CMOS圖像傳感器是一種典型的固體成像傳感器，與CCD有著共同的歷史淵源。CMOS圖像傳感器通常由像敏單元陣列、行驅(qū)動(dòng)器、列驅(qū)動(dòng)器、時(shí)序控制邏輯、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)總線輸出接口、控制接口等幾部分組成,這幾部分通常都被集成在同一塊硅片上。其工作過(guò)程一般可分為復(fù)位、光電轉(zhuǎn)換、積分、讀出幾部分。

在CMOS圖像傳感器芯片上還可以集成其他數(shù)字信號(hào)處理電路，如AD轉(zhuǎn)換器、自動(dòng)曝光量控制、非均勻補(bǔ)償、白平衡處理、黑電平控制、伽瑪校正等，為了進(jìn)行快速計(jì)算甚至可以將具有可編程功能的DSP器件與CMOS器件集成在一起，從而組成單片數(shù)字相機(jī)及圖像處理系統(tǒng)。

1963年Morrison發(fā)表了可計(jì)算傳感器，這是一種可以利用光導(dǎo)效應(yīng)測(cè)定光斑位置的結(jié)構(gòu)，成為CMOS圖像傳感器發(fā)展的開(kāi)端。1995年低噪聲的CMOS有源像素傳感器單片數(shù)字相機(jī)獲得成功。

CMOS圖像傳感器具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1)隨機(jī)窗口讀取能力。隨機(jī)窗口讀取操作是CMOS圖像傳感器在功能上優(yōu)于CCD的一個(gè)方面，也稱(chēng)之為感興趣區(qū)域選取。此外，CMOS圖像傳感器的高集成特性使其很容易實(shí)現(xiàn)同時(shí)開(kāi)多個(gè)跟蹤窗口的功能。2)抗輻射能力?？偟膩?lái)說(shuō)，CMOS圖像傳感器潛在的抗輻射性能相對(duì)于CCD性能有重要增強(qiáng)。3)系統(tǒng)復(fù)雜程度和可靠性。采用CMOS圖像傳感器可以大大地簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。4)非破壞性數(shù)據(jù)讀出方式。5)優(yōu)化的曝光控制。值得注意的是，由于在像元結(jié)構(gòu)中集成了多個(gè)功能晶體管的原因，CMOS圖像傳感器也存在著若干缺點(diǎn)，主要是噪聲和填充率兩個(gè)指標(biāo)。鑒于CMOS圖像傳感器相對(duì)優(yōu)越的性能，使得CMOS圖像傳感器在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

CMOS 圖像傳感器供應(yīng)商思特威(上海)電子科技股份有限公司(SmartSens)推出其全新 0.7μm 像素尺寸 52MP 超高分辨率圖像傳感器產(chǎn)品 SC520XS。

據(jù)介紹，作為思特威首顆 0.7μm 超小像素尺寸芯片，SC520XS 采用先進(jìn)的堆棧式背照工藝(Stacked BSI)，搭載了思特威在小像素尺寸芯片領(lǐng)域創(chuàng)研的 SFCPixel-SL 技術(shù)，并憑借超低噪聲外圍讀取電路以及影院級(jí)色彩視效等優(yōu)勢(shì)技術(shù)，可進(jìn)一步提升圖像中高光與陰影細(xì)節(jié)，為高端智能手機(jī)主攝、前攝、超廣角以及長(zhǎng)焦攝像頭帶來(lái)高品質(zhì)的夜視全彩影像。

同時(shí)，SC520XS 也是業(yè)界 5000 萬(wàn)級(jí)像素賽道上首顆采用 AllPix ADAF 技術(shù)的 0.7μm 芯片，即使在快速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景中也能實(shí)現(xiàn) 100% 全像素對(duì)焦。此外，新品還兼具升級(jí)的超低功耗設(shè)計(jì)，能夠?yàn)橹悄苁謾C(jī)攝像頭 AI 識(shí)別應(yīng)用提供強(qiáng)勁續(xù)航。

SC520XS 是思特威首顆搭載全新自研 SFCPixel-SL 技術(shù)的圖像傳感器，該技術(shù)基于思特威創(chuàng)新 SFCPixel 專(zhuān)利技術(shù)架構(gòu)開(kāi)發(fā)，相較行業(yè)同規(guī)格產(chǎn)品，SC520XS 的量子效率有效提升 13%，感光度大幅提升至 2 倍，滿阱電子有效提升 20%，最大信噪比可達(dá) 42dB，讀取噪聲大幅降低 64%，很好的平衡了產(chǎn)品的滿阱與噪聲性能，同時(shí)兼顧了優(yōu)異的夜視全彩成像性能以及白天更為豐富的細(xì)節(jié)與層次感。此外，憑借 SFCPixel-SL 技術(shù)帶來(lái)的 pixel 內(nèi)置雙增益轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)功能，使得 SC520XS 的動(dòng)態(tài)范圍顯著提升了 10.5dB。

SC520XS 還搭載了思特威超低噪聲外圍讀取電路以及影院級(jí)色彩視效等優(yōu)勢(shì)技術(shù)，能夠呈現(xiàn)出色彩飽滿、畫(huà)質(zhì)精細(xì)的卓越夜拍影像，可為手機(jī)攝像頭系統(tǒng)帶來(lái)電影級(jí)的夜拍影像質(zhì)感。

