• CMOS圖像傳感器-Bayer拜耳陣列濾鏡

    發布日期:2023-06-26 12:01:51   瀏覽量 :1801
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    1 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。

    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。

    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。

    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。

    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噪聲指標。


    2 Bayer陣列濾鏡與像

    感光元件上的每個方塊代表一個像素塊,上方附著一層彩色濾光片(CF),CF拆分完反射光中的RGB成分后,通過感光元件形成拜耳陣列濾鏡。經典的Bayer陣列是以2x2四格分散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。

    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。

    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。

    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。

    3 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。

    4 CIS參數—幀 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。

    5 CIS應用—車載領域

    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。

    6 車載領域——HDR技術方法

    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。

    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 。

    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。 非常大的全井產能。

    7 車載領域——閃變抑制技術

    多個集成周期(時間多路傳輸)。在每 個整合期內對光電二極管充電進行多次進行采樣,樣品光電二極管比LED源頻率更高。

    多個光電二極管(空間多路復用)。使 用較大的光電二極管捕捉較低的輕松的場景; 使用較小的不靈敏光電二極管在整個幀時間內集成(減輕LED閃爍)。

    每個像素由兩個光電二極管構成。其中 包含一個大的靈敏光電二極管和一個小的不靈敏光電二極管,小型不靈敏光電二極管可在整幀中合并,從而減輕LED閃爍。 優勢在于有出色的閃變抑制、計算復雜度低; 劣勢在于更大更復雜的像素架構、更復雜的讀數和電路定時、大型光電二極管和小型光 電二極管和之間的光譜靈敏度不匹配。

    8 車載領域——陣列攝像機

    陣列攝像機是一種新興的攝像機技術, 是指紅外燈的內核為LED IR Array的高效長壽的紅外夜視設備,可能是可行的LED檢測解決方案。

    用于LED檢測的低靈敏度攝像頭可以實現圖像融合的組合輸出,并能夠實現單獨輸出,或同時輸出。

    主要優勢在于亮度高、體積小、壽命長, 效率高,光線勻。

    目前,陣列攝像機還面臨著諸多挑戰。 首先,汽車光學對準誤差難以保持溫度范圍; 其次,圖像融合面向應用和復雜的計算;最后,高靈敏度和低靈敏度圖像之間難以融合.


    9 車載領域——機器視覺傳感器技術趨勢

    全局快門。CMOS傳感器有兩種快門方式,卷簾快門和全局快門。卷簾快門通過對每列像素使用A/D來提高讀取速度,每列像素數量可達數千。 任何一個轉換器數字化的像素總數顯著減少,從而縮短了讀取時間,提高了幀速率。但 整個傳感器陣列仍必須轉換為一個一次排,這導致每行讀出之間的時間延遲很小。

    和機械式焦平面快門一樣,卷簾快門對高 速運動的物體會產生明顯的變形。而且因為其 掃描速度比機械式焦平面快門慢,變形會更加 明顯;全局快門則大大改善了應用于高度運動 對象時的變形問題。

    改進的近紅外(NIR)響應、高靈敏度 濾色片陣列(RCCB)、數據加密處理、更高的幀速率、集成傳感和處理 、3D成像。


    10 安防領域——當前監控攝像機類型


    11 安防領域——紅外線攝像技術 紅外線攝像技術分為被動和主動兩種類型。

    被動型:拍攝對象自身發射紅外光被攝 像機接受以成像。這類設備昂貴并且對環境不能良好反映,所以在夜視系統中基本不采用。

    主動型:配置有紅外燈主動向外發射紅 外輻射,使紅外攝像機接收反射回來的紅外光,增強夜視能力。目前紅外攝像機基本都配置LED紅外發光二級管。

    主動型紅外攝像機包含攝像機、防護罩、紅外燈、供電散熱單元。它貼切的名稱為紅外線增強攝像機。

    感光元件的頻譜足夠寬時能對紅外線到可 見光的連續譜產生感應,形成包括紅外線在內的光敏感。在普通可見光強下,寬范圍感光元件增加了紅外頻段,在弱光條件下,也能獲得清楚的圖像。

