CMOS傳感器
本文著重講cmos圖像傳感器結構，它本是計算機系統(tǒng)內(nèi)一種重要的芯片，保存了系統(tǒng)引導最基本的資料。CMOS的制造技術和一般計算機芯片沒什么差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在CMOS上共存著帶N（帶-電）和P（帶+電）級的半導體，這兩個互補效應所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片記錄和解讀成影像。
后來發(fā)現(xiàn)CMOS經(jīng)過加工也可以作為數(shù)碼攝影中的圖像傳感器，CMOS傳感器也可細分為被動式像素傳感器(Passive Pixel Sensor CMOS)與主動式像素傳感器(Active Pixel Sensor CMOS)。
cmos圖像傳感器結構-圖像傳感器整體架構
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）、時序控制、模擬信號處理以及模數(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、時序控制：控制電信號的讀出、傳遞。
3、模擬信號處理（ADC）：對信號去噪。（如用CDS去除reset noise、fpn等）
CMOS傳感器示例
其中，像素陣列占整個芯片的面積最大，像素陣列是由一個個像素組成，它對應到我們看到每張圖片中的每個像素。每個像素包括感光區(qū)和讀出電路（后面小節(jié)會詳細討論），每個像素的信號經(jīng)由模擬信號處理后，交由ADC進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后即可輸出到數(shù)字處理模塊。像素陣列的信號讀出如下：
1、每個像素在進行reset，進行曝光。
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，對于每一行像素，一個個的激活像素的列選址晶體管。
4、讀出信號，并進行放大。
cmos圖像傳感器結構-像素結構
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。每個像素的功能是將感受到的光轉(zhuǎn)換為電信號，通過讀出電路轉(zhuǎn)為數(shù)字化信號，從而完成現(xiàn)實場景數(shù)字化的過程。像素陣列中的每個像素結構是一樣的，如下圖是典型的前照式像素結構，其主要結構包括：
1、On-chip-lens:該結構可以理解為在感光元件上覆蓋的一層微透鏡陣列，它用來將光線聚集在像素感光區(qū)的開口上。可以增加光電轉(zhuǎn)化效率，減少相鄰像素之間的光信號串擾。
2、Color filter：該結構是一個濾光片，包括紅/綠/藍三種，分別只能透過紅色、綠色、藍色對應波長的光線。該濾光片結構的存在，使得每個像素只能感應一種顏色，另外的兩種顏色分量需要通過相鄰像素插值得到，即demosaic算法。
3、Metal wiring：可以為金屬排線，用于讀出感光區(qū)的信號（其實就是像素內(nèi)部的讀出電路）。
4、Photodiode：即光電信號轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換出的電信號會經(jīng)過金屬排線讀出。
像素結構
cmos圖像傳感器結構-內(nèi)部結構及工作原理
1. CMOS sensor內(nèi)部結構
2.CMOS sensor整個平面構造圖（floorplan）
光電二極管具有正向?qū)ǚ聪蚪刂沟奶厥猓聪虻奶匦赃€有個電容的特性，當在二極管上加反向偏置電壓時，就會給電容充電，當電容充滿電荷之后，光子的射入會導致內(nèi)部激發(fā)出新的電子 空穴對，與原來充電形成的電子空穴對進行配對放電，形成光電流I_ph，光電流I_ph給右側的電容充電變成一個電壓輸出。
3.光子（Photon）與量子效率(quantum efficiency)
自然界中有不同頻率的光線，如果我們簡單來說分成RGB三種頻率的光線，由于RGB的頻率不同，所載有的能量也是不同的。
4、感光過程
5、讀取過程
CMOS圖像傳感器陣列結構
下圖所示的是CMOS像敏元陣列結構，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。每個像元由光敏二極管和起垂直開關作用的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關，在垂直移位寄存器產(chǎn)生的脈沖作用下接通垂直開關，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)生載流子使結電容放電，這就是積分期間信號的積累過程。而上述接通偏壓的過程同時也是信號讀出過程。在負載上形成的視頻信號大小正比于該像元上的光照強弱。
cmos圖像傳感器市場
cmos圖像傳感器具有體積小、功耗低等優(yōu)勢，在cmos圖像傳感器領域占有率達到90%。隨著背照式和堆棧式技術等新型CMOS圖像傳感器技術的進步，以及雙攝像頭、3D攝像頭陸續(xù)出現(xiàn)并成為智能手機的新賣點。再加上汽車、無人機、VR以及AR技術等新興市場的推動，cmos圖像傳感器正迎來新一輪的產(chǎn)業(yè)成長高峰。
1、消費市場依然占據(jù)主導地位
眾所周知，移動端一直是cmos圖像傳感器重要的市場。據(jù)預測，未來智能手機中將廣泛采用雙攝像頭和3D攝像頭，隨著這兩種應用的普及，CMOS無疑將迎來新一輪的爆發(fā)。同時這將驅(qū)動著cmos圖像傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)生變化，從成像質(zhì)量到人機交互，這是一個從成像到傳感和用戶界面的大轉(zhuǎn)變。
2、汽車是增長最快的細分市場
汽車電子是cmos圖像傳感器增長最快的細分市場，2015年全球銷售額為4.8億美元，占CMOS市場的4.8%，預計2020年銷售額可達18億美元，市場占比將達到11%。
3、醫(yī)療應用需求涌現(xiàn)
傳統(tǒng)的電荷耦合設備（CCD）圖像傳感器技術已不能滿足醫(yī)療圖像抓取應用的需要。cmos圖像傳感器憑借其六大優(yōu)勢席卷醫(yī)療電子應用，主要優(yōu)勢包括：系統(tǒng)集成度更高、動力要求較低、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)窺鏡均因為cmos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，廣泛應用于工業(yè)視覺、科學研究、航天軍事及醫(yī)療儀器相關領域。
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