此外，SC520XS 作為業(yè)界 5000 萬(wàn)級(jí)像素賽道上首顆采用 100% 全像素對(duì)焦功能的 0.7μm 芯片，搭載了思特威全新研發(fā)的 AllPix ADAF全相位像素對(duì)焦技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)橫 / 縱方位組合的 100% 全像素對(duì)焦，即使在動(dòng)態(tài)與暗光場(chǎng)景中也能快速精準(zhǔn)地進(jìn)行對(duì)焦。

圖像傳感器是數(shù)字成像系統(tǒng)的主要構(gòu)建塊之一，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能有很大影響。兩種主要類(lèi)型的圖像傳感器是電荷耦合器件 (CCD) 和 CMOS 成像器。在本文中，我們將了解 CMOS 圖像傳感器的基礎(chǔ)知識(shí)。

查看我們關(guān)于電荷耦合器件 (CCD) 圖像傳感器的系列。您可以從 CCD 的結(jié)構(gòu)和功能開(kāi)始。

1 CMOS 光電探測(cè)器

大多數(shù) CMOS 光電探測(cè)器都基于 PN 結(jié)光電二極管的操作。當(dāng)光電二極管反向偏置(且反向電壓小于雪崩擊穿電壓)時(shí)，與入射光強(qiáng)度成正比的電流分量將流過(guò)二極管。該電流分量通常稱(chēng)為光電流。

由于光電流隨光強(qiáng)度線性增加，我們可以使用光電二極管來(lái)構(gòu)建光電探測(cè)器。這種光檢測(cè)結(jié)構(gòu)的抽象表示如下所示。

復(fù)位開(kāi)關(guān)在曝光周期開(kāi)始時(shí)閉合，以將光電二極管反向偏置到電壓 VD。接下來(lái)，開(kāi)關(guān)打開(kāi)并產(chǎn)生與入射光強(qiáng)度成正比的光電流。該電流在飛安到皮安的范圍內(nèi)，并且太小而無(wú)法直接測(cè)量。如果我們讓光電二極管暴露在光線下一段時(shí)間，tint，電流將在二極管電容 CD 上積分。存儲(chǔ)的電荷為我們提供了更容易測(cè)量的更強(qiáng)的累積信號(hào)。此外，合并的平均過(guò)程使累積信號(hào)更忠實(shí)地表示測(cè)量的光強(qiáng)度，尤其是在處理微弱或嘈雜的信號(hào)時(shí)。

請(qǐng)注意，阱容量 Qwell 設(shè)置了 CD 可以容納的電荷量的上限。超過(guò)一定的光強(qiáng)，二極管將飽和，累積電荷將等于上圖所示的最大值。因此，必須謹(jǐn)慎選擇整合期。

另一個(gè)應(yīng)考慮的非理想效應(yīng)是，除了光電流之外，還有另一種稱(chēng)為暗電流的電流分量流過(guò)二極管。暗電流是在沒(méi)有光的情況下產(chǎn)生的電流。必須最小化該電流分量以最大化器件靈敏度。

高速芯片解決傳統(tǒng)成像機(jī)制在高分辨率、高速應(yīng)用中逐漸遭遇數(shù)據(jù)率過(guò)高的瓶頸。普通高速相機(jī)參數(shù)50萬(wàn)像素，10000幀以上拍攝，數(shù)據(jù)率約269.5Gbps;團(tuán)隊(duì)研發(fā)的高速相機(jī)50萬(wàn)像素，10000幀以上拍攝，數(shù)據(jù)率約20Gbps，下圖為團(tuán)隊(duì)研發(fā)的50萬(wàn)像素高速芯片：

本項(xiàng)目產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)主要有：

①高速、高分辨率成像

10000幀以上/秒，最高50萬(wàn)像素的超高速成像，畫(huà)質(zhì)優(yōu)秀。

②事件觸發(fā)，大幅降低數(shù)據(jù)率

通過(guò)模擬生物視覺(jué)成像原理，采用事件型輸出方式替代傳統(tǒng)光強(qiáng)量化傳感機(jī)制，將目標(biāo)場(chǎng)景的光信息在時(shí)域上進(jìn)行編碼，數(shù)據(jù)率僅為傳統(tǒng)成像芯片的1/8到1/14，大幅降低了數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)的壓力。

③支持低噪聲、大動(dòng)態(tài)輸出

實(shí)現(xiàn)超高速事件的低噪聲、大動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)輸出，最大擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)到100dB。

④芯片配置靈活

可根據(jù)成像場(chǎng)景靈活配置增益、曝光時(shí)間、幀率、輸出精度等。

團(tuán)隊(duì)研發(fā)的高速芯片產(chǎn)品可應(yīng)用于閃電、爆炸過(guò)程分析、機(jī)械高速運(yùn)轉(zhuǎn)、碰撞試驗(yàn)、物理試驗(yàn)等領(lǐng)域等。

團(tuán)隊(duì)研發(fā)的1 inch CMOS圖像傳感器有效像素為 1280H x1024V，是一款具備較高性能的芯片，下圖為團(tuán)隊(duì)研發(fā)的芯片產(chǎn)品圖：

本項(xiàng)目產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)主要如下：

①高兼容性的成像分辨率

原生分辨率1280×1024，支持1280×800、1024×768等輸出格式，滿足多種環(huán)境的成像和數(shù)據(jù)帶寬需求。

②日間高畫(huà)質(zhì)成像

日間成像最大信噪比49dB，畫(huà)質(zhì)優(yōu)秀。

③夜間低噪聲成像

集成背照式、微透鏡的9.7um×9.7um大尺寸高靈敏度像素，靈敏度達(dá)到80V/lux.s以上，讀出噪聲小于1e-，低噪聲成像能力達(dá)到10-4lux超星光級(jí)別。