CMOS圖像傳感器基礎知識和參數理解

發表時間:2021-06-19 09:52:38 人氣:166

CMOS圖像傳感器的工作原理:每一個 CMOS 像素都包括感光二極管(Photodiode)、浮動式擴散層(Floating diffusion layer)、傳輸電極門 (Transfer gate)、起放大作用的MOSFET、起像素選擇開關作用的M0SFET.在 CMOS 的曝光階段,感光二極管完成光電轉換,產生信號電荷,曝光結束后,傳輸電極門打開,信號電荷被傳送到浮動式擴散層,由起放大作用的MOSFET電極門來拾取,電荷信號轉換為電壓信號。

 

所以這樣的 CMOS 也就完成了光電轉換、電荷電壓轉換、模擬數字轉換的三大作用,通過它我們就能把光信號轉化為電信號,最終得到數字信號被計算機讀取,這樣,我們就已經擁有了記錄光線明暗的能力,但這還不夠,因為我們需要色彩?,F代彩色CMOS 的原理也很簡單,直接在黑白圖像傳感器的基礎上增加色彩濾波陣列(CFA),從而實現從黑白到彩色的成像。

 

很著名的一種設計就是Bayer CFA(拜耳色彩濾波陣列)。一個很有趣的事就是,我們用來記錄光影的 CMOS, 和我們用來輸出光影的顯示器,原理也剛好是向相反的,CMOS 把光轉化為電信號最后以數字格式記錄,顯示器把解碼的數字格式從電信號重新轉化為光。光電之間的轉換也就構成了我們人類數字影像的基礎。

 

當前主流的CMOS廠商有:索尼、三星、豪威、格科微、思特威、安森美等公司。

 

常見的色彩濾波陣列:RGGB:一個紅光、一個藍光、兩個綠光濾波器。

 

每個像素只能感應一種顏色的光,但是我對外輸出的時候,需要知道這個像素的rgb值,我就只能通過周圍像素去計算,這個計算和轉換是靠ISP去完成的。進從而得出我這個像素的RGB的值,這樣我每個像素雖然只感應了一種光,但是每個像素經過處理后傳輸到外面后就是有RGB的信息了。這些原始的感光數據成為RAW data。


 

RCCC:75% 部分為透傳,其余 25% 為感受紅光的濾波器。RCCC 的優點是光靈敏度高,適用于弱光環境。由于 RCCC 只有紅色光濾波器,因此主要用在對于紅色標識敏感的場合,比如交通燈檢測。


 

RCCB:50% 部分為透傳,其余紅光藍光濾波器各占 25%。RCCB 的弱光敏感性比 RCCC 稍差(Clear 部分少),但它分辨色彩的能力更好,采集的圖像既可以用于機器分析,也可以用于人眼觀察。


 

Mono:100% 透傳,它不能分辨色彩。Mono 配置的弱光靈敏度最高,僅用于對顏色無識別要求的場合,如駕駛員狀態檢測等。


 

幾個重要參數的理解:

1、傳感器尺寸:圖像傳感器的尺寸越大,則成像系統的尺寸越大,捕獲的光子越多,感光性能越好,信噪比越低。目前CMOS圖像傳感器的常見尺寸有1、2/3、1/2、1/3、1/4英寸等。

 

2、像素總數和有效像素數:像素總數是指所有像素的總和,像素總數是衡量CMOS圖像傳感器的主要技術指標之一。CMOS圖像傳感器的總體像素中被用來進行有效的光電轉換并輸出圖像信號的像素為有效像素。顯而易見,有效像素總數隸屬于像素總數集合。有效像素數目直接決定了CMOS圖像傳感器的能力。

 

3、動態范圍:動態范圍由CMOS圖像傳感器的信號處理能力和噪聲決定,反映了CMOS圖像傳感器的工作范圍。其數值是輸出端的信號峰值電壓與均方根噪聲電壓之比,通常用DB表示。

 

4、分辨率:對景物中明暗細節的分辨能力。

 

5、像元尺寸也就是像素的大?。菏侵感酒裨嚵猩系拿總€像素的實際物理尺寸,通常的尺寸包括14um、10um、9um、7um、6.45um、3.75um、3.0um、2.0um、1.75um、1.4um、1.2um、1.0um等,像元尺寸從某種程度上反映了芯片的對光的響應能力,像元尺寸越大,能夠接收到的光子數量越多,在同樣的光照條件和曝光時間內產生的電荷數量越多。對于弱光成像而言,像元尺寸是芯片靈敏度的一種表征。

 

6、靈敏度:靈敏度是芯片的重要參數之一,它具有兩種物理意義。一種是光器件的光電轉換能力,與響應率的意義相同。即芯片的靈敏度指在一定的光譜范圍內,單位曝光量的輸出信號電壓(電流),單位可以為納安/勒克斯nA/Lux、伏/瓦(V/W)、伏/勒克斯(V/Lux)、伏/流明(V/lm)。另一種是指器件所能傳感的對地輻射功率(或照度),與探測率的意義相同,單位可用瓦(w)或勒克斯(Lux)表示。

 

7、壞點數,由于受到制造工藝的限制,對于有幾百萬像素點的傳感器而言,所有的像元都是好的情況幾乎不可能,壞點數是指芯片中壞點(不能有效成像的像元或相應不一致性大于參數允許的范圍的像元)的數量,壞點數是衡量芯片質量的重要參數。

