cmos圖像傳感器結(jié)構(gòu)

　　CMOS圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)目前主要有無源像素圖像傳感器（Passive Pixel Sensor，PPS）和有源像素圖像傳感器（Active Pixel Sensor，APS）兩種，如圖1所示。由于PPS信噪比低、成像質(zhì)量差，所以目前絕大多數(shù)CMOS圖像傳感器采用的是APS結(jié)構(gòu)。APS結(jié)構(gòu)的像素內(nèi)部包含一個(gè)有源器件。由于該放大器在像素內(nèi)部具有放大和緩沖功能，具有良好的消噪功能，且電荷不需要像CCD器件那樣經(jīng)過遠(yuǎn)距離移位到達(dá)輸出放大器，因此避免了所有與電荷轉(zhuǎn)移有關(guān)的CCD器件的缺陷。

　　圖1 CMOS的兩種像素結(jié)構(gòu)

　　由于每個(gè)放大器僅在讀出期間被激發(fā)，所以將經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的信號(hào)在像素內(nèi)放大，然后用X－Y地址方式讀出，提高了固體圖像傳感器的靈敏度。APS像素單元有放大器，它不受電荷轉(zhuǎn)移效率的限制，速度快，圖像質(zhì)量較PPS得到了明顯地改善。但是與PPS相比，APS的像素尺寸較大、填充系數(shù)小，所設(shè)計(jì)的填充系數(shù)典型值為0.2～0.3。

　　一個(gè)典型的CMOS圖像傳感器的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。在同一芯片上集成有模擬信號(hào)處理電路、I（2）C控制接口、曝光／白平衡控制、視頻時(shí)序產(chǎn)生電路、數(shù)字轉(zhuǎn)換電路、行選擇、列選擇及放大和光敏單元陣列。芯片上的模擬信號(hào)處理電路主要執(zhí)行相關(guān)雙采樣（CorrelatedDouble Sampling，CDS）功能。芯片上的A／D轉(zhuǎn)換器可以分為像素級(jí)、列級(jí)和芯片級(jí)幾種情況，即每一個(gè)像素有一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器，每一個(gè)列像素有一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器，或者每一個(gè)感光陣列有一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器。由于受芯片尺寸的限制，所以像素級(jí)的A／D轉(zhuǎn)換器不易實(shí)現(xiàn)。CMOS片內(nèi)部提供了一系列控制寄存器，通過總線編程（如Pc總線）來對(duì)自增益、自動(dòng)曝光、白色平衡、／校正等功能進(jìn)行控制，編程簡(jiǎn)單、控制靈活。直接輸出的數(shù)字圖像信號(hào)可以很方便地與后續(xù)處理電路接口，供數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)其進(jìn)行處理。

　　圖2 CMOS芯片組成方框圖

　　CMOS圖像傳感器陣列結(jié)構(gòu)

　　下圖所示的是CMOS像敏元陣列結(jié)構(gòu)，它由水平移位寄存器、垂直移位寄存器和CMOS像敏元陣列組成。

　?。?一垂直移位寄存器：2一水平移位寄存器；3一水平掃描開關(guān)；4一垂直掃描開關(guān)；5一像敏元陣列；6一信號(hào)線；7一像敏元）

　　下圖是CMOS攝像器件的原理框圖。

　　如前所述，各MOS晶體管在水平和垂直掃描電路的脈沖驅(qū)動(dòng)下起開關(guān)作用。水平移位寄存器從左至右順次地接通起水平掃描作用的MOS晶體管，也就是尋址列的作用，垂直移位寄存器順次地尋址列陣的各行。每個(gè)像元由光敏二極管和起垂直開關(guān)作用的MOS晶體管組成，在水平移位寄存器產(chǎn)生的脈沖作用下順次接通水平開關(guān)，在垂直移位寄存器產(chǎn)生的脈沖作用下接通垂直開關(guān)，于是順次給像元的光敏二極管加上參考電壓（偏壓）。被光照的二極管產(chǎn)生載流子使結(jié)電容放電，這就是積分期間信號(hào)的積累過程。而上述接通偏壓的過程同時(shí)也是信號(hào)讀出過程。在負(fù)載上形成的視頻信號(hào)大小正比于該像元上的光照強(qiáng)弱。

　　cmos圖像傳感器市場(chǎng)

