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(ben)文着重讲cmos图(tu)像(xiang)传(chuan)感(gan)器结构(gou)，它本(ben)是计(ji)算(suan)机系统内一(yi)种重要(yao)的(de)(de)芯片，保存(cun)了系统引导(dao)(dao)(dao)最基本(ben)的(de)(de)资料。CMOS的(de)(de)制造技术和一(yi)般计(ji)算(suan)机芯片没什么差别，主要(yao)是利用硅和锗这两(liang)种元(yuan)素所做成的(de)(de)半(ban)导(dao)(dao)(dao)体，使其(qi)在CMOS上共存(cun)着带N（带-电）和P（带+电）级(ji)的(de)(de)半(ban)导(dao)(dao)(dao)体，这两(liang)个(ge)互补效应所产生的(de)(de)电流即可被处(chu)理芯片记录和解读(du)成影像(xiang)。

后来发现CMOS经过加(jia)工也可(ke)以作为数码摄影中的图像传感器(qi)，CMOS传感器(qi)也可(ke)细分为被动(dong)式(shi)像素传感器(qi)(Passive Pixel Sensor CMOS)与主动(dong)式(shi)像素传感器(qi)(Active Pixel Sensor CMOS)。

cmos图像传感器结构-图像传感器整体架构

CMOS图(tu)像传(chuan)感器(qi)本质是一(yi)块芯片，主要(yao)包(bao)括：感光区阵列（Bayer阵列，或叫像素阵列）、时序(xu)控(kong)制、模拟信号处理以及模数(shu)转换等模块（如(ru)下图(tu)）。其中，各模块的作用分别(bie)为：

1、像素阵(zhen)列：完(wan)成光电转(zhuan)换，将(jiang)光子(zi)转(zhuan)换为电子(zi)。

2、时序控制：控制电信号的读(du)出、传递。

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

CMOS传感器示例

其中(zhong)，像(xiang)(xiang)(xiang)素阵(zhen)列(lie)占整个(ge)(ge)(ge)芯片的(de)(de)(de)面积最大，像(xiang)(xiang)(xiang)素阵(zhen)列(lie)是由一个(ge)(ge)(ge)个(ge)(ge)(ge)像(xiang)(xiang)(xiang)素组(zu)成，它对应到我们(men)看到每(mei)张图(tu)片中(zhong)的(de)(de)(de)每(mei)个(ge)(ge)(ge)像(xiang)(xiang)(xiang)素。每(mei)个(ge)(ge)(ge)像(xiang)(xiang)(xiang)素包括(kuo)感(gan)光区和读出(chu)电路（后(hou)面小(xiao)节会详细讨论），每(mei)个(ge)(ge)(ge)像(xiang)(xiang)(xiang)素的(de)(de)(de)信(xin)号(hao)(hao)经由模(mo)拟信(xin)号(hao)(hao)处理后(hou)，交由ADC进行模(mo)数转换(huan)后(hou)即可输出(chu)到数字处理模(mo)块。像(xiang)(xiang)(xiang)素阵(zhen)列(lie)的(de)(de)(de)信(xin)号(hao)(hao)读出(chu)如下：

1、每个像素在进行(xing)reset，进行(xing)曝光(guang)。

2、行(xing)扫描寄存器，一(yi)行(xing)一(yi)行(xing)的激(ji)活像素阵列中的行(xing)选址晶体管(guan)。

3、列扫(sao)描寄存器，对于每(mei)一(yi)行像(xiang)素，一(yi)个个的激活(huo)像(xiang)素的列选(xuan)址晶体(ti)管。

4、读出信号(hao)，并进行放大。

cmos图像传感器结构-像素结构

CMOS传感(gan)器(qi)上的(de)(de)主要部件是(shi)(shi)像(xiang)素(su)阵列，这是(shi)(shi)其(qi)与传统芯片的(de)(de)主要区别。每个(ge)像(xiang)素(su)的(de)(de)功能是(shi)(shi)将感(gan)受到的(de)(de)光(guang)转(zhuan)换为(wei)电(dian)(dian)信号，通过(guo)读出电(dian)(dian)路转(zhuan)为(wei)数字化信号，从而完成现实场景数字化的(de)(de)过(guo)程。像(xiang)素(su)阵列中(zhong)的(de)(de)每个(ge)像(xiang)素(su)结(jie)构是(shi)(shi)一样的(de)(de)，如下图是(shi)(shi)典型的(de)(de)前(qian)照式像(xiang)素(su)结(jie)构，其(qi)主要结(jie)构包(bao)括：

