CMOS圖像傳感器組成部分

CIS（CMOS image sensor）是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器，也稱CMOS圖像傳感器。CIS是一種光學(xué)傳感器，其功能是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過(guò)讀出電路轉(zhuǎn)為數(shù)字化信號(hào)，廣泛應(yīng)用于視覺(jué)領(lǐng)域，是攝像頭模組的核心元器件。

簡(jiǎn)介

CMOS稱為互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，縮寫作 CMOS），是一種集成電路的設(shè)計(jì)工藝，可以在硅質(zhì)晶圓模板上制出NMOS（n-type MOSFET）和PMOS（p-type MOSFET）的基本元件，由于NMOS與PMOS在物理特性上為互補(bǔ)性，因此被稱為CMOS（Complementary 的來(lái)歷）。此一般的工藝上，可用來(lái)制作電腦電器的靜態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存、微控制器、微處理器與其他數(shù)字邏輯電路系統(tǒng)、以及除此之外比較特別的技術(shù)特性，使它可以用于光學(xué)儀器上，例如互補(bǔ)式金氧半圖像傳感裝置在一些高級(jí)數(shù)碼相機(jī)中變得很常見(jiàn)。

傳感器可以通過(guò)幾種方式進(jìn)行分類，例如其結(jié)構(gòu)類型（CCD或CMOS），色度類型（彩色或單色）或快門類型（全局或滾動(dòng)快門）。還可以通過(guò)分辨率，幀速率，像素大小和傳感器格式對(duì)它們進(jìn)行分類。理解這些術(shù)語(yǔ)可以幫助人們更好地了解哪種傳感器最適合其應(yīng)用。無(wú)論如何分，圖像傳感器的目的是相同的 —— 將入射光（光子）轉(zhuǎn)換為可以查看，分析或存儲(chǔ)的電信號(hào)。圖像傳感器是固態(tài)設(shè)備，并且是機(jī)器視覺(jué)相機(jī)中最重要的組件之一。每年，隨著傳感器尺寸，分辨率，速度和光敏度的改進(jìn)，制造出新的傳感器品種。 本文分為通識(shí)和深入部分。只想初步了解的請(qǐng)看通識(shí)（圖像傳感器技術(shù)的一些基礎(chǔ)知識(shí)，以及它們與它們的分類之間的關(guān)系），較感興趣的請(qǐng)看深入部分。

通識(shí)內(nèi)容

組成部分 以下是典型的CMOS圖像傳感器。傳感器芯片與保護(hù)玻璃包裝在一起。Package是一個(gè)將傳感器連接到PCB的平臺(tái)墊（pads），不同的傳感器采用不同的包裝（Package）。 ?

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CMOS圖像傳感器示意圖 固態(tài)圖像傳感器芯片包含由光敏元件，微透鏡和微電子元件組成的像素。芯片由半導(dǎo)體公司制造，并從晶圓上切割下來(lái)。引線鍵（Wire bonds）合將信號(hào)從芯片轉(zhuǎn)移到傳感器背面的接觸墊。該包裝（Package）可保護(hù)傳感器芯片和焊線免受物理和環(huán)境損害，提供散熱功能，并包括用于信號(hào)傳輸?shù)幕ミB電子設(shè)備。包裝前部的透明窗口稱為蓋玻片（Cover Glass），可保護(hù)傳感器芯片和電線，同時(shí)允許光線到達(dá)感光區(qū)域。 相機(jī)內(nèi)部的傳感器功能 在照相機(jī)系統(tǒng)中，圖像傳感器接收通過(guò)透鏡或其他光學(xué)器件聚焦的入射光（光子photons）。根據(jù)傳感器是CCD還是CMOS，它會(huì)將信息作為電壓或數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)较乱患?jí)。CMOS傳感器使用片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）將光子轉(zhuǎn)換為電子，然后轉(zhuǎn)換為電壓，最后轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。

