剖析CMOS圖像傳感器基礎(chǔ)知識和參數(shù)

CMOS圖像傳感器的工作原理：每一個 CMOS 像素都包括感光二極管（Photodiode）、浮動式擴散層（Floating diffusion layer）、傳輸電極門 （Transfer gate）、起放大作用的MOSFET、起像素選擇開關(guān)作用的M0SFET。

在 CMOS 的曝光階段，感光二極管完成光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生信號電荷，曝光結(jié)束后，傳輸電極門打開，信號電荷被傳送到浮動式擴散層，由起放大作用的MOSFET電極門來拾取，電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。

所以這樣的 CMOS 也就完成了光電轉(zhuǎn)換、電荷電壓轉(zhuǎn)換、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換的三大作用，通過它我們就能把光信號轉(zhuǎn)化為電信號，最終得到數(shù)字信號被計算機讀取，這樣，我們就已經(jīng)擁有了記錄光線明暗的能力，但這還不夠，因為我們需要色彩。

現(xiàn)代彩色CMOS 的原理也很簡單，直接在黑白圖像傳感器的基礎(chǔ)上增加色彩濾波陣列（CFA），從而實現(xiàn)從黑白到彩色的成像。很著名的一種設(shè)計就是Bayer CFA（拜耳色彩濾波陣列）。

一個很有趣的事就是，我們用來記錄光影的 CMOS， 和我們用來輸出光影的顯示器，原理也剛好是向相反的，CMOS 把光轉(zhuǎn)化為電信號最后以數(shù)字格式記錄，顯示器把解碼的數(shù)字格式從電信號重新轉(zhuǎn)化為光。光電之間的轉(zhuǎn)換也就構(gòu)成了我們?nèi)祟悢?shù)字影像的基礎(chǔ)。

當前主流的CMOS廠商有：索尼、三星、豪威、格科微、思特威、安森美等公司。

常見的色彩濾波陣列：RGGB：一個紅光、一個藍光、兩個綠光濾波器

每個像素只能感應(yīng)一種顏色的光，但是我對外輸出的時候，需要知道這個像素的rgb值，我就只能通過周圍像素去計算，這個計算和轉(zhuǎn)換是靠ISP去完成的。進從而得出我這個像素的RGB的值，這樣我每個像素雖然只感應(yīng)了一種光，但是每個像素經(jīng)過處理后傳輸?shù)酵饷婧缶褪怯蠷GB的信息了。這些原始的感光數(shù)據(jù)成為RAW data。

RCCC：75% 部分為透傳，其余 25% 為感受紅光的濾波器。RCCC 的優(yōu)點是光靈敏度高，適用于弱光環(huán)境。由于 RCCC 只有紅色光濾波器，因此主要用在對于紅色標識敏感的場合，比如交通燈檢測。

RCCB：50% 部分為透傳，其余紅光藍光濾波器各占 25%。RCCB 的弱光敏感性比 RCCC 稍差（Clear 部分少），但它分辨色彩的能力更好，采集的圖像既可以用于機器分析，也可以用于人眼觀察。

Mono：100% 透傳，它不能分辨色彩。Mono 配置的弱光靈敏度最高，僅用于對顏色無識別要求的場合，如駕駛員狀態(tài)檢測等。

幾個重要參數(shù)的理解：

1、傳感器尺寸：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、2/3、1/2、1/3、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)指標之一。CMOS圖像傳感器的總體像素中被用來進行有效的光電轉(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。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、分辨率：對景物中明暗細節(jié)的分辨能力。

5、像元尺寸也就是像素的大?。菏侵?a target="_blank">芯片像元陣列上的每個像素的實際物理尺寸，通常的尺寸包括14um、10um、9um、7um、6.45um、3.75um、3.0um、2.0um、1.75um、1.4um、1.2um、1.0um等，像元尺寸從某種程度上反映了芯片的對光的響應(yīng)能力，像元尺寸越大，能夠接收到的光子數(shù)量越多，在同樣的光照條件和曝光時間內(nèi)產(chǎn)生的電荷數(shù)量越多。對于弱光成像而言，像元尺寸是芯片靈敏度的一種表征。

6、靈敏度：靈敏度是芯片的重要參數(shù)之一，它具有兩種物理意義。一種是光器件的光電轉(zhuǎn)換能力，與響應(yīng)率的意義相同。即芯片的靈敏度指在一定的光譜范圍內(nèi)，單位曝光量的輸出信號電壓（電流），單位可以為納安/勒克斯nA/Lux、伏/瓦（V/W）、伏/勒克斯（V/Lux）、伏/流明（V/lm）。另一種是指器件所能傳感的對地輻射功率（或照度），與探測率的意義相同，單位可用瓦（w）或勒克斯（Lux）表示。

7、壞點數(shù)，由于受到制造工藝的限制，對于有幾百萬像素點的傳感器而言，所有的像元都是好的情況幾乎不可能，壞點數(shù)是指芯片中壞點（不能有效成像的像元或相應(yīng)不一致性大于參數(shù)允許的范圍的像元）的數(shù)量，壞點數(shù)是衡量芯片質(zhì)量的重要參數(shù)。

8、光譜效應(yīng)，指芯片對于不同光波長光線的響應(yīng)能力。技術(shù)發(fā)展趨勢，體積小型化及高像素化仍是業(yè)界積極研發(fā)的目標。因為像素尺寸小則圖像產(chǎn)品的分辨率越高、清晰度越好、體積越小，其應(yīng)用面更廣泛。

