增益與NIEL成比例。圖2給出了在1×1011質(zhì)子/cm2的11.7MeV輻射下,STAR250中某一行像素的暗電流密度。橫坐標為像素坐標,縱坐標表示暗電流密度。虛線右邊作為對比區(qū)域,在測試時用2mm的鋁箔進行了防護。3.2數(shù)字照相系統(tǒng)的構(gòu)建相機主

13、要分為以下幾個部分:相機頭部、時序控制電路、圖像處理單元、數(shù)據(jù)存儲發(fā)送模塊、指令接收模塊,見圖3。相機頭部包括鏡頭和CMOS圖像傳感器STAR250。STAR250提供512×512的像素矩陣,片上集成的ADC將像素接收到的模擬信號量化為10bit 的數(shù)字信號,通過數(shù)據(jù)接口傳送到下一級模塊中。相機系統(tǒng)的總體操作控制由時序控制模塊完成,具體功能包括給相機頭部的CMOS圖像傳感器提供時序和根據(jù)接收到的指令控制整個照相系統(tǒng)的工作。時序控制單元包括FPGA芯片和FIFO以及數(shù)據(jù)接口電路。FPGA根據(jù)實現(xiàn)技術機理的不同,可分為反熔絲型、EPROM或EEPROM型、Flash型、SRAM型等幾種

14、。根據(jù)航天器件要求,FPGA控制器件宜選擇反熔絲型FPGA產(chǎn)品。目前可選用的FGPA 在頻率上不可能太高,本相機采用的ACTEL器件,工作頻率設定在20MHz。受后端接口以及圖像處理單元速度的影響,本系統(tǒng)中STAR250并不全速工作,而是根據(jù)指令接收單元接收到的要求,對CMOS圖像傳感器采用窗口操作或者降低幀頻。當系統(tǒng)啟動后,FPGA先向CMOS圖像傳感器發(fā)出芯片復位指令,芯片復位完成后,讓讀取指針沿著像素矩陣逐行移動。當指針到達某一目標行,并且其間所間隔的時間滿足積分時間時,即開始激活指針,并開始移動,進行讀取、復位等操作。如此循環(huán)移動指針,不斷進行讀間行復位、行讀取、讀間等待,即可保證整個

15、像素陣列各行都符合所要求的積分時間并有序讀出。具體的FPGA工作狀態(tài)見圖4。需要注意的問題是,考慮到空間輻射造成的數(shù)據(jù)記錄錯誤所導致的操作指令錯誤,控制部分的設計采用了三模冗余糾錯技術(TMR,以確?？刂破骷x取正確的指令。圖像處理單元可以進行比較靈活的功能分配,根據(jù)需要完成編碼、數(shù)據(jù)加密、圖像壓縮、圖像穩(wěn)定、色彩編碼、濾波等功能。比較理想的選擇是采用DSP圖2STAR250在1×1011質(zhì)子/cm2的11.7MeV輻射下的暗電流密度圖3 相機結(jié)構(gòu)示意圖1237科學技術與工程5卷 CMOS Imaging Sensor Applicated in Space EnvironmentD

16、ONG Jia 1,2,QIU Yuehong 1,CHEN Zhi 1,2(Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS 1,Xi'an 710068;Graduate School of the Chinese Academy of Sciences 2,Beijing 100039Abstract The space environment commands special performances in power,cubage,radiation and so on.CMOSimaging senso

17、r fits in with the requirement of applications of space technology for its advantages in power,integration and radiation.A project of digital camera systemwith CMOS imaging sensor applicated in space technology is adviced.Key words CMOS APS total dose displacement damage space radiation digital came

18、ra system實現(xiàn)比較復雜的算法或完成運算量較大的處理工作,但是高性能并且可應用于空間環(huán)境的DSP 價格比較昂貴,并且難以獲得。本系統(tǒng)的替代的辦法是采用符合航天標準的ARM 或者FPGA ,雖然處理能力有限,但是完成一些必要的編碼、加密等處理已經(jīng)足夠;在FPGA 中嵌入軟核,也可以實現(xiàn)相對復雜的功能。如果系統(tǒng)對復雜度的要求比較苛刻,也可以考慮去掉圖像處理單元,改為在地面對信號進行處理。存儲和發(fā)送模塊用于儲存和發(fā)送數(shù)據(jù)。根據(jù)不同的探測任務要求,衛(wèi)星不一定在任何時刻都可以向地面發(fā)送數(shù)據(jù),所以大容量存儲器要預留足夠的空間。整個系統(tǒng)中的所有半導體存儲器都要注意空間輻射問題,要選用符合航天標準、帶有抗輻射設計的器件,或者對器件進行抗輻射處理。指令接收部分用于接收衛(wèi)星總體和地面發(fā)送的同步信息、相機狀態(tài)控制信息等指令。整個數(shù)字相機系統(tǒng)采用模塊化設計,可以根據(jù)設計任務需要增加或減少一些功能模塊,比如圖像處理模塊,可以預先設計FPGA 模塊、ARM 模塊和專用芯片模塊,根據(jù)不同的應用需要選擇相應的模塊,或者不裝圖像處理模塊,留待地面對數(shù)據(jù)進行進一步處理。因此,各個模塊之間必須保證接口遵從統(tǒng)一的標準。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線和接口采用PC104。由于CMOS APS 的高度集成性,整個系統(tǒng)的設計相對于采用CCD 器件的數(shù)字照相系統(tǒng),系統(tǒng)復雜度大大降低,而且體積小、功