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CMOS图像传感器科普

发表时间:2022-11-14 09:13
1873年,硒元素结晶体感光后能产生电流被科学家发现之后,电子影像发展开始,图像传感器性能逐步提升。
20世纪50年代——一种新型的光电探测器件“光学倍增管”出现。
1965年-1970年,光电以及双极二极管阵列得到开发。
1970年,CCD图像传感器依靠其高量子效率、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。
1990年代末,步入CMOS时代。



图像传感器的历史沿革

一、光电倍增管

1、光电倍增管(简称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)、雷达干扰和滚筒扫描仪中。


二、CCD

1、数字成像始于1969年,最初致力于内存,可以被用作移位寄存器和区域成像设备。

2、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。

空间站使用CCD相机

三、CMOS图像传感器

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,2007年取得重大突破。

2.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。

3.CMOS图像传感器走向商业化后发展迅猛,应用前景广阔,逐步取代CCD成为新潮流,并广泛应用于多种场合。

4.CMOS图像传感器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。

  • 微透镜:具有球形表面和网状透镜;光通过微透镜时,CMOS图像传感器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。
  • 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。
  • 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。
  • 像素设计:通过CMOS图像传感器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。

Bayer阵列滤镜与像素

1、感光元件上的每个方块代表一个像素块,上方附着一层彩色滤光片(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。

前照式(FSI)与背照式(BSI)

早期的CMOS图像传感器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。


CMOS图像传感器的应用

一、车载领域

车载领域的CMOS图像传感器应用包括: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。后视摄像(RVC)是销量主力军,呈稳定增长趋势。FV/MV全球销量增长迅速,直逼RVC全球销量。

二、手机领域

1、随着技术的发展,越来越多的手机开始注重拍照的硬件升级。摄像头和CMOS成为了产品突出差异性的卖点之一。抛开镜头差异,成像质量与CMOS大小成正比,主摄像素提升推动CMOS迭代升级。1/1.7英寸级的CMOS如今成为手机摄像头传感器的新选择。而更多手机也用上了1/2.3英寸级的传感器。新一代堆栈结构的CMOS,它在传统的感光层与底部电路之间增加了一层DRAM动态存储器,从而让感光元件具备短时间拍摄大数据量影像的能力。

2、手机摄像头过去以像素升级为主;受CMOS尺寸限制,手机摄像开始注重变焦能力。变焦有光学变焦与数码变焦两种。光学变焦通过光学原理调整焦距,成像画质无损。数码变焦就是通过软件算法来放大/缩小,通过插值计算,成像有损,有较多噪点。传统专业相机的光学系统无法移植到手机上。手机变焦往往会采用“双摄变焦”,采用两个定焦镜头,利用其物理焦距的不同,实现变焦效果;显然,单摄已经无法满足对光学变焦的需求了。

3、目前主流的3D深度摄像主流有两种方案:结构光、TOF。iPhone采用前者,华为采用后置。

  • 结构光(Structured Light):结构光投射特定的光信息到物体表面后,由摄像头采集。根据物体造成的光信号的变化来计算物体的位置和深度等信息,进而复原整个三维空间。
  • TOF(Time Of Flight):TOF系统是一种光雷达系统,可从发射极向对象发射光脉冲,接收器则可通过计算光脉冲从发射器到对象,再以像素格式返回到接收器的运行时间来确定被测量对象的距离。

4、手机摄像头数量增加,CMOS图像传感器出货量成倍增长。为了提高照相画质,手机引入了双摄甚至三摄、四摄。


三、安防领域

1、闭路电视监控系统发展历程:录像带录像机(VCR)→数字视频录像机(DVR)→网络视频录像机(NVR)。视频监控系统越来越复杂,性能也不断升级:

高清摄像头中使用的图像传感器对分辨率的要求较高,在60帧/秒等高帧率下能够实现720P或1080P的清晰度。宽动态范围摄像机的芯片上集成宽动态范围摄像技术以及图像处理技术,能在极暗和极亮环境下拍摄。3D立体摄像机具有在动态光环境中保持追踪精度的能力,可与视频分析技术配合使用。

2、安防领域的红外线摄影术以成像为目标。伴随着电子与化学科技的进 展,红外线摄像技术逐渐演化出三个方向:

  • 近红外线底片:感应范围为波长700nm~900nm。在成像乳剂中加入特殊染料,利用光化学反应,使这一波域的光变化转为化学变化从而形成影像。
  • 近红外线电子感光材料:感应范围为波长700nm~2,000nm。利用含硅化合物晶体的光电反应形成电子信号, 进一步产生影像。
  • 中、远红外线感应材料:感应范围为波长3,000nm~14,000nm。需要 使用冷却技术和特殊的光学感应器, 加工处理形成电子影像。

