[发明专利]硅基混成CMOS-APD图像传感器系统

说明书

本发明公开一种硅基混成CMOS‑APD图像传感器系统，包括：APD探测器阵列及CMOS读出电路；所述CMOS读出电路包括像素单元阵列、列级信号处理电路及数字图像处理电路，所述APD探测器阵列工作在线性模式，用于实现光电信号的转换和倍增，所述CMOS读出电路用于完成倍增后信号的积分和读出。本发明所述的CMOS‑APD图像感器系统可在极低照度条件下成像并同时满足大动态范围、高灵敏度、高帧频指标。

技术领域

本发明属于一种图像传感器，具体涉及一种硅基混成CMOS-APD图像传感器系统。

背景技术

低照度CMOS成像技术是高灵敏度的微光探测领域的重要技术方向。现有市场上号称能实现低照度成像的CMOS产品，均是采用传统的CIS像素结构，无法实现极低照度下的成像。传统的CIS像素结构由于未能在感光像元上做特殊设计，因此其都是基于帧积累的模式，即加大曝光时间，从而来达到实现夜晚成像的目的。然而帧积累模式必然使帧频在原有基础上降低，无法满足高帧频需求。

APD探测器有两种工作模式：线性工作模式和盖格工作模式。线性工作模式具备测距和和测光强的功能，盖格工作模式具备探测单光子的能力，通常应用于3D测距成像。线性工作模式下采用固定反偏偏置，低于反偏击穿电压，此工作点条件下，虽然APD电流增益较雪崩模式下小，但远大于暗电流增益，可以获得较高的信噪比，适合在低照度条件下的凝视成像应用。

国外有采用标准CMOS工艺开发单片集成的APD-CMOS传感器，该架构方式中感光元和读出电路用同一工艺制程，其中感光像元考虑满阱容量时需要相对大尺寸的存储节点，而读出电路的帧率提供对工艺有小线宽需求，两者之间存在矛盾，因此这种架构方式无法将同时将CMOS图像传感器的灵敏度、动态范围和帧率优化到最佳。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种新型的可在极低照度条件下同时满足大动态范围、高灵敏度、高帧频的CMOS-APD图像感器系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种硅基混成CMOS-APD图像传感器系统，包括：APD探测器阵列及CMOS读出电路；所述APD探测器阵列工作在线性模式，用于实现光电信号的转换和倍增，所述CMOS读出电路用于完成倍增后信号的积分和读出，；所述APD探测器阵列包括若干像素单元，每一像素单元包括感光区、倍增区、阴阳电极、保护环、截止环和背面响应增强微结构，该像素单元通过阴阳极设置其反偏电压，使其工作在接近雪崩区的工作点；当入射光到达感光区后产生光生电荷，之后进入雪崩区经过倍增效应使光生电荷放大，获得在低光照下成像的光生电荷；所述CMOS读出电路包括像素单元阵列、列级信号处理电路及数字图像处理电路；所述APD探测器阵列由硅基材料制成，其通过铟柱倒焊互连的方式与CMOS读出电路相连，所述像素单元阵列用于实现APD倍增信号的读出，且在像素内可实现相关双采样，所述列级信号处理电路采用并行AD结构以实现图像信号模式转换，所述数字图像处理电路用于对经过AD转换后的信号进行低噪声图像处理，并通过LVDS通道输出。

其中，所述APD探测器阵列中的每一单元对应与CMOS读出电路的像素单元阵列中的每一单元通过铟柱实现电性连接。

其中，所述列级信号处理电路分别采样复位信号和积分信号，并将两个信号相减，实现相关双采样功能。