CMOS图像传感器技术特点及应用规模

CMOS图像传感器技术简介

CMOS图像传感器

CMOS图像传感器（CIS）是模拟电路和数字电路的集成。主要由四个组件构成：微透镜、彩色滤光片 （CF）、光电二极管（PD）、像素设计。

1.微透镜：具有球形表面和网状透镜；光通过微透镜时，CIS的非活性部分负责将光收集起来并将其聚焦到彩色滤光片。

2.彩色滤光片（CF）：拆分反射光中的红、绿、蓝 （RGB）成分，并通过感光元件形成拜尔阵列滤镜。

3.光电二极管（PD）：作为光电转换器件，捕捉光并转换成电流；一般采用PIN二极管或PN结器件制成。

4.像素设计：通过CIS上装配的有源像素传感器（APS）实现。APS常由3至6个晶体管构成，可从大型电容阵列中获得或缓冲像素，并在像素内部将光电流转换成电压，具有较完美的灵敏度水平和的噪声指标。

Bayer阵列滤镜与像素

1.感光元件上的每个方块代表一个像素块，上方附着着一层彩色滤光片（CF），CF拆分完反射光中的RGB成分后，通过感光元件形成拜尔阵列滤镜。经典的Bayer阵列是以2x2共四格分散RGB的方式成像，Quad Bayer阵列扩大到了4x4，并且以2x2的方式将RGB相邻排列。

2.像素，即亮光或暗光条件下的像素点数量，是数码显示的基本单位，其实质是一个抽象的取样，我们用彩色方块来表示。

3.图示像素用R（红）G（绿）B（蓝）三原色填充，每个小像素块的长度指的是像素尺寸，图示尺寸为0.8μm。

Bayer阵列滤镜与像素

滤镜上每个小方块与感光元件的像素块对应，也就是在每个像素前覆盖了一个特定的颜色滤镜。比如红色滤镜块，只允许红色光线投到感光元件上，那么对应的这个像素块就只反映红色光线的信息。随后还需要后期色彩还原去猜色，最后形成一张完整的彩色照片。感光元件→Bayer滤镜→色彩还原，这一整套流程，就叫做Bayer阵列。

前照式（FSI）与背照式（BSI）

早期的CIS采用的是前面照度技术FSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED），拜尔阵列滤镜与光电二极管（PD）间夹杂着金属（铝，铜）区，大量金属连线的存在对进入传感器表面的光线存在较大的干扰，阻碍了相当一部分光线进入到下一层的光电二极管（PD），信噪比较低。技术改进后，在背面照度技术BSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED）的结构下，金属（铝，铜）区转移到光电二极管（PD）的背面，意味着经拜尔阵列滤镜收集的光线不再众多金属连线阻挡，光线得以直接进入光电二极管；BSI不仅可大幅度提高信噪比，且可配合更复杂、更大规模电路来提升传感器读取速度。

CIS参数——帧率

帧率（Frame rate）：以帧为单位的位图图像连续出现在显示器上的频率，即每秒能显示多少张图片。而想要实现高像素CIS的设计，很重要的一点就是Analog电路设计，像素上去了，没有匹配的高速读出和处理电路，便无办法以高帧率输出出来。

索尼早于2007年chuan‘gan发布了首款Exmor传感器。Exmor传感器在每列像素下方布有独立的ADC模数转换器，这意味着在CIS芯片上即可完成模数转换，有效减少了噪声，大大提高了读取速度，也简化了PCB设计。

CMOS图像传感器的应用

CMOS图像传感器全球市场规模

2017年为CMOS图像传感器高增长点，同比增长达到20%。2018年，全球CIS市场规模155亿美元，预计2019年同比增长10%，达到170亿美元。

目前，CIS市场正处于稳定增长期，预计2024年市场逐渐饱和，市场规模达到240亿美元。

CIS应用——车载领域

1.车载领域的CIS应用包括：后视摄像（RVC），全方位视图系统（SVS），摄像机监控系统（CMS），FV/MV，DMS/IMS系统。

2.汽车图像传感器全球销量呈逐年增长趋势。

3.后视摄像（RVC）是销量主力军，呈稳定增长趋势，2016年全球销量为5100万台，2018年为6000万台，2019年达到6500万台，2020年超过7000万台。

4.FV/MV全球销量增长迅速，2016年为1000万台，2018年为3000万台，此后，预计FV/MV将依旧保持迅速增长趋势，019年销量4000万台，2021达7500万台，直逼RVC全球销量。

车载领域——HDR技术方法

1.HDR解决方案，即高动态范围成像，是用来实现比普通数位图像技术更大曝光动态范围。

2.时间复用。相同的像素阵列通过使用多个卷帘（交错HDR）来描绘多个边框。好处：HDR方案是与传统传感 器兼容的最简单的像素技术。缺点：不同时间发生的捕获导致产生运动伪影。

3.空间复用。单个像素阵列帧被分解为多个，通过不同的方法捕获：1.像素或行级别的独立曝光控制。优点：单帧中的运动伪影比交错的运动伪影少。缺点：分辨率损失，且运动伪影仍然存在边缘。2.每个像素共用同一微透镜的多个光电二极管。优点：在单个多捕获帧中没有运动伪影；缺点：从等效像素区域降低灵敏度。

4.非常大的全井产能。

审核编辑：郭婷