CMOS图像传感器简史,看CMOS传感器发展趋势

2017-06-19 14:41:04 来源:半导体行业观察
分享到:
标签:
CMOS   CCD   PIN

 

在过去的十年里,CMOS图像传感器(CIS)技术取得了令人瞩目的进展,图像传感器的性能也得到了极大的改善。自从在手机中引入相机以来,CIS技术取得了巨大的商业成功。

包括科学家和市场营销专家在内的许多人,早在15年前就预言,CMOS图像传感器将完全取代CCD成像设备,就像20世纪80年代中期CCD设备取代了视频采集管一样。尽管CMOS在成像领域占有牢固的地位,但它并没有完全取代CCD设备。

另一方面,对CMOS技术的驱动极大地提升了整个成像市场。CMOS图像传感器不仅创建了新的产品应用程序,而且还提高了CCD成像设备的性能。本文介绍了CMOS图像传感器技术中最先进的技术,并对未来的发展前景进行了展望。

图像传感器的定义和用途
图像传感器是一种将光学图像转换成电子信号的电子设备。转换的方法因图像传感器的类型而异

• “模拟”CCD执行光子到电子的转换。

• “数字”CMOS图像传感器(CIS)执行光子到电压的转换

图像传感器用于数码相机和成像设备,将相机或成像设备接收到的光线转换为数字图像。

CIS vs. CCD

今天,有两种不同的技术用于数字图像采集(图1):

• 电荷耦合器件(CCD)是线性传感器,其输出与接收到的光子数量直接相关。

• 互补金属氧化物半导体(CMOS,或CMOS图像传感器CIS)是一种较新的并行读出技术。

这两种类型的成像设备都将光转化为电子(或电荷),随后即可处理成电子信号。CCD的设计目的是将电荷逐个像素地移动,直到它们到达专用读出区域放大器。CMOS图像传感器直接在像素上进行放大。更高级的CIS技术提供了一个并行读出架构,其中每个像素都可以单独寻址,或者作为一个组并行地读出(参见图1)。

 


CMOS传感器的制造成本远低于CCD传感器。由于新型图像传感器的价格下降,数码相机已经变得非常便宜和普及。

在表1中,我们展示了CCD和CMOS架构的主要区别。 每个都有独特的优点和缺点,在不同的应用中各显其能(用绿色表示)。

 


表1:CCD与CMOS架构比较(来源:e2V)


CIS中的关键组件

CMOS图像传感器有四个主要组件(见图2):

1光电二极管(PD)

2 像素设计

3 彩色滤光片(CF)

4 微透镜

光电二极管(PD)用于捕捉光,一般用于实现这一功能的是PIN二极管或PN结器件。最广泛实现的像素设计被称为“有源像素传感器”(APS)。通常使用3—6个晶体管,它们可以从大型电容阵列中获得或缓冲像素。彩色滤光片用于分离反射光的红、绿、蓝(RGB)成分。最后,微透镜从CIS的非活性部分收集光,并将其聚焦到光电二极管。微透镜通常具有球形表面和网状透镜。

 


图2:CIS中的关键组件(来源:IBM,FSI)


CIS性能参数
有许多参数可用于评估图像传感器的性能。我们使用三个主要指标对这些参数进行分类:

1像素布局:像素数,像素间距,像素填充因子

2像素物理:量子效率,阱容量,动态范围,转换增益,暗电流

3像素读数:信噪比,帧速率,线性度,功耗,位深度,调制传递函数,快门效率

(4)背面照度(BSI)技术与前面照度(FSI)技术

高级CMOS图像传感器制造商正在寻求新的架构,以便在保持或增强电—光性能的同时减小像素尺寸。较小的像素通常会带来更高的分辨率、更小的器件,以及更低的功耗和成本。理想情况下,缩小像素尺寸的任何新CIS架构都不应该降低性能或图像质量。一种较新的CIS架构背面照度(BSI)技术,是常用的前面照度(FSI)技术的有前途的替代方案(见图3)。

 


图3:::FSI vs. BSI


BSI技术涉及到将图像传感器倒置,并将彩色滤光片和微透镜应用于像素的背面,以便传感器可以通过背面收集光线。 BSI具有深光电二极管和短光路,从而具有更高的量子效率(1)(QE)和较低的串扰(2)(见图4)。

 


图4:串扰


(1)QE =转换成为电子的光子的百分比

(2)电子串扰=相邻像素之间的电荷(电子或空穴,取决于像素类型)的扩散。它由于底层的电子机制(扩散和漂移)而在硅材料中发生

 

