CMOS傳感器
本文著重講cmos圖像傳感器結(jié)構(gòu)，它本是計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)芯片沒(méi)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(jí)的半導(dǎo)體，這兩個(gè)互補(bǔ)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(lái)發(fā)現(xiàn)CMOS經(jīng)過(guò)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(xì)分為被動(dòng)式像素傳感器(Passive Pixel Sensor CMOS)與主動(dòng)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(shí)序控制、模擬信號(hào)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(shí)序控制：控制電信號(hào)的讀出、傳遞。
3、模擬信號(hào)處理（ADC）：對(duì)信號(hào)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(gè)芯片的面積最大，像素陣列是由一個(gè)個(gè)像素組成，它對(duì)應(yīng)到我們看到每張圖片中的每個(gè)像素。每個(gè)像素包括感光區(qū)和讀出電路（后面小節(jié)會(huì)詳細(xì)討論），每個(gè)像素的信號(hào)經(jīng)由模擬信號(hào)處理后，交由ADC進(jìn)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(hào)讀出如下：
1、每個(gè)像素在進(jìn)行reset，進(jìn)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(duì)于每一行像素，一個(gè)個(gè)的激活像素的列選址晶體管。
4、讀出信號(hào)，并進(jìn)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(gè)像素的功能是將感受到的光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)讀出電路轉(zhuǎn)為數(shù)字化信號(hào)，從而完成現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景數(shù)字化的過(guò)程。像素陣列中的每個(gè)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(lái)將光線(xiàn)聚集在像素感光區(qū)的開(kāi)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(hào)串?dāng)_。
2、Color filter：該結(jié)構(gòu)是一個(gè)濾光片，包括紅/綠/藍(lán)三種，分別只能透過(guò)紅色、綠色、藍(lán)色對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光線(xiàn)。該濾光片結(jié)構(gòu)的存在，使得每個(gè)像素只能感應(yīng)一種顏色，另外的兩種顏色分量需要通過(guò)相鄰像素插值得到，即demosaic算法。
3、Metal wiring：可以為金屬排線(xiàn)，用于讀出感光區(qū)的信號(hào)（其實(shí)就是像素內(nèi)部的讀出電路）。
4、Photodiode：即光電信號(hào)轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換出的電信號(hào)會(huì)經(jīng)過(guò)金屬排線(xiàn)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(gè)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(gè)電容的特性，當(dāng)在二極管上加反向偏置電壓時(shí)，就會(huì)給電容充電，當(dāng)電容充滿(mǎn)電荷之后，光子的射入會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部激發(fā)出新的電子 空穴對(duì)，與原來(lái)充電形成的電子空穴對(duì)進(jìn)行配對(duì)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(gè)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(xiàn)，如果我們簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)分成RGB三種頻率的光線(xiàn)，由于RGB的頻率不同，所載有的能量也是不同的。
4、感光過(guò)程
5、讀取過(guò)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(gè)像元由光敏二極管和起垂直開(kāi)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(kāi)關(guān)，在垂直移位寄存器產(chǎn)生的脈沖作用下接通垂直開(kāi)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(hào)的積累過(guò)程。而上述接通偏壓的過(guò)程同時(shí)也是信號(hào)讀出過(guò)程。在負(fù)載上形成的視頻信號(hào)大小正比于該像元上的光照強(qiáng)弱。
cmos圖像傳感器市場(chǎng)
cmos圖像傳感器具有體積小、功耗低等優(yōu)勢(shì)，在cmos圖像傳感器領(lǐng)域占有率達(dá)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(jìn)步，以及雙攝像頭、3D攝像頭陸續(xù)出現(xiàn)并成為智能手機(jī)的新賣(mài)點(diǎn)。再加上汽車(chē)、無(wú)人機(jī)、VR以及AR技術(shù)等新興市場(chǎng)的推動(dòng)，cmos圖像傳感器正迎來(lái)新一輪的產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)高峰。
1、消費(fèi)市場(chǎng)依然占據(jù)主導(dǎo)地位
眾所周知，移動(dòng)端一直是cmos圖像傳感器重要的市場(chǎng)。據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)智能手機(jī)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(wú)疑將迎來(lái)新一輪的爆發(fā)。同時(shí)這將驅(qū)動(dòng)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(jī)交互，這是一個(gè)從成像到傳感和用戶(hù)界面的大轉(zhuǎn)變。
2、汽車(chē)是增長(zhǎng)最快的細(xì)分市場(chǎng)
汽車(chē)電子是cmos圖像傳感器增長(zhǎng)最快的細(xì)分市場(chǎng)，2015年全球銷(xiāo)售額為4.8億美元，占CMOS市場(chǎng)的4.8%，預(yù)計(jì)2020年銷(xiāo)售額可達(dá)18億美元，市場(chǎng)占比將達(dá)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(mǎn)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(shì)席卷醫(yī)療電子應(yīng)用，主要優(yōu)勢(shì)包括：系統(tǒng)集成度更高、動(dòng)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(dòng)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?yàn)閏mos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(jué)、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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