8、光譜效應,指芯片對于不同光波長光線的響應能力。

技術發展趨勢,體積小型化及高像素化仍是業界積極研發的目標。因為像素尺寸小則圖像產品的分辨率越高、清晰度越好、體積越小,其應用面更廣泛。

 

9、CRA角度:從鏡頭的傳感器一側,可以聚焦到像素上的光線的最大角度被定義為主光角(CRA),鏡頭軸心線附近接近零度,與軸心線的距離越大,角度也隨之增大。CRA與像素在傳感器的位置是相關的。如果lens的CRA小于sensor的CRA,一定會有偏色現象。

 

10、動態范圍:測量了圖像傳感器在同一張照片中同時捕獲光明和黑暗物體的能力,通常定義為最亮信號與最暗信號比值的對數。

 

11、IR cut(濾除紅外光)

如果沒有,圖像就會明顯偏紅,這種色差是沒法用軟件來調整的。

 

12、快門

Global Shutter(全局快門)與Rolling Shutter(卷簾快門)對應全局曝光和卷簾曝光模式。卷簾快門逐行曝光的方式,全局快門是全部像素同時曝光,所以全局快門能夠拍運動的物體而不產生形變,因為全局快門在每一個像素上添加了一個存儲單元

 

13、像素技術

FSI:前照式, 光是從前面的金屬控制線之間進入,然后再聚焦在光電檢測器上。

BSI:背照式,光線無需穿過金屬互連層,優勢大,比較有前景。

BSI在低照條件下的成像亮度和清晰度都比FSI有更大的優勢。

傳統的CMOS圖像傳感器是前照式結構的,自上而下分別是透鏡層、濾色片層、線路層、感光元件層。采取這個結構時,光線到達感光元件層時必須經過線路層的開口,這里易造成光線損失。

 

而背照式把感光元件層換到線路層的上面,感光層只保留了感光元件的部分邏輯電路,這樣使光線更加直接的進入感光元件層,減少了光線損失,比如光線反射等。因此在同一單位時間內,單像素能獲取的光能量更大,對畫質有明顯的提升。不過該結構的芯片生產工藝難度加大,良率下降,成本相對高一點。

 

堆棧式(stack):堆棧式是在背照式上的一種改良,是將所有的線路層挪到感光元件的底層,使開口面積得以最大化,同時縮小了芯片的整體面積。對產品小型化有幫助。另外,感光元件周邊的邏輯電路移到底部之后,理論上看邏輯電路對感光元件產生的效果影響就更小,電路噪聲抑制得以優化,整體效果應該更優。業內的朋友應該了解相同像素的堆棧式芯片的物理尺寸是比背照式芯片的要小的。但堆棧式的生產工藝更大,良率更低,成本更高。索尼的IMX214(堆棧式)和IMX135(背照式)或許很能說明上述問題。

 

索尼的STARVIS:基于BSI的應用于監控攝像機的技術,在可見光和近紅外光區域實現高畫質。

索尼的Pregius:將BSI技術和全局快門結合一起。

Tetracelll:四合一像素技術

 

三星的ISOCELL:基于BSI,通過在圖像傳感器里的像素之間形成一道絕物理性絕緣體,來有效的防止進入像素的光信號外漏。

OV的PureCel:基于BSI和先進的4-單元像素內合并模式。

OV的OmniBSI:基于BSI,像素緊湊,減少像素的串擾問題。

思特威的smartGS:基于BSI應用于全局快門。

思特威的SmartPixel?:基于BSI,適用于安防監控行業的Rolling Shutter產品系列。

思特威的SmartClarity?:基于BSI,具備出色的夜視性能。

 

14、傳輸接口

MIPI: 移動行業處理器接口,是MIPI聯盟發起的為移動應用處理器制定的開放標準。串行數據,速度快,抗干擾,主流。

LVDS:低壓差分信號技術接口。

DVP:并口傳輸,速度較慢,傳輸的帶寬低。

Parallel:并行數據,含12位數據信號,行場同步信號和時鐘信號。

HISPI:高速像素接口,串行數據。

SLVS-EC: 由 SONY 公司定義,用于高幀率和高分辨率圖像采集,它可以將高速串行的數據轉化為 DC(Digital Camera)時序后傳遞給下一級模塊 VICAP(Video Capture)。SLVS-EC 串行視頻接口可以提供更高的傳輸帶寬,更低的功耗,在組包方式上,數據的冗余度也更低。在應用中 SLVS-EC 接口提供了更加可靠和穩定的傳輸。

 

15、封裝

BGA: 球形觸點陳列,表面貼裝型封裝。球柵網格陣列封裝.

LGA: 平面網格陣列封裝.

PGA: 插針網格陣列封裝.

CSP: 芯片級封裝的意思.

COB: 將裸芯片用導電或非導電膠粘附在互連基板上,然后進行引線鍵合實現其電連接。

Fan-out:扇出晶圓級封裝。

PLCC:帶引線的塑料芯片載體.表面貼裝型封裝。

TSV: TSV技術本質上并不是一種封裝技術方案,而只是一種重要的工具,它允許半導體裸片和晶圓以較高的密度互連在一起。


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