cmos圖像傳感器市場應(yīng)用趨勢及工作原理解析-深度剖析cmos圖像傳感器-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-11-13
在cmos圖像傳感器芯片上還可以集成其他數(shù)字信號處理電路，如AD轉(zhuǎn)換器、自動曝光量控制、非均勻補(bǔ)償、白平衡處理、黑電平控制、伽瑪校正等，為了進(jìn)行快速計算甚至可以將具有可編程功能的DSP器件與CMOS器件集成在一起，從而組成單片數(shù)字相機(jī)及圖像處理系統(tǒng)。
1963年Morrison發(fā)表了可計算傳感器，這是一種可以利用光導(dǎo)效應(yīng)測定光斑位置的結(jié)構(gòu)，成為CMOS圖像傳感器發(fā)展的開端。1995年低噪聲的CMOS有源像素傳感器單片數(shù)字相機(jī)獲得成功。cmos圖像傳感器具有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：
1）、隨機(jī)窗口讀取能力。隨機(jī)窗口讀取操作是cmos圖像傳感器在功能上優(yōu)于CCD的一個方面，也稱之為感興趣區(qū)域選取。此外，CMOS圖像傳感器的高集成特性使其很容易實現(xiàn)同時開多個跟蹤窗口的功能。
2）、抗輻射能力?？偟膩碚f，cmos圖像傳感器潛在的抗輻射性能相對于CCD性能有重要增強(qiáng)。
3）、系統(tǒng)復(fù)雜程度和可靠性。采用CMOS圖像傳感器可以大大地簡化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。
4）、非破壞性數(shù)據(jù)讀出方式。
5）、優(yōu)化的曝光控制。值得注意的是，由于在像元結(jié)構(gòu)中集成了多個功能晶體管的原因，cmos圖像傳感器也存在著若干缺點(diǎn)，主要是噪聲和填充率兩個指標(biāo)。鑒于cmos圖像傳感器相對優(yōu)越的性能，使得CMOS圖像傳感器在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
美國高清高速cmos圖像傳感器
DYNAMAX-11：潘納維申影像這顆新的傳感器含有的全局電子曝光快門技術(shù)，極大地改善了工業(yè)成像在室內(nèi)和室外的應(yīng)用。這顆新發(fā)布的DYNAMAX-11圖像傳感器適合用于機(jī)器視覺、安防監(jiān)控、智能交通、生命科學(xué)、生物醫(yī)療、科學(xué)影像、高清錄像、電視廣播等工業(yè)成像領(lǐng)域。這顆新發(fā)布的DYNAMAX-11圖像傳感器含有320萬像素，像素大小為5.0?m × 5.0?m。DYNAMAX-11具有以下一些特點(diǎn)：
1：高靈敏度，低噪聲。DYNAMAX-11在卷簾曝光的模式下，可以實現(xiàn)小于4 electrons rms噪聲，在全局曝光的模式下，可以實現(xiàn)小于8 electrons rms噪聲。
2：寬的光譜響應(yīng)范圍，覆蓋從可見光到紅外。
3： DYNAMAX-11具有快速的輸出能力，可以達(dá)到全尺寸3.2M輸出時，60幀/秒，和HDTV1920*1080輸出時，72幀/秒的輸出速度。
4：高動態(tài)模式下的動態(tài)范圍可達(dá)120分貝.
DYNAMAX-11采用了CLCC封裝，非常便于客戶的安裝焊接和結(jié)構(gòu)設(shè)計。DYNAMAX-11 適合3/4英寸的光學(xué)尺寸。同時，DYNAMAX-11對應(yīng)高清電視格式要求(HDTV,1080i,16:9)，也設(shè)計了感興趣區(qū)域的2/3英寸的200萬像素光學(xué)格式（對角線11毫米）。
DYNAMAX-11彩色和黑白兩種芯片的樣片正提供給PVI的客戶．
cmos圖像傳感器始于“拍照和錄像應(yīng)用”，盛行于“移動市場”，最近幾年，又受到高附加值下游市場的驅(qū)動。那么，未來哪些將成為cmos圖像傳感器的高增長領(lǐng)域呢？消費(fèi)類、無人機(jī)、機(jī)器人還是VR?