1、On-chip-lens:该(gai)结构可(ke)以理(li)解(jie)为在(zai)感(gan)光元件上(shang)覆(fu)盖(gai)的一层微透(tou)镜阵列，它用(yong)来将光线聚集在(zai)像素感(gan)光区的开口(kou)上(shang)。可(ke)以增加光电转化效率，减少相邻像素之(zhi)间(jian)的光信(xin)号串扰。

2、Color filter：该结(jie)构是一(yi)(yi)个滤光(guang)(guang)片，包括红(hong)/绿/蓝三种(zhong)，分别只能透过红(hong)色(se)、绿色(se)、蓝色(se)对应(ying)波长(zhang)的(de)光(guang)(guang)线(xian)。该滤光(guang)(guang)片结(jie)构的(de)存在，使得(de)每个像素只能感应(ying)一(yi)(yi)种(zhong)颜色(se)，另(ling)外的(de)两种(zhong)颜色(se)分量需要通过相邻(lin)像素插值得(de)到，即demosaic算法。

3、Metal wiring：可以为金属排线(xian)，用于读出感光区的信(xin)号（其实(shi)就(jiu)是像素(su)内部的读出电路）。

4、Photodiode：即光电(dian)信(xin)号转换器，其转换出(chu)(chu)的电(dian)信(xin)号会经过金属排线读出(chu)(chu)。

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

2.CMOS sensor整个平面构造图（floorplan）

光电(dian)(dian)(dian)二极管(guan)具(ju)有正向(xiang)(xiang)(xiang)导(dao)通反向(xiang)(xiang)(xiang)截止的(de)特(te)殊，反向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)特(te)性还有个电(dian)(dian)(dian)容的(de)特(te)性，当(dang)在二极管(guan)上加反向(xiang)(xiang)(xiang)偏(pian)置电(dian)(dian)(dian)压时，就(jiu)会给电(dian)(dian)(dian)容充电(dian)(dian)(dian)，当(dang)电(dian)(dian)(dian)容充满电(dian)(dian)(dian)荷(he)之后，光子的(de)射入(ru)会导(dao)致(zhi)内部激(ji)发出新的(de)电(dian)(dian)(dian)子 空穴(xue)对(dui)，与原(yuan)来充电(dian)(dian)(dian)形成的(de)电(dian)(dian)(dian)子空穴(xue)对(dui)进行配对(dui)放电(dian)(dian)(dian)，形成光电(dian)(dian)(dian)流I_ph，光电(dian)(dian)(dian)流I_ph给右侧的(de)电(dian)(dian)(dian)容充电(dian)(dian)(dian)变成一个电(dian)(dian)(dian)压输出。

3.光子（Photon）与量子效率(quantum efficiency)

自然界中有不(bu)同频率的(de)光线(xian)，如果我们(men)简单来说(shuo)分成RGB三种频率的(de)光线(xian)，由于RGB的(de)频率不(bu)同，所载有的(de)能量也是不(bu)同的(de)。

4、感光过程

5、读取过程

CMOS图像传感器阵列结构

下(xia)图所示的是CMOS像敏元(yuan)(yuan)阵(zhen)(zhen)列结(jie)构，它由水平(ping)移(yi)位寄(ji)存(cun)器(qi)、垂直移(yi)位寄(ji)存(cun)器(qi)和(he)CMOS像敏元(yuan)(yuan)阵(zhen)(zhen)列组成，下(xia)图是CMOS摄像器(qi)件的原理(li)框图。

水(shui)平移位寄存(cun)(cun)器(qi)从左至(zhi)右(you)顺(shun)次(ci)地(di)接(jie)(jie)通起(qi)水(shui)平扫(sao)描(miao)作(zuo)用(yong)(yong)的MOS晶体管，也就(jiu)是(shi)寻址(zhi)(zhi)列(lie)的作(zuo)用(yong)(yong)，垂(chui)(chui)直(zhi)移位寄存(cun)(cun)器(qi)顺(shun)次(ci)地(di)寻址(zhi)(zhi)列(lie)阵的各行。每(mei)个像(xiang)元由(you)光敏二(er)(er)极(ji)管和起(qi)垂(chui)(chui)直(zhi)开(kai)(kai)关(guan)作(zuo)用(yong)(yong)的MOS晶体管组(zu)成，在水(shui)平移位寄存(cun)(cun)器(qi)产(chan)生的脉冲作(zuo)用(yong)(yong)下顺(shun)次(ci)接(jie)(jie)通水(shui)平开(kai)(kai)关(guan)，在垂(chui)(chui)直(zhi)移位寄存(cun)(cun)器(qi)产(chan)生的脉冲作(zuo)用(yong)(yong)下接(jie)(jie)通垂(chui)(chui)直(zhi)开(kai)(kai)关(guan)，于是(shi)顺(shun)次(ci)给像(xiang)元的光敏二(er)(er)极(ji)管加上参考(kao)电(dian)压（偏压）。

