cmos圖像傳感器結構

　　CMOS圖像傳感器的像素結構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、成像質量差，所以目前絕大多數CMOS圖像傳感器采用的是APS結構。APS結構的像素內部包含一個有源器件。由于該放大器在像素內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器件那樣經過遠距離移位到達輸出放大器，因此避免了所有與電荷轉移有關的CCD器件的缺陷。

　　圖1 CMOS的兩種像素結構

　　由于每個放大器僅在讀出期間被激發，所以將經光電轉換后的信號在像素內放大，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，它不受電荷轉移效率的限制，速度快，圖像質量較PPS得到了明顯地改善。但是與PPS相比，APS的像素尺寸較大、填充系數小，所設計的填充系數典型值為0.2～0.3。

　　一個典型的CMOS圖像傳感器的總體結構如圖2所示。在同一芯片上集成有模擬信號處理電路、I（2）C控制接口、曝光／白平衡控制、視頻時序產生電路、數字轉換電路、行選擇、列選擇及放大和光敏單元陣列。芯片上的模擬信號處理電路主要執行相關雙采樣（CorrelatedDouble Sampling，CDS）功能。芯片上的A／D轉換器可以分為像素級、列級和芯片級幾種情況，即每一個像素有一個A／D轉換器，每一個列像素有一個A／D轉換器，或者每一個感光陣列有一個A／D轉換器。由于受芯片尺寸的限制，所以像素級的A／D轉換器不易實現。CMOS片內部提供了一系列控制寄存器，通過總線編程（如Pc總線）來對自增益、自動曝光、白色平衡、／校正等功能進行控制，編程簡單、控制靈活。直接輸出的數字圖像信號可以很方便地與后續處理電路接口，供數字信號處理器對其進行處理。

　　圖2 CMOS芯片組成方框圖

　　CMOS圖像傳感器陣列結構

　　下圖所示的是CMOS像敏元陣列結構，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。

　　（1一垂直移位寄存器：2一水平移位寄存器；3一水平掃描開關；4一垂直掃描開關；5一像敏元陣列；6一信號線；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動下起開關作用。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。每個像元由光敏二極管和起垂直開關作用的MOS晶體管組成，在水平移位寄存器產生的脈沖作用下順次接通水平開關，在垂直移位寄存器產生的脈沖作用下接通垂直開關，于是順次給像元的光敏二極管加上參考電壓（偏壓）。被光照的二極管產生載流子使結電容放電，這就是積分期間信號的積累過程。而上述接通偏壓的過程同時也是信號讀出過程。在負載上形成的視頻信號大小正比于該像元上的光照強弱。

　　cmos圖像傳感器市場

　　cmos圖像傳感器始于“拍照和錄像應用”，盛行于“移動市場”，最近幾年，又受到高附加值下游市場的驅動。那么，未來哪些將成為cmos圖像傳感器的高增長領域呢？消費類、無人機、機器人還是VR？

　　cmos圖像傳感器具有體積小、功耗低等優勢，在cmos圖像傳感器領域占有率達到90%。隨著背照式和堆棧式技術等新型CMOS圖像傳感器技術的進步，以及雙攝像頭、3D攝像頭陸續出現并成為智能手機的新賣點。再加上汽車、無人機、VR以及AR技術等新興市場的推動，cmos圖像傳感器正迎來新一輪的產業成長高峰。

　　1、消費市場依然占據主導地位

　　眾所周知，移動端一直是cmos圖像傳感器重要的市場。據預測，未來智能手機中將廣泛采用雙攝像頭和3D攝像頭，隨著這兩種應用的普及，CMOS無疑將迎來新一輪的爆發。同時這將驅動著cmos圖像傳感器產業發生變化，從成像質量到人機交互，這是一個從成像到傳感和用戶界面的大轉變。

　　2、汽車是增長最快的細分市場

　　汽車電子是cmos圖像傳感器增長最快的細分市場，2015年全球銷售額為4.8億美元，占CMOS市場的4.8%，預計2020年銷售額可達18億美元，市場占比將達到11%。

　　ADAS系統的不斷進步使得汽車上需要搭載后視、前視、環繞視CMOS攝像頭，以直接獲取周圍環境的圖像信息，實現前向碰撞預警、車道偏離警示、自動泊車、路況記錄、車輛/行人/障礙物識別、車內環境監控等功能。目前高端汽車ADAS系統包含5-8個攝像頭，未來隨著無人駕駛技術的發展，汽車搭載的CMOS傳感器數量有望超過10個。

　　3、醫療應用需求涌現

　　傳統的電荷耦合設備（CCD）圖像傳感器技術已不能滿足醫療圖像抓取應用的需要。cmos圖像傳感器憑借其六大優勢席卷醫療電子應用，主要優勢包括：系統集成度更高、動力要求較低、圖像抓取功能更為靈活、界面智能化程度更高、動態范圍更大、感光度更高。一些常用的醫療器械如醫療內窺鏡均因為cmos圖像傳感器使得性能有大幅度提升。

　　ams的cmos圖像傳感器已經在以上這些領域廣泛應用，ams CEO Alexander Everke就曾預測其他細分市場未來也有廣闊的應用空間：“未來cmos圖像傳感器將在3D建模、AR/VR、手勢、臉部識別、3D掃描和游戲六大領域爆發。”

　　下游需求旺盛，產業競爭激烈，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品組合，并不斷致力于技術創新的戰略來面對。

　　4、面型圖像傳感器

　　包含CMV、CHR系列產品，廣泛應用于工業視覺、科學研究、航天軍事及醫療儀器相關領域。