CMOS傳感器
本文著重講cmos圖像傳感器結(jié)構(gòu),它本是計算機系統(tǒng)內(nèi)一種重要的芯片,保存了系統(tǒng)引導(dǎo)最基本的資料。CMOS的制造技術(shù)和一般計算機芯片沒什么差別,主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導(dǎo)體,使其在CMOS上共存著帶N(帶-電)和P(帶+電)級的半導(dǎo)體,這兩個互補效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片記錄和解讀成影像。
后來發(fā)現(xiàn)CMOS經(jīng)過加工也可以作為數(shù)碼攝影中的圖像傳感器,CMOS傳感器也可細分為被動式像素傳感器(Passive Pixel Sensor CMOS)與主動式像素傳感器(Active Pixel Sensor CMOS)。
cmos圖像傳感器結(jié)構(gòu)-圖像傳感器整體架構(gòu)
CMOS圖像傳感器本質(zhì)是一塊芯片,主要包括:感光區(qū)陣列(Bayer陣列,或叫像素陣列)、時序控制、模擬信號處理以及模數(shù)轉(zhuǎn)換等模塊(如下圖)。其中,各模塊的作用分別為:
1、像素陣列:完成光電轉(zhuǎn)換,將光子轉(zhuǎn)換為電子。
2、時序控制:控制電信號的讀出、傳遞。
3、模擬信號處理(ADC):對信號去噪。(如用CDS去除reset noise、fpn等)
CMOS傳感器示例
其中,像素陣列占整個芯片的面積最大,像素陣列是由一個個像素組成,它對應(yīng)到我們看到每張圖片中的每個像素。每個像素包括感光區(qū)和讀出電路(后面小節(jié)會詳細討論),每個像素的信號經(jīng)由模擬信號處理后,交由ADC進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后即可輸出到數(shù)字處理模塊。像素陣列的信號讀出如下:
1、每個像素在進行reset,進行曝光。
2、行掃描寄存器,一行一行的激活像素陣列中的行選址晶體管。
3、列掃描寄存器,對于每一行像素,一個個的激活像素的列選址晶體管。
4、讀出信號,并進行放大。
cmos圖像傳感器結(jié)構(gòu)-像素結(jié)構(gòu)
CMOS傳感器上的主要部件是像素陣列,這是其與傳統(tǒng)芯片的主要區(qū)別。每個像素的功能是將感受到的光轉(zhuǎn)換為電信號,通過讀出電路轉(zhuǎn)為數(shù)字化信號,從而完成現(xiàn)實場景數(shù)字化的過程。像素陣列中的每個像素結(jié)構(gòu)是一樣的,如下圖是典型的前照式像素結(jié)構(gòu),其主要結(jié)構(gòu)包括:
1、On-chip-lens:該結(jié)構(gòu)可以理解為在感光元件上覆蓋的一層微透鏡陣列,它用來將光線聚集在像素感光區(qū)的開口上。可以增加光電轉(zhuǎn)化效率,減少相鄰像素之間的光信號串?dāng)_。
2、Color filter:該結(jié)構(gòu)是一個濾光片,包括紅/綠/藍三種,分別只能透過紅色、綠色、藍色對應(yīng)波長的光線。該濾光片結(jié)構(gòu)的存在,使得每個像素只能感應(yīng)一種顏色,另外的兩種顏色分量需要通過相鄰像素插值得到,即demosaic算法。
3、Metal wiring:可以為金屬排線,用于讀出感光區(qū)的信號(其實就是像素內(nèi)部的讀出電路)。
4、Photodiode:即光電信號轉(zhuǎn)換器,其轉(zhuǎn)換出的電信號會經(jīng)過金屬排線讀出。
像素結(jié)構(gòu)
cmos圖像傳感器結(jié)構(gòu)-內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理
