【科普】一文读懂CMOS图像传感器
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2022-04-25 18:52
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1873年,科学家约瑟·美(Joseph May)及伟洛比·史密夫(WilloughbySmith)就发现了硒元素结晶体感光后能产生电流,由此,电子影像发展开始,随着技术演进,图像传感器性能逐步提升。
1.20世纪50年代——光学倍增管(Photo Multiplier Tube,简称PMT)出现。2.1965年-1970年,IBM、Fairchild等企业开发光电以及双极二极管阵列。3.1970年,CCD图像传感器在Bell实验室发明,依靠其高量子效率、高灵敏度、低暗电流、高一致性、低噪音等性能,成为图像传感器市场的主导。图像传感器的历史沿革——PMT
1.光电倍增管(简称光电倍增管或PMT),真空光电管的一种。工作原理是:由光电效应引起,在PMT入射窗处撞击光电阴极的光子产生电子,然后由高压场加速,并在二次加工过程中在倍增电极链中倍增发射。
2.光电倍增管是一种极其灵敏的光检测器,可探测电磁波谱紫外,可见和近红外范围内光源,提供与光强度成比例的电流输出,广泛应用于验血,医学成像,电影胶片扫描(电视电影),雷达干扰和高端图像扫描仪鼓扫描仪中。1.数字成像始于1969年,由Willard Boyle和George E. Smith于AT&T贝尔实验室发明。
2.最初致力于内存→“充电'气泡'设备”,可以被用作移位寄存器和区域成像设备。3.CCD是电子设备,CCD在硅芯片(IC)中进行光信号与电信号之间的转换,从而实现数字化,并存储 为计算机上的图像文件。4.2009年, Willard Boyle和George E. Smith获得诺贝尔物理学奖。1.1997年,卡西尼国际空间站使用CCD相机(广角和窄角)
2.美国宇航局局长丹尼尔戈尔丁称赞CCD相机“更快,更好,更便宜”;声称在未来的航天器上减少质量,功率,成本,都需要小型化相机。而电子集成便是小型化的良好途径,而基于MOS的图像传感器便拥有无源像素和有源像素(3T)的配置。1.CMOS图像传感器使得“芯片相机”成为可能,相机小型化趋势明显。
2.2007年,Siimpel AF相机模型的出现标志着相机小型化重大突破。3.芯片相机的崛起为多个领域(车载,军工航天、医疗、工业制造、移动摄影、安防)等领域的技术创新提供了新机遇。1.1995年2月,Photobit公司成立,将CMOS图像传感器技术实现商业化。
2.1995-2001年间,Photobit增长到约135人,主要包括:私营企业自筹资金的定制设计合同、SBIR计划的重要支持(NASA/DoD)、战略业务合作伙伴的投资,这期间共提交了100多项新专利申请。3.CMOS图像传感器经商业化后,发展迅猛,应用前景广阔,逐步取代CCD成为新潮流。2001年11月,Photobit被美光科技公司收购并获得许可回归加州理工学院。与此同时,到2001年,已有数十家竞争对手崭露头角,例如Toshiba,STMicro,Omnivision,CMOS图像传感器业务部分归功于早期的努力促进技术成果转化。后来,索尼和三星分别成为了现在全球市场排名第一,第二。后来,Micron剥离了Aptina,Aptina被ON Semi收购,目前排名第4。CMOS传感器逐渐成为摄影领域主流,并广泛应用于多种场合。