 
关注与非网微信 ( ee-focus )
限量版产业观察、行业动态、技术大餐每日推荐
享受快时代的精品慢阅读
 

 

继续阅读
手机双摄像头模组迎来黄金期,华为等国内品牌来“扫货”

原本应该是CIS影像传感器代理渠道业者看好的传统旺季3Q,今年则出现旺季恐不旺的逆转趋势,熟悉相关业者透露,尽管今年双镜头照相模组需求火热,不过,大陆扶植自家模组厂、代理渠道方向明显,台系业者传出掉单,几大照相模组业者正积极跟华为等一线大陆品牌协调中,然而对于3Q营运的影响却已经渐渐浮现。

我国CCD控制器研究达国家先进水准?国家天文到底有了啥突破

经过三年努力和两轮流片试验,超大型CCD控制器研制的关键元件之一,CCD控制器偏压及时钟驱动电路ASIC,日前在中国科学院国家天文台天文光学与红外探测器实验室研制成功,使得国家天文台在CCD控制器的研制技术上位居国际先进水平,为我国独立研制超大规模的CCD系统奠定了基础。

Sony CMOS影像传感器被苹果等承包,国产镜头厂商迎来机会

原本应该是CIS影像传感器代理渠道业者看好的传统旺季3Q,今年则出现旺季恐不旺的逆转趋势,熟悉相关业者透露,尽管今年双镜头照相模组需求火热,不过,大陆扶植自家模组厂、代理渠道方向明显,台系业者传出掉单,几大照相模组业者正积极跟华为等一线大陆品牌协调中,然而对于3Q营运的影响却已经渐渐浮现。

瑞萨电子宣布推出用于4K网络摄像机的848万像素CMOS图像传感器
瑞萨电子宣布推出用于4K网络摄像机的848万像素CMOS图像传感器

全球领先的半导体解决方案供应商瑞萨电子株式会社(TSE:6723)今日发布了一款用于4K摄像机的高灵敏度CMOS图像传感器(RAA462113FYL),分辨率高达848万。连同已投入量产的212万像素产品,瑞萨电子可为其用于网络摄像机的高端CMOS图像传感器提供全面的销售支持。

移动业务暴涨771%,姨夫如何让索尼起死回生
移动业务暴涨771%,姨夫如何让索尼起死回生

8月1日,索尼公布了2017财年第一季度财报(4月1日至6月30日),看到这些一片飘红的数据,瞬间懂了索尼的硬气从何而来,之前敢于对CMOS图像传感器客户挑肥拣瘦!

更多资讯
汇顶科技/AuthenTec/FPC/新思/敦泰等指纹识别厂商如何应对全面屏手机时代?
汇顶科技/AuthenTec/FPC/新思/敦泰等指纹识别厂商如何应对全面屏手机时代?

目前,在全球手机市场最热门的词汇莫过于全面屏,在小米尝鲜之后,包括三星、苹果、华为等手机厂商都涌入了这个领域。当“美人尖”、“齐刘海”、“短下巴”大行其道的时候,手机的正面却没有一个指纹识别的位置,苹果放弃touch ID更是给了这个产业“致命一击”。

芯启航专注研发超声波指纹识别,国内生物是被厂商都在做什么?

iPhone x的出现吸引了不少人的关注之外,其全面屏的设计因素受到业界和网友的一致赞赏,而其搭载的Face ID功能也迅速成为时下“网红”,引起智能手机终端和供应链环节的关注。

Mesh开启蓝牙新时代

8月上旬,制定蓝牙新规格和新标准的蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)发布了最新的创新网络拓扑。该新标准名为蓝牙Mesh,其整个第二层软件摒弃了蓝牙过去的点对点通信,取而代之运用mesh支持所有点之间的彼此通信。

《AlphaGo》电影发布预告片,人工智能走上荧幕
《AlphaGo》电影发布预告片,人工智能走上荧幕

下完第二局的36手后,李世石首次离开赛场,空荡荡的台阶上浮起香烟袅袅。而在赛场中,无知无觉对手已经不在的AlphaGo,走了一步“肩冲”。这第37手,随后被棋坛评价为“天外飞仙”,令聂卫平脱帽致敬……

全面屏时代,指纹识别的走势分析
全面屏时代,指纹识别的走势分析

因全面屏的到来导致的指纹识别模块的放置也成了大众竞相猜测的重点,而目前可以确认的是以上的全面屏手机都采用了后置指纹识别方案,iPhone X甚至直接取消了指纹识别改为了面部识别。

微话题

年初定的哪些“小目标”没有阵亡?

2017年能耗过半,年初定的哪些“小目标”没有阵亡? ……