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典型的CMOS相機(jī)布局 根據(jù)相機(jī)制造商的不同，所使用的總體布局和組件也會(huì)有所不同。這種布局的主要目的是將光轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后可以對(duì)其進(jìn)行分析以觸發(fā)將來(lái)的動(dòng)作。消費(fèi)級(jí)相機(jī)將具有圖像存儲(chǔ)（存儲(chǔ)卡），查看（嵌入式LCD）以及機(jī)器視覺(jué)相機(jī)沒(méi)有的控制旋鈕和開(kāi)關(guān)的其他組件。 CCD與CMOS的不同 CCD傳感器（Charged Couple Device，電荷耦合器件）同時(shí)開(kāi)始和停止所有像素的曝光。這稱為全局快門。CCD然后將該曝光電荷轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器，然后將其發(fā)送到浮動(dòng)擴(kuò)散放大器。注意：2015年，索尼宣布了計(jì)劃在2026年之前停止生產(chǎn)CCD并終止對(duì)CCD的支持。CCD的特點(diǎn)有：1. 全局快門，2. 低噪聲，3. 高動(dòng)態(tài)范圍， 4. 中等幀率，5. Subject to smearing 過(guò)去，CMOS傳感器一次只能啟動(dòng)和停止一行像素的曝光，這被稱為卷簾快門。隨著時(shí)間的推移，這種情況發(fā)生了變化，現(xiàn)在市場(chǎng)上有許多全局快門CMOS傳感器可用。CMOS傳感器為每個(gè)像素?列使用較小的ADC（下圖紅框），從而提供比CCD高的幀速率。多年來(lái)，CMOS傳感器經(jīng)歷了重大改進(jìn)，使大多數(shù)現(xiàn)代CMOS傳感器在圖像質(zhì)量，圖像速度和總體價(jià)值方面均與CCD相同或更高。CCD的特點(diǎn)有：1. 全局快門和卷簾快門，2. 非常低的噪音，3. 很高的動(dòng)態(tài)范圍，4. 很高的幀頻，5. No smearing 單色和彩色傳感器

左：?jiǎn)紊珎鞲衅髌矫?。右：帶有拜耳陣列的彩色傳感器平面?對(duì)于右上方所示的顏色傳感器示例，所使用的濾色器陣列是拜耳濾色器。此濾鏡模式使用50％的綠色，25％的紅色和25％的藍(lán)色陣列。雖然大多數(shù)彩色相機(jī)使用拜耳濾鏡圖案，但還有其他濾鏡圖案可用，它們具有不同的圖案排列和RGB拆分方式。 圖像傳感器尺寸 圖像傳感器具有不同的格式類型（也稱為光學(xué)類別，傳感器尺寸或類型）和封裝形式。分辨率和像素大小將決定傳感器的整體大小，較大的傳感器比較小的傳感器具有更高的分辨率或更大的像素大小。了解傳感器格式對(duì)于選擇照相機(jī)的鏡頭和光學(xué)元件很重要。所有鏡頭均針對(duì)特定的傳感器格式和分辨率而設(shè)計(jì)。請(qǐng)注意，傳感器格式僅描述傳感器芯片的區(qū)域，而不描述整個(gè)傳感器。

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從左往右：1/6″, 1/3″, 2/3″, 1″ 以下是CMOS傳感器的示例，其類型為2/3英寸。但是，模具的實(shí)際對(duì)角線尺寸僅為0.43英寸（11毫米）。當(dāng)前的傳感器“英寸”類型不是傳感器的實(shí)際對(duì)角線尺寸。傳感器格式類型似乎有些模棱兩可，但實(shí)際上是基于舊的視頻攝象機(jī)管，英寸測(cè)量是指視頻管的外徑。下圖顯示了最常見(jiàn)的傳感器格式類型及其實(shí)際傳感器對(duì)角線尺寸（毫米）的圖表。 像素大小 像素大小以微米（μm）為單位，并且包括光電二極管和周圍電子設(shè)備的整個(gè)面積。CMOS像素由光電二極管（photodiode），放大器（amplifier），復(fù)位門（reset gate），傳輸門（transfer gate）和浮動(dòng)擴(kuò)散組成（floating diffusion）。然而，這些元素可能并不總是在每個(gè)像素內(nèi)，因?yàn)樗鼈円部梢栽谙袼刂g共享。下圖顯示了CMOS單色和彩色像素的簡(jiǎn)化布局。

