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cmos图像传感器结构图文等详解-cmos图像传感器市场-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2019-10-23 

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cmos图像传感器结构图文等详解-cmos图像传感器市场

CMOS传感器

本文着重讲cmos图像传感器结构,它本是计算机系统内一种重要的芯片,保存了系统引导最基本的资料。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别,主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体,使其在CMOS上共存着带N(带-电)和P(带+电)级的半导体,这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像。


后来发现CMOS经过加工也可以作为数码摄影中的图像传感器,CMOS传感器也可细分为被动式像素传感器(Passive Pixel Sensor CMOS)与主动式像素传感器(Active Pixel Sensor CMOS)。


cmos图像传感器结构


cmos图像传感器结构-图像传感器整体架构

CMOS图像传感器本质是一块芯片,主要包括:感光区阵列(Bayer阵列,或叫像素阵列)、时序控制、模拟信号处理以及模数转换等模块(如下图)。其中,各模块的作用分别为:


1、像素阵列:完成光电转换,将光子转换为电子。


2、时序控制:控制电信号的读出、传递。


3、模拟信号处理(ADC):对信号去噪。(如用CDS去除reset noise、fpn等)


cmos图像传感器结构

CMOS传感器示例


其中,像素阵列占整个芯片的面积最大,像素阵列是由一个个像素组成,它对应到我们看到每张图片中的每个像素。每个像素包括感光区和读出电路(后面小节会详细讨论),每个像素的信号经由模拟信号处理后,交由ADC进行模数转换后即可输出到数字处理模块。像素阵列的信号读出如下:


1、每个像素在进行reset,进行曝光。


2、行扫描寄存器,一行一行的激活像素阵列中的行选址晶体管。


3、列扫描寄存器,对于每一行像素,一个个的激活像素的列选址晶体管。


4、读出信号,并进行放大。


cmos图像传感器结构-像素结构

CMOS传感器上的主要部件是像素阵列,这是其与传统芯片的主要区别。每个像素的功能是将感受到的光转换为电信号,通过读出电路转为数字化信号,从而完成现实场景数字化的过程。像素阵列中的每个像素结构是一样的,如下图是典型的前照式像素结构,其主要结构包括:


1、On-chip-lens:该结构可以理解为在感光元件上覆盖的一层微透镜阵列,它用来将光线聚集在像素感光区的开口上。可以增加光电转化效率,减少相邻像素之间的光信号串扰。


2、Color filter:该结构是一个滤光片,包括红/绿/蓝三种,分别只能透过红色、绿色、蓝色对应波长的光线。该滤光片结构的存在,使得每个像素只能感应一种颜色,另外的两种颜色分量需要通过相邻像素插值得到,即demosaic算法。


3、Metal wiring:可以为金属排线,用于读出感光区的信号(其实就是像素内部的读出电路)。


4、Photodiode:即光电信号转换器,其转换出的电信号会经过金属排线读出。


cmos图像传感器结构

像素结构


cmos图像传感器结构-内部结构及工作原理

1. CMOS sensor内部结构


cmos图像传感器结构


2.CMOS sensor整个平面构造图(floorplan)

光电二极管具有正向导通反向截止的特殊,反向的特性还有个电容的特性,当在二极管上加反向偏置电压时,就会给电容充电,当电容充满电荷之后,光子的射入会导致内部激发出新的电子 空穴对,与原来充电形成的电子空穴对进行配对放电,形成光电流I_ph,光电流I_ph给右侧的电容充电变成一个电压输出。


cmos图像传感器结构


3.光子(Photon)与量子效率(quantum efficiency)

自然界中有不同频率的光线,如果我们简单来说分成RGB三种频率的光线,由于RGB的频率不同,所载有的能量也是不同的。


cmos图像传感器结构


4、感光过程


cmos图像传感器结构


5、读取过程


cmos图像传感器结构


CMOS图像传感器阵列结构

下图所示的是CMOS像敏元阵列结构,它由水平移位寄存器、垂直移位寄存器和CMOS像敏元阵列组成,下图是CMOS摄像器件的原理框图。


cmos图像传感器结构


水平移位寄存器从左至右顺次地接通起水平扫描作用的MOS晶体管,也就是寻址列的作用,垂直移位寄存器顺次地寻址列阵的各行。每个像元由光敏二极管和起垂直开关作用的MOS晶体管组成,在水平移位寄存器产生的脉冲作用下顺次接通水平开关,在垂直移位寄存器产生的脉冲作用下接通垂直开关,于是顺次给像元的光敏二极管加上参考电压(偏压)。


被光照的二极管产生载流子使结电容放电,这就是积分期间信号的积累过程。而上述接通偏压的过程同时也是信号读出过程。在负载上形成的视频信号大小正比于该像元上的光照强弱。


cmos图像传感器市场

cmos图像传感器具有体积小、功耗低等优势,在cmos图像传感器领域占有率达到90%。随着背照式和堆栈式技术等新型CMOS图像传感器技术的进步,以及双摄像头、3D摄像头陆续出现并成为智能手机的新卖点。再加上汽车、无人机、VR以及AR技术等新兴市场的推动,cmos图像传感器正迎来新一轮的产业成长高峰。


1、消费市场依然占据主导地位

众所周知,移动端一直是cmos图像传感器重要的市场。据预测,未来智能手机中将广泛采用双摄像头和3D摄像头,随着这两种应用的普及,CMOS无疑将迎来新一轮的爆发。同时这将驱动着cmos图像传感器产业发生变化,从成像质量到人机交互,这是一个从成像到传感和用户界面的大转变。


2、汽车是增长最快的细分市场

汽车电子是cmos图像传感器增长最快的细分市场,2015年全球销售额为4.8亿美元,占CMOS市场的4.8%,预计2020年销售额可达18亿美元,市场占比将达到11%。


3、医疗应用需求涌现

传统的电荷耦合设备(CCD)图像传感器技术已不能满足医疗图像抓取应用的需要。cmos图像传感器凭借其六大优势席卷医疗电子应用,主要优势包括:系统集成度更高、动力要求较低、图像抓取功能更为灵活、界面智能化程度更高、动态范围更大、感光度更高。一些常用的医疗器械如医疗内窥镜均因为cmos图像传感器使得性能有大幅度提升。


4、面型图像传感器

包含CMV、CHR系列产品,广泛应用于工业视觉、科学研究、航天军事及医疗仪器相关领域。


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