CMOS圖像傳感器技術(shù)簡介

CMOS圖像傳感器

CMOS圖像傳感器（CIS）是模擬電路和數(shù)字電路的集成。主要由四個(gè)組件構(gòu)成：微透鏡、彩色濾光片 （CF）、光電二極管（PD）、像素設(shè)計(jì)。

1.微透鏡：具有球形表面和網(wǎng)狀透鏡；光通過微透鏡時(shí)，CIS的非活性部分負(fù)責(zé)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(lán) （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(zhuǎn)換器件，捕捉光并轉(zhuǎn)換成電流；一般采用PIN二極管或PN結(jié)器件制成。

4.像素設(shè)計(jì)：通過CIS上裝配的有源像素傳感器（APS）實(shí)現(xiàn)。APS常由3至6個(gè)晶體管構(gòu)成，可從大型電容陣列中獲得或緩沖像素，并在像素內(nèi)部將光電流轉(zhuǎn)換成電壓，具有較完美的靈敏度水平和的噪聲指標(biāo)。

Bayer陣列濾鏡與像素

1.感光元件上的每個(gè)方塊代表一個(gè)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(jīng)典的Bayer陣列是以2x2共四格分散RGB的方式成像，Quad Bayer陣列擴(kuò)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(diǎn)數(shù)量，是數(shù)碼顯示的基本單位，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)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(lán)）三原色填充，每個(gè)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(gè)小方塊與感光元件的像素塊對(duì)應(yīng)，也就是在每個(gè)像素前覆蓋了一個(gè)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(duì)應(yīng)的這個(gè)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(shù)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(qū)，大量金屬連線的存在對(duì)進(jìn)入傳感器表面的光線存在較大的干擾，阻礙了相當(dāng)一部分光線進(jìn)入到下一層的光電二極管（PD），信噪比較低。技術(shù)改進(jìn)后，在背面照度技術(shù)BSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED）的結(jié)構(gòu)下，金屬（鋁，銅）區(qū)轉(zhuǎn)移到光電二極管（PD）的背面，意味著經(jīng)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(jìn)入光電二極管；BSI不僅可大幅度提高信噪比，且可配合更復(fù)雜、更大規(guī)模電路來提升傳感器讀取速度。

CIS參數(shù)——幀率

幀率（Frame rate）：以幀為單位的位圖圖像連續(xù)出現(xiàn)在顯示器上的頻率，即每秒能顯示多少張圖片。而想要實(shí)現(xiàn)高像素CIS的設(shè)計(jì)，很重要的一點(diǎn)就是Analog電路設(shè)計(jì)，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(fā)布了首款Exmor傳感器。Exmor傳感器在每列像素下方布有獨(dú)立的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，這意味著在CIS芯片上即可完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，有效減少了噪聲，大大提高了讀取速度，也簡化了PCB設(shè)計(jì)。

CMOS圖像傳感器的應(yīng)用

CMOS圖像傳感器全球市場規(guī)模

2017年為CMOS圖像傳感器高增長點(diǎn)，同比增長達(dá)到20%。2018年，全球CIS市場規(guī)模155億美元，預(yù)計(jì)2019年同比增長10%，達(dá)到170億美元。

目前，CIS市場正處于穩(wěn)定增長期，預(yù)計(jì)2024年市場逐漸飽和，市場規(guī)模達(dá)到240億美元。

CIS應(yīng)用——車載領(lǐng)域

1.車載領(lǐng)域的CIS應(yīng)用包括：后視攝像（RVC），全方位視圖系統(tǒng)（SVS），攝像機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（CMS），F(xiàn)V/MV，DMS/IMS系統(tǒng)。

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(wěn)定增長趨勢，2016年全球銷量為5100萬臺(tái)，2018年為6000萬臺(tái)，2019年達(dá)到6500萬臺(tái)，2020年超過7000萬臺(tái)。

4.FV/MV全球銷量增長迅速，2016年為1000萬臺(tái)，2018年為3000萬臺(tái)，此后，預(yù)計(jì)FV/MV將依舊保持迅速增長趨勢，019年銷量4000萬臺(tái)，2021達(dá)7500萬臺(tái)，直逼RVC全球銷量。

車載領(lǐng)域——HDR技術(shù)方法

1.HDR解決方案，即高動(dòng)態(tài)范圍成像，是用來實(shí)現(xiàn)比普通數(shù)位圖像技術(shù)更大曝光動(dòng)態(tài)范圍。

2.時(shí)間復(fù)用。相同的像素陣列通過使用多個(gè)卷簾（交錯(cuò)HDR）來描繪多個(gè)邊框。好處：HDR方案是與傳統(tǒng)傳感 器兼容的最簡單的像素技術(shù)。缺點(diǎn)：不同時(shí)間發(fā)生的捕獲導(dǎo)致產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽影。

3.空間復(fù)用。單個(gè)像素陣列幀被分解為多個(gè)，通過不同的方法捕獲：1.像素或行級(jí)別的獨(dú)立曝光控制。優(yōu)點(diǎn)：單幀中的運(yùn)動(dòng)偽影比交錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)偽影少。缺點(diǎn)：分辨率損失，且運(yùn)動(dòng)偽影仍然存在邊緣。2.每個(gè)像素共用同一微透鏡的多個(gè)光電二極管。優(yōu)點(diǎn)：在單個(gè)多捕獲幀中沒有運(yùn)動(dòng)偽影；缺點(diǎn)：從等效像素區(qū)域降低靈敏度。

4.非常大的全井產(chǎn)能。

審核編輯：郭婷