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(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)的新賣點(diǎn)。再加上汽車、無人機(jī)、VR以及AR技術(shù)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(fèi)市場依然占據(jù)主導(dǎo)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(yù)測，未來智能手機(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(jī)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(xì)分市場
汽車電子是cmos圖像傳感器增長最快的細(xì)分市場，2015年全球銷售額為4.8億美元，占CMOS市場的4.8%，預(yù)計2020年銷售額可達(dá)18億美元，市場占比將達(dá)到11%。
ADAS系統(tǒng)的不斷進(jìn)步使得汽車上需要搭載后視、前視、環(huán)繞視CMOS攝像頭，以直接獲取周圍環(huán)境的圖像信息，實現(xiàn)前向碰撞預(yù)警、車道偏離警示、自動泊車、路況記錄、車輛/行人/障礙物識別、車內(nèi)環(huán)境監(jiān)控等功能。目前高端汽車ADAS系統(tǒng)包含5-8個攝像頭，未來隨著無人駕駛技術(shù)的發(fā)展，汽車搭載的CMOS傳感器數(shù)量有望超過10個。
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)勢席卷醫(yī)療電子應(yīng)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。
ams的cmos圖像傳感器已經(jīng)在以上這些領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，ams CEO Alexander Everke就曾預(yù)測其他細(xì)分市場未來也有廣闊的應(yīng)用空間：“未來cmos圖像傳感器將在3D建模、AR/VR、手勢、臉部識別、3D掃描和游戲六大領(lǐng)域爆發(fā)。”
下游需求旺盛，產(chǎn)業(yè)競爭激烈，在cmos圖像傳感器界占有重要地位的ams以一系列高性能的產(chǎn)品組合，并不斷致力于技術(shù)創(chuàng)新的戰(zhàn)略來面對。
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、科學(xué)研究、航天軍事及醫(yī)療儀器相關(guān)領(lǐng)域。
5、線型圖像傳感器
包含Orion Line Scan、Dragster Line Scan及4LS Line Scan三大系列產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于工業(yè)視覺及醫(yī)療儀器相關(guān)產(chǎn)業(yè)。
6、微縮模塊
Naneye系列產(chǎn)品，可應(yīng)用于醫(yī)療儀器和監(jiān)控檢測相關(guān)產(chǎn)業(yè)。
下圖為cmos圖像傳感器的功能框圖。
首先，外界光照射像素陣列，發(fā)生光電效應(yīng)，在像素單元內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的電荷。行選擇邏輯單元根據(jù)需要，選通相應(yīng)的行像素單元。行像素單元內(nèi)的圖像信號通過各自所在列的信號總線傳輸?shù)綄?yīng)的模擬信號處理單元以及A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號輸出。其中的行選擇邏輯單元可以對像素陣列逐行掃描也可隔行掃描。行選擇邏輯單元與列選擇邏輯單元配合使用可以實現(xiàn)圖像的窗口提取功能。模擬信號處理單元的主要功能是對信號進(jìn)行放大處理，并且提高信噪比。另外，為了獲得質(zhì)量合格的實用攝像頭，芯片中必須包含各種控制電路，如曝光時間控制、自動增益控制等。為了使芯片中各部分電路按規(guī)定的節(jié)拍動作，必須使用多個時序控制信號。為了便于攝像頭的應(yīng)用，還要求該芯片能輸出一些時序信號，如同步信號、行起始信號、場起始信號等。
從某一方面來說，cmos圖像傳感器在每個像素位置內(nèi)都有一個放大器，這就使其能在很低的帶寬情況下把離散的電荷信號包轉(zhuǎn)換成電壓輸出，而且也僅需要在幀速率下進(jìn)行重置。cmos圖像傳感器的優(yōu)點(diǎn)之一就是它具有低的帶寬，并增加了信噪比。由于制造工藝的限制，早先的CMOS圖像傳感器無法將放大器放在像素位置以內(nèi)。這種被稱為PPS的技術(shù)，噪聲性能很不理想，而且還引來對cmos圖像傳感器的種種干擾。
