CMOS圖像傳感器技術簡介
CMOS圖像傳感器
CMOS圖像傳感器(CIS)是模擬電路和數字電路的集成。主要由四個組件構成:微透鏡、彩色濾光片 (CF)、光電二極管(PD)、像素設計。
1.微透鏡:具有球形表面和網狀透鏡;光通過微透鏡時,CIS的非活性部分負責將光收集起來并將其聚焦到彩色濾光片。
2.彩色濾光片(CF):拆分反射光中的紅、綠、藍 (RGB)成分,并通過感光元件形成拜爾陣列濾鏡。
3.光電二極管(PD):作為光電轉換器件,捕捉光并轉換成電流;一般采用PIN二極管或PN結器件制成。
4.像素設計:通過CIS上裝配的有源像素傳感器(APS)實現。APS常由3至6個晶體管構成,可從大型電容陣列中獲得或緩沖像素,并在像素內部將光電流轉換成電壓,具有較完美的靈敏度水平和的噪聲指標。
Bayer陣列濾鏡與像素
1.感光元件上的每個方塊代表一個像素塊,上方附著著一層彩色濾光片(CF),CF拆分完反射光中的RGB成分后,通過感光元件形成拜爾陣列濾鏡。經典的Bayer陣列是以2x2共四格分散RGB的方式成像,Quad Bayer陣列擴大到了4x4,并且以2x2的方式將RGB相鄰排列。
2.像素,即亮光或暗光條件下的像素點數量,是數碼顯示的基本單位,其實質是一個抽象的取樣,我們用彩色方塊來表示。
3.圖示像素用R(紅)G(綠)B(藍)三原色填充,每個小像素塊的長度指的是像素尺寸,圖示尺寸為0.8μm。
Bayer陣列濾鏡與像素
濾鏡上每個小方塊與感光元件的像素塊對應,也就是在每個像素前覆蓋了一個特定的顏色濾鏡。比如紅色濾鏡塊,只允許紅色光線投到感光元件上,那么對應的這個像素塊就只反映紅色光線的信息。隨后還需要后期色彩還原去猜色,最后形成一張完整的彩色照片。感光元件→Bayer濾鏡→色彩還原,這一整套流程,就叫做Bayer陣列。
前照式(FSI)與背照式(BSI)
早期的CIS采用的是前面照度技術FSI(FRONT-SIDE ILLUMINATED),拜爾陣列濾鏡與光電二極管(PD)間夾雜著金屬(鋁,銅)區,大量金屬連線的存在對進入傳感器表面的光線存在較大的干擾,阻礙了相當一部分光線進入到下一層的光電二極管(PD),信噪比較低。技術改進后,在背面照度技術BSI(FRONT-SIDE ILLUMINATED)的結構下,金屬(鋁,銅)區轉移到光電二極管(PD)的背面,意味著經拜爾陣列濾鏡收集的光線不再眾多金屬連線阻擋,光線得以直接進入光電二極管;BSI不僅可大幅度提高信噪比,且可配合更復雜、更大規模電路來提升傳感器讀取速度。
CIS參數——幀率
幀率(Frame rate):以幀為單位的位圖圖像連續出現在顯示器上的頻率,即每秒能顯示多少張圖片。而想要實現高像素CIS的設計,很重要的一點就是Analog電路設計,像素上去了,沒有匹配的高速讀出和處理電路,便無辦法以高幀率輸出出來。
索尼早于2007年chuan‘gan發布了首款Exmor傳感器。Exmor傳感器在每列像素下方布有獨立的ADC模數轉換器,這意味著在CIS芯片上即可完成模數轉換,有效減少了噪聲,大大提高了讀取速度,也簡化了PCB設計。
CMOS圖像傳感器的應用
CMOS圖像傳感器全球市場規模
2017年為CMOS圖像傳感器高增長點,同比增長達到20%。2018年,全球CIS市場規模155億美元,預計2019年同比增長10%,達到170億美元。
目前,CIS市場正處于穩定增長期,預計2024年市場逐漸飽和,市場規模達到240億美元。
CIS應用——車載領域
1.車載領域的CIS應用包括:后視攝像(RVC),全方位視圖系統(SVS),攝像機監控系統(CMS),FV/MV,DMS/IMS系統。
2.汽車圖像傳感器全球銷量呈逐年增長趨勢。
3.后視攝像(RVC)是銷量主力軍,呈穩定增長趨勢,2016年全球銷量為5100萬臺,2018年為6000萬臺,2019年達到6500萬臺,2020年超過7000萬臺。
4.FV/MV全球銷量增長迅速,2016年為1000萬臺,2018年為3000萬臺,此后,預計FV/MV將依舊保持迅速增長趨勢,019年銷量4000萬臺,2021達7500萬臺,直逼RVC全球銷量。
車載領域——HDR技術方法
1.HDR解決方案,即高動態范圍成像,是用來實現比普通數位圖像技術更大曝光動態范圍。
2.時間復用。相同的像素陣列通過使用多個卷簾(交錯HDR)來描繪多個邊框。好處:HDR方案是與傳統傳感 器兼容的最簡單的像素技術。缺點:不同時間發生的捕獲導致產生運動偽影。
3.空間復用。單個像素陣列幀被分解為多個,通過不同的方法捕獲:1.像素或行級別的獨立曝光控制。優點:單幀中的運動偽影比交錯的運動偽影少。缺點:分辨率損失,且運動偽影仍然存在邊緣。2.每個像素共用同一微透鏡的多個光電二極管。優點:在單個多捕獲幀中沒有運動偽影;缺點:從等效像素區域降低靈敏度。
4.非常大的全井產能。
審核編輯:郭婷
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原文標題:【檔案室】一文讀懂CMOS圖像傳感器
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