浅谈光电探测器与图像传感器（一）

光电探测器和图像传感器这两个概念经常被大家混为一谈，实际上他们是不相同的。光电探测器是将光信号转化为电信号的器件，其可以是单个器件，也可以是阵列型的器件。图像传感器是将某种信号转化为图像信息的器件，其为阵列芯片。图像传感器的传感信息多为光信号，当然也可以是热信号乃至其他物理场的信号。对于光电型传感的图像传感器而言，其组成除了包括光电探测器阵列，还有对应的读出电路。

光电探测器

光电探测器是将光信号转化为电信号，通常都是通过光电效应进行直接转化。其也通过其他信号进行间接转化，比如光-热-电，光-磁-电，光-声-电等。这里先主要讨论光-电情况。下图是我对光电探测器类别进行的一个总结。实际上其可以按照不同的分类方式进行分类。

该图是按照器件结构和机理分类。

上图的具体细分类别后面有机会再介绍一下，当然这个总结还不完全，目前源源不断的有很多新的光电探测器件出现。

除此以外还可以按照功能进行分类（见下图）。

此外，还可以按照波长分类，分为：X射线、紫外、可见、红外（近红外、中红外、远红外）、太赫兹等。按照材料体系可以分为：硅基、鍺基、铟镓砷、碲镉汞、氮化镓等。

说到波长，我们知道，光实际上是一种电磁波，其具有波粒二象性，随着波长增加，其波动性越来越强，粒子性越来越弱。对于短波而言，其粒子性明显，我们能通过传感器通过光电效应感知到每份‘光子’，对于X射线这类短波而言，每一个光子的到达都会引起明显的电荷倍增，产生明显的电信号，实现单光子级别的探测。当波长达到中远红外，很难直接通过光电效应进行探测，常常需要借助光-热-电过程。当波长到达微波时，已经很难将一份一份的‘光子’进行分辨了，此时需要将入射场以电磁波的形式通过天线进行接受和探测。

图像传感器

图像传感器由光学元件，感光像素，模拟读出电路，数字电路等部分组成。目前主流的硅基的图像传感器主要包括CMOS图像传感器和电荷耦合器件（charge-coupled Device,CCD）

CMOS图像传感器主要由像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成。(图像传感器部分，强烈推荐刘斯宁的知乎上写的文章Understanding CMOS Image Sensor -知乎 (zhihu.com)，看了收获颇多.)

在CMOS图像传感器之前，CCD一直是主流的图像传感器技术。CMOS图像传感器出现后，由于其random acess的读出方式，像素内的有源电路设计，给予了图像传感器更多的设计自由度，然而这也带来了一些问题，比如填充因子的降低。在早年，CMOS图像传感器刚发展时，其像素内读出电路是无源像素结构（the passive pixel sensor (PPS)）。PPS结构的CMOS图像传感器和CCD比，性能远不如CCD。在有源像素图像传感器（active pixel sensor APS）技术推出后，CMOS图像传感器的性能在SNR和速度上有了明显的提高，人们也开始意识到，可以实现像素内的模拟电路乃至数字电路设计是CMOS图像传感器的一大优势。目前很多高性能多功能的图像传感器很多是在像素内电路上做创新和改进。

（图片来源：参考文献[1]）

最早的APS是3T结构，通过引入一个source follower放大器，实现在像素内进行电流转电压读出，这一设计解决了很多PPS结构中遇到的噪声问题。4T APS相对于3T而言引入了电荷转移门，这一设计一方面解耦和转换增益（转换增益=1/C-fd）和FWC（FWC=C_fd*V）之间的trade-off,另一方面该结构使得相关双采样电路CDS可以引入以消除3T结构不能消除的复位KT/C噪声。这里电荷转移门的结构和CCD中的电荷转移有点类似。4T结构还引入了PPD（pinned photodiode）的设计，利用P+钝化表面，降低了暗电流。电荷转移门的一个优势还在于其分割了感光像素区和像素内电路，使得这两部分的设计相对解耦。在这之后，为了实现性能的提高和功能的拓展，更多的像素内电路架构和设计层出不穷（也叫AFE，anolog front end），甚至有人提出可以将ADC部分也移入像素内，实现DPS设计（digital pixel sensor）。