　　cmos圖像傳感器始于“拍照和錄像應(yīng)用”，盛行于“移動(dòng)市場(chǎng)”，最近幾年，又受到高附加值下游市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)。那么，未來哪些將成為cmos圖像傳感器的高增長(zhǎng)領(lǐng)域呢？消費(fèi)類、無人機(jī)、機(jī)器人還是VR？

　　cmos圖像傳感器具有體積小、功耗低等優(yōu)勢(shì)，在cmos圖像傳感器領(lǐng)域占有率達(dá)到90%。隨著背照式和堆棧式技術(shù)等新型CMOS圖像傳感器技術(shù)的進(jìn)步，以及雙攝像頭、3D攝像頭陸續(xù)出現(xiàn)并成為智能手機(jī)的新賣點(diǎn)。再加上汽車、無人機(jī)、VR以及AR技術(shù)等新興市場(chǎng)的推動(dòng)，cmos圖像傳感器正迎來新一輪的產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)高峰。

　　1、消費(fèi)市場(chǎng)依然占據(jù)主導(dǎo)地位

　　眾所周知，移動(dòng)端一直是cmos圖像傳感器重要的市場(chǎng)。據(jù)預(yù)測(cè)，未來智能手機(jī)中將廣泛采用雙攝像頭和3D攝像頭，隨著這兩種應(yīng)用的普及，CMOS無疑將迎來新一輪的爆發(fā)。同時(shí)這將驅(qū)動(dòng)著cmos圖像傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)生變化，從成像質(zhì)量到人機(jī)交互，這是一個(gè)從成像到傳感和用戶界面的大轉(zhuǎn)變。

　　2、汽車是增長(zhǎng)最快的細(xì)分市場(chǎng)

　　汽車電子是cmos圖像傳感器增長(zhǎng)最快的細(xì)分市場(chǎng)，2015年全球銷售額為4.8億美元，占CMOS市場(chǎng)的4.8%，預(yù)計(jì)2020年銷售額可達(dá)18億美元，市場(chǎng)占比將達(dá)到11%。

　　ADAS系統(tǒng)的不斷進(jìn)步使得汽車上需要搭載后視、前視、環(huán)繞視CMOS攝像頭，以直接獲取周圍環(huán)境的圖像信息，實(shí)現(xiàn)前向碰撞預(yù)警、車道偏離警示、自動(dòng)泊車、路況記錄、車輛/行人/障礙物識(shí)別、車內(nèi)環(huán)境監(jiān)控等功能。目前高端汽車ADAS系統(tǒng)包含5-8個(gè)攝像頭，未來隨著無人駕駛技術(shù)的發(fā)展，汽車搭載的CMOS傳感器數(shù)量有望超過10個(gè)。

　　3、醫(yī)療應(yīng)用需求涌現(xiàn)

　　傳統(tǒng)的電荷耦合設(shè)備（CCD）圖像傳感器技術(shù)已不能滿足醫(yī)療圖像抓取應(yīng)用的需要。cmos圖像傳感器憑借其六大優(yōu)勢(shì)席卷醫(yī)療電子應(yīng)用，主要優(yōu)勢(shì)包括：系統(tǒng)集成度更高、動(dòng)力要求較低、圖像抓取功能更為靈活、界面智能化程度更高、動(dòng)態(tài)范圍更大、感光度更高。一些常用的醫(yī)療器械如醫(yī)療內(nèi)窺鏡均因?yàn)閏mos圖像傳感器使得性能有大幅度提升。

　　ams的cmos圖像傳感器已經(jīng)在以上這些領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，ams CEO Alexander Everke就曾預(yù)測(cè)其他細(xì)分市場(chǎng)未來也有廣闊的應(yīng)用空間：“未來cmos圖像傳感器將在3D建模、AR/VR、手勢(shì)、臉部識(shí)別、3D掃描和游戲六大領(lǐng)域爆發(fā)?！?/p>

　　下游需求旺盛，產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，在cmos圖像傳感器界占有重要地位的ams以一系列高性能的產(chǎn)品組合，并不斷致力于技術(shù)創(chuàng)新的戰(zhàn)略來面對(duì)。

　　4、面型圖像傳感器

　　包含CMV、CHR系列產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于工業(yè)視覺、科學(xué)研究、航天軍事及醫(yī)療儀器相關(guān)領(lǐng)域。