9、CRA角度：從鏡頭的傳感器一側(cè)，可以聚焦到像素上的光線的最大角度被定義為主光角（CRA），鏡頭軸心線附近接近零度，與軸心線的距離越大，角度也隨之增大。CRA與像素在傳感器的位置是相關(guān)的。如果lens的CRA小于sensor的CRA，一定會有偏色現(xiàn)象。

10、動態(tài)范圍：測量了圖像傳感器在同一張照片中同時捕獲光明和黑暗物體的能力，通常定義為最亮信號與最暗信號比值的對數(shù)。

11、IR cut（濾除紅外光）

如果沒有，圖像就會明顯偏紅，這種色差是沒法用軟件來調(diào)整的。

12、快門

Global Shutter（全局快門）與Rolling Shutter（卷簾快門）對應(yīng)全局曝光和卷簾曝光模式。卷簾快門逐行曝光的方式，全局快門是全部像素同時曝光，所以全局快門能夠拍運動的物體而不產(chǎn)生形變，因為全局快門在每一個像素上添加了一個存儲單元

13、像素技術(shù)

FSI：前照式， 光是從前面的金屬控制線之間進入，然后再聚焦在光電檢測器上。

BSI：背照式，光線無需穿過金屬互連層，優(yōu)勢大，比較有前景。

BSI在低照條件下的成像亮度和清晰度都比FSI有更大的優(yōu)勢。

傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器是前照式結(jié)構(gòu)的，自上而下分別是透鏡層、濾色片層、線路層、感光元件層。采取這個結(jié)構(gòu)時，光線到達感光元件層時必須經(jīng)過線路層的開口，這里易造成光線損失。

而背照式把感光元件層換到線路層的上面，感光層只保留了感光元件的部分邏輯電路，這樣使光線更加直接的進入感光元件層，減少了光線損失，比如光線反射等。因此在同一單位時間內(nèi)，單像素能獲取的光能量更大，對畫質(zhì)有明顯的提升。不過該結(jié)構(gòu)的芯片生產(chǎn)工藝難度加大，良率下降，成本相對高一點。

堆棧式（stack）：堆棧式是在背照式上的一種改良，是將所有的線路層挪到感光元件的底層，使開口面積得以最大化，同時縮小了芯片的整體面積。對產(chǎn)品小型化有幫助。另外，感光元件周邊的邏輯電路移到底部之后，理論上看邏輯電路對感光元件產(chǎn)生的效果影響就更小，電路噪聲抑制得以優(yōu)化，整體效果應(yīng)該更優(yōu)。

業(yè)內(nèi)的朋友應(yīng)該了解相同像素的堆棧式芯片的物理尺寸是比背照式芯片的要小的。但堆棧式的生產(chǎn)工藝更大，良率更低，成本更高。索尼的IMX214（堆棧式）和IMX135（背照式）或許很能說明上述問題。

索尼的STARVIS：基于BSI的應(yīng)用于監(jiān)控攝像機的技術(shù)，在可見光和近紅外光區(qū)域?qū)崿F(xiàn)高畫質(zhì)。

索尼的Pregius：將BSI技術(shù)和全局快門結(jié)合一起。

Tetracelll：四合一像素技術(shù)

三星的ISOCELL：基于BSI，通過在圖像傳感器里的像素之間形成一道絕物理性絕緣體，來有效的防止進入像素的光信號外漏。

OV的PureCel：基于BSI和先進的4-單元像素內(nèi)合并模式。

OV的OmniBSI：基于BSI，像素緊湊，減少像素的串擾問題。

思特威的smartGS：基于BSI應(yīng)用于全局快門。

思特威的SmartPixel：基于BSI，適用于安防監(jiān)控行業(yè)的Rolling Shutter產(chǎn)品系列。

思特威的SmartClarity：基于BSI，具備出色的夜視性能。

14、傳輸接口

MIPI： 移動行業(yè)處理器接口，是MIPI聯(lián)盟發(fā)起的為移動應(yīng)用處理器制定的開放標準。串行數(shù)據(jù)，速度快，抗干擾，主流。

LVDS：低壓差分信號技術(shù)接口。

DVP：并口傳輸，速度較慢，傳輸?shù)膸挼汀?/p>

Parallel：并行數(shù)據(jù)，含12位數(shù)據(jù)信號，行場同步信號和時鐘信號。

HISPI：高速像素接口，串行數(shù)據(jù)。

SLVS-EC： 由 SONY 公司定義，用于高幀率和高分辨率圖像采集，它可以將高速串行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為 DC（Digital Camera）時序后傳遞給下一級模塊 VICAP（Video Capture）。

SLVS-EC 串行視頻接口可以提供更高的傳輸帶寬，更低的功耗，在組包方式上，數(shù)據(jù)的冗余度也更低。在應(yīng)用中 SLVS-EC 接口提供了更加可靠和穩(wěn)定的傳輸。

15、封裝

BGA： 球形觸點陳列，表面貼裝型封裝。球柵網(wǎng)格陣列封裝。

LGA： 平面網(wǎng)格陣列封裝。

PGA： 插針網(wǎng)格陣列封裝。

CSP： 芯片級封裝的意思。

COB： 將裸芯片用導電或非導電膠粘附在互連基板上，然后進行引線鍵合實現(xiàn)其電連接。

Fan-out：扇出晶圓級封裝。

PLCC：帶引線的塑料芯片載體。表面貼裝型封裝。

TSV： TSV技術(shù)本質(zhì)上并不是一種封裝技術(shù)方案，而只是一種重要的工具，它允許半導體裸片和晶圓以較高的密度互連在一起。

來源：CSDN博主「jingwang2458」

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