（图片来源：参考文献[1]）

与CMOS图像传感器相比，CCD有两个不同的点，一个是感光像素不同，CMOS感光像素是基于PD（photodiode，光电二极管）结构，CCD感光像素是MOS结构；另一个区别是像素读出方式不同，CCD没有像素内的独立的读出电路和感光像素外的有源器件，其感光电荷的读出是通过三相时钟信号控制电荷包以行为单位挨个移动传出。CMOS有像素内独立的读出电路和有源放大器，且其阵列读出方式类似RAM，通过行选列选读出，具有更好的并行处理能量和信号读出速度。

CCD的一大优点是像素的填充因子大，因为其感光区域和功能区域分开，信号处理等功能电路都放在了非感光区域。CCD的第二个优点是其噪声低，这是由于其像素内没有别的含有源器件的电路结构，器件和器件之间的deviation比较小，因此FPN相对比较小。但是CCD这一读出方式也存在其固有的问题，首先读出方式并行度低，决定了其速度比CMOS图像传感器慢，其次，CCD基于高频高压的时钟信号来实现MOS结构的深耗尽势阱中的电荷转移，需要三组电源供电结合时钟控制电路，因此功耗较大。此外，CCD不需要进行特殊的像素隔离设计，而CMOS图像传感器存在像素串扰问题，需要复杂的像素隔离设计和加工工艺。就成像质量而言，由于CCD的FF大，集成度相对较低，光、电、磁之间的干扰小，读出方式的并行性低，像素间的串扰也比较小，因此在早期其成像质量相比于CMOS较高。不过，随着CMOS图像传感器的发展，目前也有很多提高CMOS图像传感器成像质量的技术。

虽然CCD在某些方面具有一定的优势，但是CMOS图像传感器已经成为更为主流的技术占据主导的市场地位。个人认为这主要有两方面原因，第一，器件的发展离不开工艺，CMOS图像传感器基于CMOS工艺，CMOS工艺发展的成熟度高和先进性好，兼容性高，集成度高，是目前主流的工艺；其二，CMOS的读出方式给予了其更高的设计灵活性，像素内的读出电路结构框架，提供了各种在像素端进行信号处理的可能和设计空间，由此可以发展各种新型图像传感器件，比如压缩感知，智能感知，边缘提取，感算一体，可编程像素，神经形态传感等等。当然在某些特定应用场景，CCD也有其碾压性的优势，比如用于弱光探测的TDI，基于CCD 的TDI比基于CMOS的TDI有更好的信噪比，也容易做出更高的线数。原因还是来自于其读出方式的不同，CCD没有像素内的其他有源器件，其多次曝光叠加是基于电荷域的直接叠加，相比之下，CMOS图像传感器每一个像素都带有其自己的读出电路，输出的是通过像素内电路转化后的电压信号，因此其叠加信号的同时也叠加了像素内读出电路部分有源器件引入的噪声。

新型图像传感器

目前新型图像传感器主要沿着材料创新、器件创新、电路架构创新、功能结构创新、应用场景创新等几方面的思路进行发展。下图总结了目前的图像传感器和新型图像传感器的分类（详述的话内容实在太多了，这一部分的展开讨论后面有机会再写写）。

光电探测器的主要指标

对光电探测器其性能指标主要是从device level进行考量。作为一个光电器件而言，围绕其输入输出特性，主要考虑的参数如下。高性能的光电探测器多围绕着高速，宽谱，高灵敏度，低噪声等目标进行优化和研发。

图像传感器的主要指标

图像传感器作为一个功能芯片，其性能指标多结合其应用场景进行分析。器件的性能最优不能保证整个芯片的功能最优。比如按照器件优化思路，可以把光电探测器本身的速度实现提高和优化（通过优化扩散和耗尽区，材料迁移率等），但是整个芯片的成像速度受限于其读出过程，因此作为功能芯片，往往需要进行全链路的协同调优。同样的，在进行性能参数分析的时候也需要全链路进行考量。Photo transfer一书中对整个成像链路进行分析，建立了一系列数学物理模型对各个参数进行分解和建模。