然而今天，隨著制作工藝的提高，使在像素內(nèi)部增加復(fù)雜功能的想法成為可能。現(xiàn)在，在像素位置以內(nèi)已經(jīng)能增加諸如電子開關(guān)、互阻抗放大器和用來降低固定圖形噪聲的相關(guān)雙采樣保持電路以及消除噪聲等多種附加功能。實際上，在Conexant公司（前Rockwell半導(dǎo)體公司）的一臺先進(jìn)的CMOS攝像機(jī)所用的cmos圖像傳感器上，每一個像素中都設(shè)計并使用了6個晶體管，測試到的讀出噪聲只有1均方根電子。不過，隨著像素內(nèi)電路數(shù)量的不斷增加，留給感光二極管的空間逐漸減少，為了避免這個比例（又稱占空因數(shù)或填充系數(shù)）的下降，一般都使用微透鏡，這是因為每個像素位置上的微小透鏡都能改變?nèi)肷涔饩€的方向，使得本來會落到連接點(diǎn)或晶體管上的光線重回到對光敏感的二極管區(qū)域。
因為電荷被限制在像素以內(nèi)，所以CMOS圖像傳感器的另一個固有的優(yōu)點(diǎn)就是它的防光暈特性。在像素位置內(nèi)產(chǎn)生的電壓先是被切換到一個縱列的緩沖區(qū)內(nèi)，然后再被傳輸?shù)捷敵龇糯笃髦?，因此不會發(fā)生傳輸過程中的電荷損耗以及隨后產(chǎn)生的光暈現(xiàn)象。它的不利因素是每個像素中放大器的閾值電壓都有細(xì)小的差別，這種不均勻性就會引起固定圖像噪聲。然而，隨著CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝的不斷改進(jìn)，這種效應(yīng)已經(jīng)得到顯著弱化。
這種多功能的集成化，使得許多以前無法應(yīng)用圖像技術(shù)的地方現(xiàn)在也變得可行了，如孩子的玩具，更加分散的保安攝像機(jī)、嵌入在顯示器和膝上型計算機(jī)顯示器中的攝像機(jī)、帶相機(jī)的移動電路、指紋識別系統(tǒng)、甚至于醫(yī)學(xué)圖像上所使用的一次性照相機(jī)等，這些都已在某些設(shè)計者的考慮之中。
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。
（1一垂直移位寄存器：2一水平移位寄存器；3一水平掃描開關(guān)；4一垂直掃描開關(guān)；5一像敏元陣列；6一信號線；7一像敏元）
下圖是CMOS攝像器件的原理框圖。
如前所述，各MOS晶體管在水平和垂直掃描電路的脈沖驅(qū)動下起開關(guān)作用。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(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關(guān)，在垂直移位寄存器產(chǎn)生的脈沖作用下接通垂直開關(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(fù)載上形成的視頻信號大小正比于該像元上的光照強(qiáng)弱。
CCD型和CMOS型固態(tài)圖像傳感器在光檢測方面都利用了硅的光電效應(yīng)原理，不同點(diǎn)在于像素光生電荷的讀出方式。典型的CMOS像素陣列，是一個二維可編址傳感器陣列。傳感器的每一列與一個位線相連，行允許線允許所選擇的行內(nèi)每一個敏感單元輸出信號送入它所對應(yīng)的位線上，位線末端是多路選擇器，按照各列獨(dú)立的列編址進(jìn)行選擇。
根據(jù)像素的不同結(jié)構(gòu)，cmos圖像傳感器可以分為無源像素被動式傳感器（PPS）和有源像素主動式傳感器（APS）。根據(jù)光生電荷的不同產(chǎn)生方式APS又分為光敏二極管型、光柵型和對數(shù)響應(yīng)型，現(xiàn)在又提出了DPS(digital pixel sensor)概念。
1、無源像素被動式傳感器
PPS出現(xiàn)得最早，結(jié)構(gòu)也最簡單，使得cmos圖像傳感器走向?qū)嵱没?，其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。每一個像素包含一個光敏二極管和一個開關(guān)管TX。當(dāng)TX選通時，光敏二極管中由于光照產(chǎn)生的電荷傳送到了列線col,列線下端的積分放大器將該信號轉(zhuǎn)化為電壓輸出，光敏二極管中產(chǎn)生的電荷與光信號成一定的比例關(guān)系。無源像素具有單元結(jié)構(gòu)簡單、尋址簡單、填充系數(shù)高、量子效率高等優(yōu)點(diǎn)，但它靈敏度低、讀出噪聲大。因此PPS不利于向大型陣列發(fā)展，所以限制了應(yīng)用，很快被APS代替
2、光敏二極管像素單元