簡(jiǎn)化的CMOS單色和彩色像素結(jié)構(gòu) 通常，較大的像素尺寸對(duì)于提高光敏感度更好，因?yàn)楣怆?a target="_blank">二極管有更大的面積來(lái)接收光。如果傳感器格式保持不變，但分辨率提高，則像素尺寸必須減小。盡管這可能會(huì)降低傳感器的靈敏度，但像素結(jié)構(gòu)，降噪技術(shù)和圖像處理方面的改進(jìn)已幫助緩解了這種情況。為了更準(zhǔn)確地了解傳感器的靈敏度，最好參考傳感器的spectral response光譜響應(yīng)（quantum efficiency，量子效率）以及其他傳感器性能結(jié)果。 單色和彩色光譜響應(yīng) 由于單色傳感器和彩色傳感器之間的物理差異，以及傳感器制造商的技術(shù)和像素結(jié)構(gòu)之間的差異，因此不同的傳感器將在不同程度上感應(yīng)光。一種更準(zhǔn)確地了解傳感器對(duì)光的敏感性的方法是讀取其光譜響應(yīng)圖（也稱為量子效率圖）。 下面的2個(gè)圖表是同一傳感器型號(hào)的單色和彩色版本。左側(cè)顯示單色傳感器的光譜響應(yīng)，右側(cè)顯示顏色傳感器。X軸是波長(zhǎng)（nm），Y軸是量子效率（％）。大多數(shù)機(jī)器視覺(jué)彩色攝像機(jī)都安裝了紅外截止濾光片，以阻擋近紅外波長(zhǎng)。這樣可以消除圖像中的IR噪聲和顏色交叉現(xiàn)象，與人眼對(duì)顏色的解釋方式最匹配。但是，在許多應(yīng)用中，不使用IR截止濾鏡對(duì)圖像進(jìn)行成像可能是有益的。無(wú)論是否安裝了紅外截止濾鏡，色彩傳感器都不會(huì)像單色傳感器那樣靈敏。

沒(méi)有紅外截止濾鏡的單色傳感器（左）和彩色傳感器（右） 量子效率越高，傳感器對(duì)光的感知越好。 全局與滾動(dòng)快門 傳感器的重要功能是其快門類型。電子快門的兩種主要類型是全局快門和滾動(dòng)快門。這些快門類型在其操作和最終成像結(jié)果上是不同的，尤其是在照相機(jī)或目標(biāo)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)。下圖顯示了全局快門傳感器的曝光時(shí)間。所有像素都同時(shí)開(kāi)始和結(jié)束曝光，但讀出仍然逐行進(jìn)行。該定時(shí)產(chǎn)生沒(méi)有失真或扭曲的圖像。全局快門傳感器對(duì)于高速移動(dòng)物體成像至關(guān)重要。 下圖顯示了卷簾快門傳感器的曝光時(shí)間。曝光時(shí)間逐行不同，重置和讀出發(fā)生在不同的時(shí)間。如果目標(biāo)或相機(jī)運(yùn)動(dòng)，則此逐行曝光會(huì)產(chǎn)生圖像失真。卷簾傳感器為成像靜態(tài)或緩慢移動(dòng)的物體提供出色的靈敏度。

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深入內(nèi)容

結(jié)構(gòu)

像素結(jié)構(gòu)

像素基礎(chǔ)電路結(jié)構(gòu)

CMOS圖像傳感器中的像素可以看作是由一個(gè)光電二極管、光電二極管復(fù)位開(kāi)關(guān)、信號(hào)放大器和輸出電路組成的電路。具有信號(hào)放大功能的像素被稱為有源像素。MRS為光電二極管的復(fù)位晶體管、MSEL為位線選擇晶體管、MRD和偏執(zhí)電流負(fù)載形成一個(gè)源極跟隨器、Vpix為光電二極管的電壓、VPIXOUT為輸出節(jié)點(diǎn)、CSH為采樣保持電容、CPIX為像素內(nèi)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電容。源極跟隨器是一種電壓緩沖器，具有電流放大能力，但不進(jìn)行電壓放大。光生電荷由式AV*(CSH/CPIX)得出。其中AV是源極跟隨器的電壓增益(<1)。

X-Y像素尋址方式

視頻信號(hào)是通過(guò)行（垂直）和列（水平）掃描器對(duì)像素陣列進(jìn)行光柵掃描獲得的。一般情況下，行掃描器在每一幀時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)行選擇脈沖和一個(gè)復(fù)位脈沖并送入選定行的像素中，列掃描器在每一個(gè)行周期掃描各列。CMOS 圖像傳感器中兩種常見(jiàn)的掃描器是移位寄存器和解碼器。移位寄存器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，翻轉(zhuǎn)噪聲低，在一些改進(jìn)結(jié)構(gòu)中讀出更加靈活。而解碼器具有比移位寄存器更大的掃描靈活性，可以應(yīng)用窗選讀出或跳躍式讀出。