3、红外线摄像技术分为被动和主动两种类型。被动型:拍摄对象自身发射红外光被摄像机接受以成像。这类设备昂贵并且对周围环境不能良好反映,所以在夜视系统中基本不采用。主动型:配置有红外灯主动向外发射红外辐射,使红外摄像机接收反射回来的红外光,增强夜视能力。目前红外摄像机基本都配置LED红外发光二极管。主动型红外摄像机包含摄像机、防护罩、红外灯、供电散热单元。它贴切的名称为红外线增强摄像机。感光元件的频谱足够宽时能对红外线到可见光的连续谱产生感应,形成包括红外线在内的光敏感。在普通可见光强下,宽范围感光元件增加了红外频段,在弱光条件下,也能获得清楚的图像。


四、医疗影像

与其他具有更高产量和更高成本敏感性的市场相比,图像传感器在医疗影像市场应用有其鲜明的特点:其封装步骤通常由设备制造商控制。

图像传感器技术正逐渐在行业中创造颠覆性力量,从2014年开始,市场发展迅速,行业竞争加剧:韩国和中国出现更多新参与者,成为现有大型企业的潜在障碍,行业完全整合的可能性降低。

图像传感器在医疗影像市场具有多元应用场景:X-ray、内窥镜、分子成像、光学相干断层扫描以及超声成像。

根据应用技术不同,医疗图像传感器可分为CCD, CMOS图像传感器,a-Si FPD(非晶硅薄膜晶体管平面探测器),a-Se FPD(非晶硒薄膜晶体管平板探测器),SiPM(硅光电倍增管)、cMUT(电容微机械超声换能器)和pMUT(压电微机械超声换能器)。目前,CMOS图像传感器主要应用于X-Ray以及内窥镜领域。

X射线成像于1895年第一次应用在医疗领域。如今,X射线成像技术应用已拓展到工业无损检测以及安全领域。但医疗市场仍是X-Ray射线成像的主力应用场景。

内窥镜检查不但能以最少的伤害,达成观察人体内部器官的目的,也能切取组织样本以供切片检查,或取出体内的异物。二十世纪末微创手术的发展进一步促进了内窥镜的应用。普通电子内窥镜:将微型图像传感器在内窥镜顶部代替光学镜头,通过电缆或光纤传输图像信息。电子内窥镜与光纤内窥镜类似,有角度调节旋钮、充气及冲水孔、钳道孔、吸引孔和活检孔等。CMOS电子内窥镜:照明光源通过滤色片,变成单色光,单色光通过导光纤维直达电子内窥镜前部,再通过照明镜头照在受检体的器官黏膜。器官黏膜反射光信号至非球面镜头,形成受检部位的光图像,CMOS图像传感器接收光图像,将其转换成电信号,再由信号线传至视频处理系统,经过去噪、储存和再生,显示在监控屏幕上。CMOS电子内窥镜可得到高清晰度图像,无视野黑点弊端,易于获得病变观察区信息。CMOS图像传感器模块的小型化是其应用于医疗设备的关键,特别是对于较小的柔性视频内窥镜。如喉镜,支气管镜,关节镜,膀胱镜,尿道镜和宫腔镜。


索尼图像传感器发展历程

索尼将CCD推向世界后,一直在不断创新图像传感器。索尼公司正在推动小型高性能图像传感器的进一步发展:高灵敏度背光CMOS图像传感器和堆叠式CMOS图像传感器。索尼的图像传感器有助于提高全球数码相机的吸引力。索尼图像传感器应用在相机,移动终端,自动驾驶,安防,工业领域等多个领域。

1、2008年,索尼推出Exmor R系列,采用BIS(背照式)设计,是第一款推出该技术的传感器。FIS(FRONT-SIDE ILLUMINATED,前照式)结构下,Bayer阵列滤镜与光电二极管(Photo-diode)之间存在大量金属连线,阻隔了大量光线进入感光层。而在BIS结构下,金属连线被转移到光电二极管(Photodiode)的背面,光线不再被阻挡,信噪比大幅度提高,而且可以采用更复杂、更大规模电路来提升传感器读取速度。

2、2012年,索尼推出Exmor RS系列,该系列采用二堆叠式结构(Stacked Structure)。BIS结构下,Bayer阵列周围依然存在大量电路,而此堆叠式结构通过TSV(Through Silicon Via,硅通孔)技术连接到另一张芯片,实现将信号处理电路叠放于像素区下方。2017年2月,索尼宣布推出业内首个配备DRAM的三堆叠式CMOS图像传感器,可在失真度最小化的情况下高速读取静态图片,支持在全高清模式下拍摄帧率最大为1000fps的慢动作视频。新款CMOS图像传感器在传统两层堆叠结构中间新加入DRAM层,用于缓存、读取、处理图像信息;此外,为了实现高速读取,用于将模拟视频信号从像素转换为数字信号的电路已经从2层结构倍增到4层结构。

3、介质格式传统上指静物摄影中的胶片格式以及使用胶片的相关照相机和设备。包括6x4.5厘米(有时介质格式称为“64格式”),6x6、6x7、6x8、6x12、6x17cm…在数字摄影中,介质格式是指根据介质格式胶片摄影使用而改编的照相机,或者是指使用大于35mm胶片框的传感器的照相机。此外,我们还发布了3.4(44x33毫米)和4.2(53x40毫米)型图像传感器,像素为100M或150M。

360度高质量成像主要产品为IMX533,9M像素,像素尺寸为3.76μm。