CMOS圖像傳感器技術簡介

CMOS圖像傳感器

CMOS圖像傳感器（CIS）是模擬電路和數字電路的集成。主要由四個組件構成：微透鏡、彩色濾光片 （CF）、光電二極管（PD）、像素設計。

1.微透鏡：具有球形表面和網狀透鏡；光通過微透鏡時，CIS的非活性部分負責將光收集起來并將其聚焦到彩色濾光片。

2.彩色濾光片（CF）：拆分反射光中的紅、綠、藍 （RGB）成分，并通過感光元件形成拜爾陣列濾鏡。

3.光電二極管（PD）：作為光電轉換器件，捕捉光并轉換成電流；一般采用PIN二極管或PN結器件制成。

4.像素設計：通過CIS上裝配的有源像素傳感器（APS）實現。APS常由3至6個晶體管構成，可從大型電容陣列中獲得或緩沖像素，并在像素內部將光電流轉換成電壓，具有較完美的靈敏度水平和的噪聲指標。

Bayer陣列濾鏡與像素

1.感光元件上的每個方塊代表一個像素塊，上方附著著一層彩色濾光片（CF），CF拆分完反射光中的RGB成分后，通過感光元件形成拜爾陣列濾鏡。經典的Bayer陣列是以2x2共四格分散RGB的方式成像，Quad Bayer陣列擴大到了4x4，并且以2x2的方式將RGB相鄰排列。

2.像素，即亮光或暗光條件下的像素點數量，是數碼顯示的基本單位，其實質是一個抽象的取樣，我們用彩色方塊來表示。

3.圖示像素用R（紅）G（綠）B（藍）三原色填充，每個小像素塊的長度指的是像素尺寸，圖示尺寸為0.8μm。

Bayer陣列濾鏡與像素

濾鏡上每個小方塊與感光元件的像素塊對應，也就是在每個像素前覆蓋了一個特定的顏色濾鏡。比如紅色濾鏡塊，只允許紅色光線投到感光元件上，那么對應的這個像素塊就只反映紅色光線的信息。隨后還需要后期色彩還原去猜色，最后形成一張完整的彩色照片。感光元件→Bayer濾鏡→色彩還原，這一整套流程，就叫做Bayer陣列。

前照式（FSI）與背照式（BSI）

早期的CIS采用的是前面照度技術FSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED），拜爾陣列濾鏡與光電二極管（PD）間夾雜著金屬（鋁，銅）區，大量金屬連線的存在對進入傳感器表面的光線存在較大的干擾，阻礙了相當一部分光線進入到下一層的光電二極管（PD），信噪比較低。技術改進后，在背面照度技術BSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED）的結構下，金屬（鋁，銅）區轉移到光電二極管（PD）的背面，意味著經拜爾陣列濾鏡收集的光線不再眾多金屬連線阻擋，光線得以直接進入光電二極管；BSI不僅可大幅度提高信噪比，且可配合更復雜、更大規模電路來提升傳感器讀取速度。

CIS參數——幀率

幀率（Frame rate）：以幀為單位的位圖圖像連續出現在顯示器上的頻率，即每秒能顯示多少張圖片。而想要實現高像素CIS的設計，很重要的一點就是Analog電路設計，像素上去了，沒有匹配的高速讀出和處理電路，便無辦法以高幀率輸出出來。

索尼早于2007年chuan‘gan發布了首款Exmor傳感器。Exmor傳感器在每列像素下方布有獨立的ADC模數轉換器，這意味著在CIS芯片上即可完成模數轉換，有效減少了噪聲，大大提高了讀取速度，也簡化了PCB設計。

CMOS圖像傳感器的應用

CMOS圖像傳感器全球市場規模

2017年為CMOS圖像傳感器高增長點，同比增長達到20%。2018年，全球CIS市場規模155億美元，預計2019年同比增長10%，達到170億美元。

目前，CIS市場正處于穩定增長期，預計2024年市場逐漸飽和，市場規模達到240億美元。

CIS應用——車載領域

1.車載領域的CIS應用包括：后視攝像（RVC），全方位視圖系統（SVS），攝像機監控系統（CMS），FV/MV，DMS/IMS系統。

2.汽車圖像傳感器全球銷量呈逐年增長趨勢。

3.后視攝像（RVC）是銷量主力軍，呈穩定增長趨勢，2016年全球銷量為5100萬臺，2018年為6000萬臺，2019年達到6500萬臺，2020年超過7000萬臺。

4.FV/MV全球銷量增長迅速，2016年為1000萬臺，2018年為3000萬臺，此后，預計FV/MV將依舊保持迅速增長趨勢，019年銷量4000萬臺，2021達7500萬臺，直逼RVC全球銷量。

車載領域——HDR技術方法

1.HDR解決方案，即高動態范圍成像，是用來實現比普通數位圖像技術更大曝光動態范圍。

2.時間復用。相同的像素陣列通過使用多個卷簾（交錯HDR）來描繪多個邊框。好處：HDR方案是與傳統傳感 器兼容的最簡單的像素技術。缺點：不同時間發生的捕獲導致產生運動偽影。

3.空間復用。單個像素陣列幀被分解為多個，通過不同的方法捕獲：1.像素或行級別的獨立曝光控制。優點：單幀中的運動偽影比交錯的運動偽影少。缺點：分辨率損失，且運動偽影仍然存在邊緣。2.每個像素共用同一微透鏡的多個光電二極管。優點：在單個多捕獲幀中沒有運動偽影；缺點：從等效像素區域降低靈敏度。

4.非常大的全井產能。

審核編輯：郭婷