光敏二極管像素單元是由光敏二極管，復(fù)位管，源跟隨和行選通開關(guān)管組成，此外還有電荷溢出門管M3，M3的作用是增加電路的靈敏度，用一個較小的電容就能夠檢測到整個光敏二極管的n+擴(kuò)散區(qū)所產(chǎn)生的全部光生電荷，它的柵極接約1V的恒定電壓，在分析器件工作原理時可以忽略將其看成短路。電荷敏感擴(kuò)散電容用做收集光生電荷。復(fù)位管M4對光敏二極管和電容復(fù)位，同時作為橫向溢出門控制光生電荷的積累和轉(zhuǎn)移。源跟隨器M1的作用是實現(xiàn)對信號的放大和緩沖，改善APS的噪聲問題。源跟隨器還可加快總線電容的充放電，因而允許總線長度增加和像素規(guī)模增大。因此，APS比PPS具有低讀出噪聲和高讀出速率等優(yōu)點(diǎn)，但像素單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，填充系數(shù)降低，填充系數(shù)一般只有20%到30%。它的工作過程是：首先進(jìn)入“復(fù)位狀態(tài)”，復(fù)位管打開，對光敏二極管復(fù)位；然后進(jìn)入“取樣狀態(tài)”，復(fù)位管關(guān)閉，光照射到光敏二極管上產(chǎn)生光生載流子，并通過源跟隨器放大輸出；最后進(jìn)入“讀出狀態(tài)”，這時行選通管打開，信號通過列總線輸出。
3、光柵型APS
光柵型APS是由美國噴氣推進(jìn)實驗室（JPL）首先推出的。其中感光結(jié)構(gòu)由光柵PG 和傳輸門TX構(gòu)成。光柵輸出端為漂移擴(kuò)散端，它與光柵PG被傳輸門TX隔開。像素單元還包括一個復(fù)位晶體管，一個源跟隨器和一個行選通晶體管。當(dāng)光照射在像素單元時，在光柵PG處產(chǎn)生電荷；與此同時，復(fù)位管打開，對勢阱復(fù)位；然后復(fù)位管關(guān)閉，行選通管打開，復(fù)位后的電信號由此通路被讀出并暫存起來，之后傳輸門TX打開，光照產(chǎn)生的電信號通過勢阱并被讀出，前后兩次的信號差就是真正的圖像信號。
4、對數(shù)響應(yīng)型CMOS-APS
對數(shù)響應(yīng)型CMOS-APS擁有很高的動態(tài)范圍。它由光敏二極管、負(fù)載管、源跟隨器和行選通管組成，負(fù)載管柵極是一恒定偏置電壓（不一定要是電源電壓），該像素單元輸出信號與入射光信號成對數(shù)關(guān)系，它的工作特點(diǎn)是光線被連續(xù)地轉(zhuǎn)化為信號電壓，而不像一般APS那樣存在復(fù)位和積分過程。但是，對數(shù)響應(yīng)型CMOS-APS的一個致命缺陷就是對器件參數(shù)相當(dāng)敏感，特別是閾值電壓。
PPS和APS都是在像素外進(jìn)行模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換的，而DPS將模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換集成在每一個像素單元里，每一個像素單元輸出的是數(shù)字信號，工作速度更快，功耗更低。
1、傳感器尺寸
cmos圖像傳感器的尺寸越大，則成像系統(tǒng)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英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等。
2、像素總數(shù)和有效像素數(shù)
像素總數(shù)是指所有像素的總和，像素總數(shù)是衡量cmos圖像傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)之一。cmos圖像傳感器的總體像素中被用來進(jìn)行有效的光電轉(zhuǎn)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(shù)隸屬于像素總數(shù)集合。有效像素數(shù)目直接決定了cmos圖像傳感器的分辨能力。
3、動態(tài)范圍
動態(tài)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。參照CCD的動態(tài)范圍,其數(shù)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、光譜響應(yīng)特性
cmos圖像傳感器的信號電壓Vs和信號電流Is是入射光波長λ的函數(shù)。光譜響應(yīng)特性就是指CMOS圖像傳感器的響應(yīng)能力隨波長的變化關(guān)系,它決定了CMOS圖像傳感器的光譜范圍。
5、靈敏度
圖像傳感器對入射光功率的響應(yīng)能力被稱為響應(yīng)度。對于cmos圖像傳感器來說,通常采用電流靈敏度來反映響應(yīng)能力,電流靈敏度也就是單位光功率所產(chǎn)生的信號電流。
6、分辨率
分辨率是指cmos圖像傳感器對景物中明暗細(xì)節(jié)的分辨能力。通常用調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)來表示,同時也可以用空間頻率(lp/mm)來表示。
7、光電響應(yīng)不均勻性
cmos圖像傳感器是離散采樣型成像器件,光電響應(yīng)不均勻性定義為cmos圖像傳感器在標(biāo)準(zhǔn)的均勻照明條件下,各個像元的固定噪聲電壓峰峰值與信號電壓的比值。
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