1990年:NHK/Olympus,放大MOS成像仪(AMI),即CIS1998年:单芯片相机,2005年后:CMOS图像传感器成为主流。CMOS图像传感器(CIS)是模拟电路和数字电路的集成。主要由四个组件构成:微透镜、彩色滤光片 (CF)、光电二极管(PD)、像素设计。1.微透镜:具有球形表面和网状透镜;光通过微透镜时,CIS的非活性部分负责将光收集起来并将其聚焦到彩色滤光片。2.彩色滤光片(CF):拆分反射光中的红、绿、蓝 (RGB)成分,并通过感光元件形成拜尔阵列滤镜。3.光电二极管(PD):作为光电转换器件,捕捉光并转换成电流;一般采用PIN二极管或PN结器件制成。4.像素设计:通过CIS上装配的有源像素传感器(APS)实现。APS常由3至6个晶体管构成,可从大型电容阵列中获得或缓冲像素,并在像素内部将光电流转换成电压,具有较完美的灵敏度水平和的噪声指标。1.感光元件上的每个方块代表一个像素块,上方附着着一层彩色滤光片(CF),CF拆分完反射光中的RGB成分后,通过感光元件形成拜尔阵列滤镜。经典的Bayer阵列是以2x2共四格分散RGB的方式成像,Quad Bayer阵列扩大到了4x4,并且以2x2的方式将RGB相邻排列。2.像素,即亮光或暗光条件下的像素点数量,是数码显示的基本单位,其实质是一个抽象的取样,我们用彩色方块来表示。3.图示像素用R(红)G(绿)B(蓝)三原色填充,每个小像素块的长度指的是像素尺寸,图示尺寸为0.8μm。滤镜上每个小方块与感光元件的像素块对应,也就是在每个像素前覆盖了一个特定的颜色滤镜。比如红色滤镜块,只允许红色光线投到感光元件上,那么对应的这个像素块就只反映红色光线的信息。随后还需要后期色彩还原去猜色,最后形成一张完整的彩色照片。感光元件→Bayer滤镜→色彩还原,这一整套流程,就叫做Bayer阵列。早期的CIS采用的是前面照度技术FSI(FRONT-SIDE ILLUMINATED),拜尔阵列滤镜与光电二极管(PD)间夹杂着金属(铝,铜)区,大量金属连线的存在对进入传感器表面的光线存在较大的干扰,阻碍了相当一部分光线进入到下一层的光电二极管(PD),信噪比较低。技术改进后,在背面照度技术BSI(FRONT-SIDE ILLUMINATED)的结构下,金属(铝,铜)区转移到光电二极管(PD)的背面,意味着经拜尔阵列滤镜收集的光线不再众多金属连线阻挡,光线得以直接进入光电二极管;BSI不仅可大幅度提高信噪比,且可配合更复杂、更大规模电路来提升传感器读取速度。帧率(Frame rate):以帧为单位的位图图像连续出现在显示器上的频率,即每秒能显示多少张图片。而想要实现高像素CIS的设计,很重要的一点就是Analog电路设计,像素上去了,没有匹配的高速读出和处理电路,便无办法以高帧率输出出来。索尼早于2007年chuan'gan发布了首款Exmor传感器。Exmor传感器在每列像素下方布有独立的ADC模数转换器,这意味着在CIS芯片上即可完成模数转换,有效减少了噪声,大大提高了读取速度,也简化了PCB设计。2017年为CMOS图像传感器高增长点,同比增长达到20%。2018年,全球CIS市场规模155亿美元,预计2019年同比增长10%,达到170亿美元。目前,CIS市场正处于稳定增长期,预计2024年市场逐渐饱和,市场规模达到240亿美元。1.车载领域的CIS应用包括:后视摄像(RVC),全方位视图系统(SVS),摄像机监控系统(CMS),FV/MV,DMS/IMS系统。3.后视摄像(RVC)是销量主力军,呈稳定增长趋势,2016年全球销量为5100万台,2018年为6000万台,2019年达到6500万台,2020年超过7000万台。4.FV/MV全球销量增长迅速,2016年为1000万台,2018年为3000万台,此后,预计FV/MV将依旧保持迅速增长趋势,019年销量4000万台,2021达7500万台,直逼RVC全球销量。1.HDR解决方案,即高动态范围成像,是用来实现比普通数位图像技术更大曝光动态范围。2.时间复用。相同的像素阵列通过使用多个卷帘(交错HDR)来描绘多个边框。好处:HDR方案是与传统传感 器兼容的最简单的像素技术。缺点:不同时间发生的捕获导致产生运动伪影。3.空间复用。单个像素阵列帧被分解为多个,通过不同的方法捕获:1.像素或行级别的独立曝光控制。优点:单帧中的运动伪影比交错的运动伪影少。缺点:分辨率损失,且运动伪影仍然存在边缘。2.每个像素共用同一微透镜的多个光电二极管。优点:在单个多捕获帧中没有运动伪影;缺点:从等效像素区域降低灵敏度。本文仅做学术分享,如有侵权,请联系删文。
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