噪声

整个成像链路中的电路和元件都会对噪声有所贡献。主要贡献噪声包括散粒噪声、FPN噪声，读出噪声等。

Shot noise是由于入射光子的时间和空间上的分布的统计特性导致的，光子是玻色子，满足玻色-爱因斯坦分布，在可见波段附近，满足hv>>kT,其分布可以用经典的泊松分布描述。

Fano noise是光子激发多个载流子产生的，对于高能光子，其每一份光子可以激发出多个电子，因此低入射功率下可以看到其一份一份光子的光电转换过程。对于可见波段附近， Fano noise的影响几乎可以忽略不计（以硅为例，估算得到其Fano noise小于0.01e-）。除了随着波长减小fano噪声增加外，随着功率的增加fano噪声也会增加趋势。

FPN noise是由于器件之间的差异性导致的噪声，是一个不会随着时间变化的固定噪声。与shot noise不同的是，FPN噪声正比于信号，而不是信号的开方。因此FPN的抑制对实现HDR十分重要。FPN的产生原因主要有三个方面，一是图像传感器感光像素的性能差异，二是读出电路的差异，三是光学元件的影响（比如有颗粒或者结构件导致的衍射干涉）。不过换一个思路想，也可以通过设计特定的光学元件来特意引入FPN，此时相当于FPN是一个像素阵列分辨率大小的矩阵，相当于在感光同时实现乘加运算。

Read noise读出噪声是读出链路引入的噪声，它不是输入信号的函数，只与读出电路有关。

最终总的噪声是所有噪声源的叠加，可以通过PTC曲线的分析对器件的噪声链路实现分析。

量子效率

值得一提的是，对于图像传感器而言，量子效率不但要考虑光电器件本身能够转换多少电子，还要考虑电子到DN（digital number）的转换情况，因为我们最终得到的是经过AD转化后的数字信号。

满阱容量

对于CCD而言，满阱容量就是感光像素对应的耗尽层势阱的电荷容量，对于CMOS而言，满阱容量主要是由存储电荷的FD点对应的等效电容决定，因此目前很多CMOS图像传感器通过设计可以切换（常通过加一个开关管）FD点电容的结构来实现成像模式切换以满足HDR和微光探测的目的。

暗电流

暗电流的大小直接决定了器件的探测下限，为了实现弱光探测，提高器件灵敏度，常常通过各种方式来实现暗电流的抑制，最直接的方式就是降温，这在红外图像传感器比较常见。

对于图像传感器，大家关注的一些主要性能如下：

对于图像传感器而言，其相关性能测试可以参考EMVA1288标准，其是欧洲机器视觉协会（EMVA）于 2004 年 2 月成立的由 Awaiba

与 Basler 牵头制定的一个统一的适合机器视觉行业的相机与图像传感器性能测试标准，其通过建立单元像素数学模型和相机物理模型对相关参数的定义、测定、计算等给出了一个统一的标准。

最后，几句废话。。。

最后说回光电探测器和图像传感器，通常说到这两个，一个对应单个器件，另一个是阵列器件。要从语文上较真挑刺的话，个人认为探测器与传感器也是不同的概念（故意较真一下）。

探测（detection）是对目标信号的特性参数进行定量或者半定量的提取，比如对光而言，其包含振幅、几何相位、传输相位、波长等信息，对应的强度探测器（光功率计）、偏振探测器、光谱探测器、波前探测器。不过目前要实现光的强度以外的信息，传统的探测器需要匹配对应的光学元件，其和电子器件搭配才能实现参数提取，去掉光学部分做全片上的光参数探测是目前的一大研究热点，比如片上光谱探测、片上偏振探测等。

传感（sensor）从定义上说更着重于对目标信号的感知和转化。比如图像传感器中，我们不需要定量知道入射光信号的参数（比如光强具体多少），只需要将其转化为对应图像的明暗即可。

实际上，传感器件和探测器件有的时候大家也并不较真，常常混为一谈，从结构上说是他们确实是同一个东西，只不过分别用不同的词汇描述时其着重点不同，前者强调对信号的‘能感知’，后者强调其对信号的’能测定’，当然这是个人的一些理解。

（小声bb：后来，我在WikiDiff上也查到了对这两个概念的区别的解释）

参考文献/书籍：

[1] 图像传感器集成电路—原理、设计和应用，罗昕

[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:图像传感器与相机性能测试标准