1. CMOS sensor內(nèi)部結(jié)構(gòu)
2.CMOS sensor整個平面構(gòu)造圖(floorplan)
光電二極管具有正向?qū)ǚ聪蚪刂沟奶厥猓聪虻奶匦赃€有個電容的特性,當(dāng)在二極管上加反向偏置電壓時,就會給電容充電,當(dāng)電容充滿電荷之后,光子的射入會導(dǎo)致內(nèi)部激發(fā)出新的電子 空穴對,與原來充電形成的電子空穴對進行配對放電,形成光電流I_ph,光電流I_ph給右側(cè)的電容充電變成一個電壓輸出。
3.光子(Photon)與量子效率(quantum efficiency)
自然界中有不同頻率的光線,如果我們簡單來說分成RGB三種頻率的光線,由于RGB的頻率不同,所載有的能量也是不同的。
4、感光過程
5、讀取過程
CMOS圖像傳感器陣列結(jié)構(gòu)
下圖所示的是CMOS像敏元陣列結(jié)構(gòu),它由水平移位寄存器、垂直移位寄存器和CMOS像敏元陣列組成,下圖是CMOS攝像器件的原理框圖。
水平移位寄存器從左至右順次地接通起水平掃描作用的MOS晶體管,也就是尋址列的作用,垂直移位寄存器順次地尋址列陣的各行。每個像元由光敏二極管和起垂直開關(guān)作用的MOS晶體管組成,在水平移位寄存器產(chǎn)生的脈沖作用下順次接通水平開關(guān),在垂直移位寄存器產(chǎn)生的脈沖作用下接通垂直開關(guān),于是順次給像元的光敏二極管加上參考電壓(偏壓)。
被光照的二極管產(chǎn)生載流子使結(jié)電容放電,這就是積分期間信號的積累過程。而上述接通偏壓的過程同時也是信號讀出過程。在負載上形成的視頻信號大小正比于該像元上的光照強弱。
cmos圖像傳感器市場
cmos圖像傳感器具有體積小、功耗低等優(yōu)勢,在cmos圖像傳感器領(lǐng)域占有率達到90%。隨著背照式和堆棧式技術(shù)等新型CMOS圖像傳感器技術(shù)的進步,以及雙攝像頭、3D攝像頭陸續(xù)出現(xiàn)并成為智能手機的新賣點。再加上汽車、無人機、VR以及AR技術(shù)等新興市場的推動,cmos圖像傳感器正迎來新一輪的產(chǎn)業(yè)成長高峰。
1、消費市場依然占據(jù)主導(dǎo)地位
眾所周知,移動端一直是cmos圖像傳感器重要的市場。據(jù)預(yù)測,未來智能手機中將廣泛采用雙攝像頭和3D攝像頭,隨著這兩種應(yīng)用的普及,CMOS無疑將迎來新一輪的爆發(fā)。同時這將驅(qū)動著cmos圖像傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)生變化,從成像質(zhì)量到人機交互,這是一個從成像到傳感和用戶界面的大轉(zhuǎn)變。
2、汽車是增長最快的細分市場
汽車電子是cmos圖像傳感器增長最快的細分市場,2015年全球銷售額為4.8億美元,占CMOS市場的4.8%,預(yù)計2020年銷售額可達18億美元,市場占比將達到11%。
3、醫(yī)療應(yīng)用需求涌現(xiàn)
傳統(tǒng)的電荷耦合設(shè)備(CCD)圖像傳感器技術(shù)已不能滿足醫(yī)療圖像抓取應(yīng)用的需要。cmos圖像傳感器憑借其六大優(yōu)勢席卷醫(yī)療電子應(yīng)用,主要優(yōu)勢包括:系統(tǒng)集成度更高、動力要求較低、圖像抓取功能更為靈活、界面智能化程度更高、動態(tài)范圍更大、感光度更高。一些常用的醫(yī)療器械如醫(yī)療內(nèi)窺鏡均因為cmos圖像傳感器使得性能有大幅度提升。
4、面型圖像傳感器
包含CMV、CHR系列產(chǎn)品,廣泛應(yīng)用于工業(yè)視覺、科學(xué)研究、航天軍事及醫(yī)療儀器相關(guān)領(lǐng)域。
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