    12 安防領域——紅外光成像

    紅外線攝影術以成像為目標。伴隨著電子與化學科技的進展,紅外線攝像技術逐漸演化出三個方向。

    近紅外線底片:感應范圍為波長700nm ~900nm。在成像乳劑中加入特殊染料,利用光化學反應,使這一波域的光變化轉為化學變化從而形成影像。

    近紅外線電子感光材料:感應范圍為波長700nm~2,000nm。利用含硅化合物晶體的光電反應形成電子信號,進過進一步處產生影像。

    中、遠紅外線線感應材料:感應范為波長3,000nm~14,000nm。需要使用冷卻技術和特殊的光學感應器,加工處理形成電子影像。


    13 安防領域——索尼STARVIS技術

    最客觀的比較傳感器靈敏度的標準是像素內光子到電子轉換效率,這種標準只涉及像元尺寸和量子效率,不需要傳感器的其他參數。

    STARVIS圖像傳感器靈敏度達到 2000mV* /μm2以上,是EXview HAD CCD II圖像傳感器靈敏度的兩倍,比FI CMOS圖像傳感器的還要高。


    14 安防領域——索尼STARVIS技術

    普通CMOS像素都包含片上透鏡、濾光片、金屬配線層、光電二極管以及基板等部件。

    前照式像素技術使光線首先進入金屬配線層。而背照式像素技術使光線首先進入光電二極管,從未避免光線被金屬配線層遮擋,提高光線利用效率,能在低照度環境下形成優質畫面。

    15 三星——汽車圖像傳感器

    安全性更高,感光性更好。卓越的感光性、高分辨率可展現精致細節。借助三星汽車圖像傳感器,無論在白天還是夜晚駕駛,都更安全。它可在黑暗和昏暗環境下提供卓越的靈敏度,這要歸功于先進的像素技術ISOCELL, 該技術可提供高分辨率,能夠精確識別物體。

    為無人駕駛汽車提供更出色的檢測 出色的寬動態范圍(WDR),可進行更準確的物體識別。三星汽車圖像傳感器具有120db以上的寬動態范圍,即使在高對比度環境下也可檢測對象。它的高性能寬動態范圍(WDR)功能可以傳遞準確的信息來幫助司機預防事故發生。

    無論溫度如何變化,均可提供出色品質。在高溫條件下也可提供卓越清晰度。三星汽車圖像傳感器符合行業各種嚴苛的標準,能夠承受從−40°到105°C的極端溫度條件,滿足汽車電子委員會AEC-Q100 2級標準要求。即使在極端環境下也能提供優質圖像。


    16 豪威科技——車載攝像頭

    車載攝像頭目前基本在中高端車型上成為標配,主要應用于倒車影像系統中。未來隨 著高級駕駛輔助系統(ADAS)的需要,智能汽車 如果需要實現自動緊急剎車(AEB)、自適應巡航(ACC)、疲勞監測、車道偏離輔助、360 度 環視等功能,則需要在車輛上配置 6-8 個攝像頭。

    ADAS 視覺系統使用攝像頭采集圖像信息,通過算法分析出圖像中的道路環境。因此,攝像頭及其 CMOS圖像傳感器是 ADAS 的核心組成部分。

    高動態范圍(HDR)與先進的圖像信號處理(ISP) 一起提供了出色的場景再現,并防止了運動偽影。無論光線如何,都可以呈現清晰完整的場景。

    OmniBSI 具有背照功能,能夠在最苛刻的低光條件下提供最佳的靈敏度。

    采用全局快門技術的OmniPixel3-GS, 它對近紅外光具有很高的靈敏度,實現經濟高效的駕駛者狀態監測。

    汽車芯片級封裝(a-CSP)技術 實現小巧耐用的相機模塊。

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