被光照(zhao)的(de)二极管(guan)产(chan)生载流子使(shi)结电(dian)容放电(dian)，这就是(shi)积分(fen)期间信号(hao)(hao)的(de)积累过程(cheng)。而上(shang)述接通偏压(ya)的(de)过程(cheng)同时也是(shi)信号(hao)(hao)读出(chu)过程(cheng)。在负载上(shang)形成的(de)视(shi)频(pin)信号(hao)(hao)大小正比于该像元上(shang)的(de)光照(zhao)强弱(ruo)。

cmos图像传感器市场

cmos图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)传感(gan)器(qi)(qi)具有体(ti)积小(xiao)、功耗低等优势(shi)，在cmos图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)传感(gan)器(qi)(qi)领域占有率达到90%。随(sui)着背照式和堆栈式技术(shu)等新(xin)型CMOS图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)传感(gan)器(qi)(qi)技术(shu)的(de)进步，以及双摄(she)像(xiang)(xiang)头、3D摄(she)像(xiang)(xiang)头陆续(xu)出现并成(cheng)(cheng)为(wei)智能手机(ji)的(de)新(xin)卖(mai)点。再加上(shang)汽(qi)车(che)、无(wu)人机(ji)、VR以及AR技术(shu)等新(xin)兴市场(chang)的(de)推动，cmos图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)传感(gan)器(qi)(qi)正迎来新(xin)一轮的(de)产(chan)业成(cheng)(cheng)长高峰。

1、消费市场依然占据主导地位

众所周知(zhi)，移动端一(yi)直是cmos图像(xiang)(xiang)(xiang)传感(gan)器重要的(de)市场。据预测，未(wei)来(lai)智能手机(ji)中(zhong)将广泛采用双摄像(xiang)(xiang)(xiang)头和(he)3D摄像(xiang)(xiang)(xiang)头，随(sui)着这(zhei)(zhei)两(liang)种应用的(de)普及(ji)，CMOS无疑将迎(ying)来(lai)新一(yi)轮的(de)爆(bao)发(fa)。同时这(zhei)(zhei)将驱(qu)动着cmos图像(xiang)(xiang)(xiang)传感(gan)器产(chan)业(ye)发(fa)生变化，从(cong)成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)质量到人机(ji)交互，这(zhei)(zhei)是一(yi)个从(cong)成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)到传感(gan)和(he)用户界面(mian)的(de)大(da)转变。

2、汽车是增长最快的细分市场

汽车电子(zi)是cmos图像传(chuan)感器(qi)增长最(zui)快的细分市(shi)(shi)场，2015年(nian)全(quan)球销售额(e)为4.8亿(yi)美元，占(zhan)CMOS市(shi)(shi)场的4.8%，预计2020年(nian)销售额(e)可达18亿(yi)美元，市(shi)(shi)场占(zhan)比将达到11%。

3、医疗应用需求涌现

传(chuan)(chuan)统的电(dian)荷(he)耦(ou)合设备（CCD）图(tu)像(xiang)(xiang)传(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)技术(shu)已(yi)不能满足医(yi)(yi)(yi)(yi)疗(liao)图(tu)像(xiang)(xiang)抓取应用的需要。cmos图(tu)像(xiang)(xiang)传(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)凭借其六大(da)优(you)(you)势(shi)席卷医(yi)(yi)(yi)(yi)疗(liao)电(dian)子应用，主要优(you)(you)势(shi)包括：系统集成度(du)更高、动(dong)力(li)要求较低、图(tu)像(xiang)(xiang)抓取功能更为灵活、界面智能化程度(du)更高、动(dong)态(tai)范围更大(da)、感(gan)光度(du)更高。一些常用的医(yi)(yi)(yi)(yi)疗(liao)器(qi)械如(ru)医(yi)(yi)(yi)(yi)疗(liao)内窥(kui)镜均(jun)因为cmos图(tu)像(xiang)(xiang)传(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)使得性能有大(da)幅度(du)提升。

4、面型图像传感器

包含(han)CMV、CHR系列(lie)产品(pin)，广泛应(ying)用于工业视觉、科学研究、航(hang)天军事(shi)及医(yi)疗(liao)仪(yi)器相关领域(yu)。

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