固定模式噪聲抑制

CCD將光生電荷轉(zhuǎn)移到位于CCD寄存器后端的電荷檢測(cè)放大器，使得所有信號(hào)均通過(guò)同樣的放大器后讀出，因此，放大器的失調(diào)保持恒定。另一方面，CMOS 圖像傳感器中的每個(gè)像素的放大器都有失調(diào)的波動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致固定模式噪聲的產(chǎn)生。MRD 閾值電壓的波動(dòng)是該噪聲的主要來(lái)源，其大小一般為幾十毫伏。因此，CMOS 圖像傳感器必須增加噪聲抑制電路來(lái)抑制失調(diào)的波動(dòng)。固定模式噪聲抑制的原理如下圖。首先，經(jīng)過(guò)一段積分時(shí)間后，像素輸出一個(gè)包含光生信號(hào)和放大器失調(diào)的信號(hào) VSIG，這個(gè)信號(hào)讀出后被存儲(chǔ)在一個(gè)存儲(chǔ)單元中。像素被復(fù)位后輸出一個(gè)僅包含放大器失調(diào)的信號(hào)VRST，這個(gè)信號(hào)再次被讀出并存儲(chǔ)在另一個(gè)存儲(chǔ)單元中。通過(guò)對(duì)兩次輸出做差，放大器的失調(diào)可以抵消。應(yīng)該指出的是，由暗電流的變化引起的失調(diào)不能被抑制。

像素尋址和信號(hào)處理結(jié)構(gòu)

卷簾式快門和全局快門

功耗對(duì)比

CMOS有緣像素技術(shù)

CMOS圖像傳感器的有源像素由一個(gè)光電二極管和一個(gè)讀出電路構(gòu)成。下面主要是介紹光電二極管的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的讀出方案。

PN光電二極管像素

PN詳細(xì)見(jiàn)維基百科。 PN光電二極管像素在早期的CMOS 圖像傳感器中比較流行。它只需相對(duì)簡(jiǎn)單的修改就可以被整合到 CMOS 制造和設(shè)計(jì)工藝中，并且這種修改可以通過(guò)電路原理圖來(lái)表述，從而使圖像傳感器的設(shè)計(jì)兼容于通用集成電路設(shè)計(jì)環(huán)境中。因此，對(duì)于低成本圖像傳感器或小規(guī)模定制化圖像傳感器來(lái)講，PN光電二極管像素仍然是劃算的解決方案。雖然噪聲性能通常不如鉗位光電二極管像素，但 PN 光電二極管像素在提供更大的滿阱容量上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。滿阱容量可以通過(guò)增加 PN 光電二極管像素的光電二極管電容得到提升，但是鉗位光電二極管像素的滿阱容量受到光電二極管鉗位電勢(shì)的限制。 PN光電二極管結(jié)構(gòu) 光電二極管復(fù)位噪聲（kTC噪音）

硬復(fù)位和軟復(fù)位

復(fù)位晶體管工作在飽和模式下的復(fù)位被稱為“軟復(fù)位"，工作丁線性模式下的復(fù)位則被稱為“硬復(fù)位”。硬復(fù)位的噪聲電平由上式給出。在軟復(fù)位模式下的復(fù)位噪聲被降低到大約 1 / 、，這是復(fù)位期間對(duì)電流的整流效果造成的。

? ? 軟復(fù)位的一個(gè)缺點(diǎn)是它引人了圖像拖尾，這是由復(fù)位后光電二極管電壓對(duì)曝光的依賴引起的，即在有限的復(fù)位時(shí)間內(nèi)復(fù)位電壓不足以達(dá)到某一固定電壓值。在軟復(fù)位操作前，注人偏置電荷（稱為“刷新復(fù)位"）可以消除圖像拖尾。復(fù)位噪聲顯著影響暫態(tài)本底噪聲。例如，具有 5fF 電容和 1 V 電壓擺幅的光電二極管，軟復(fù)位的 kTC 噪聲電荷和滿阱容量分別是 28e- 和 32ke- ，這意味著復(fù)位噪聲將最大動(dòng)態(tài)范圍限制為 61dB?！　?/p>