CMOS图像传感器

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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。
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。
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。
 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。
 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噪声指标。
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bayer阵列滤镜与像
 感光元件上的每个方块代表一个像素块,上方附着一­­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。
 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。
 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。
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。
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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。
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cis参数—帧
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。
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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。
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cis应用—车载领域
 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。
 汽车图像传感器全球销量呈逐年增长趋势。
 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年预计达到6500万台。
 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,预计2019年销量可达4000万台,2021可达7500万台,直逼rvc全球销量。
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车载领域——hdr技术方法
 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。
 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 。
 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。
 非常大的全井产能。
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车载领域——闪变抑制技术
 多个集成周期(时间多路传输)。在每个整合期内对光电二极管充电进行多次进行采样,样品光电二极管比led源频率更高。
 多个光电二极管(空间多路复用)。使用较大的光电二极管捕捉较低的轻松的场景;使用较小的不灵敏光电二极管在整个帧时间内集成(减轻led闪烁)。
 每个像素由两个光电二极管构成。其中包含一个大的灵敏光电二极管和一个小的不灵敏光电二极管,小型不灵敏光电二极管可在整帧中合并,从而减轻led闪烁。
优势在于有出色的闪变抑制、计算复杂度低;
劣势在于更大更复杂的像素架构、更复杂的读数和电路定时、大型光电二极管和小型光电二极管和之间的光谱灵敏度不匹配。
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车载领域——阵列摄像机
 阵列摄像机是一种新兴的摄像机技术,是指红外灯的内核为led ir array的高效长寿的红外夜视设备,可能是可行的led检测解决方案。
 用于led检测的低灵敏度摄像头可以实现图像融合的组合输出,并能够实现单独输出,或同时输出。
主要优势在于亮度高、体积小、寿命长,效率高,光线匀。
 目前,阵列摄像机还面临着诸多挑战。首先,汽车光学对准误差难以保持温度范围;其次,图像融合面向应用和复杂的计算;最后,高灵敏度和低灵敏度图像之间难以融合.
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车载领域——机器视觉传感器技术趋势
 全局快门。cmos传感器有两种快门方式,卷帘快门和全局快门。卷帘快门通过对每列像素使用a/d来提高读取速度,每列像素数量可达数千。
任何一个转换器数字化的像素总数显著减少,从而缩短了读取时间,提高了帧速率。但整个传感器阵列仍必须转换为一个一次排,这导致每行读出之间的时间延迟很小。
和机械式焦平面快门一样,卷帘快门对高速运动的物体会产生明显的变形。而且因为其扫描速度比机械式焦平面快门慢,变形会更加明显;全局快门则大大改善了应用于高度运动对象时的变形问题。
 改进的近红外(nir)响应、高灵敏度滤色片阵列(rccb)、数据加密处理、更高的帧速率、集成传感和处理 、3d成像。
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安防领域——当前监控摄像机类型
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安防领域——红外线摄像技术
 红外线摄像技术分为被动和主动两种类型。
 被动型:拍摄对象自身发射红外光被摄像机接受以成像。这类设备昂贵并且对周围环境不能良好反映,所以在夜视系统中基本不采用。
 主动型:配置有红外灯主动向外发射红外辐射,使红外摄像机接收反射回来的红外光,增强夜视能力。目前红外摄像机基本都配置led红外发光二级管。
 主动型红外摄像机包含摄像机、防护罩、红外灯、供电散热单元。它贴切的名称为红外线增强摄像机。
感光元件的频谱足够宽时能对红外线到可见光的连续谱产生感应,形成包括红外线在内的光敏感。在普通可见光强下,宽范围感光元件增加了红外频段,在弱光条件下,也能获得清楚的图像。
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安防领域——红外光成像
 红外线摄影术以成像为目标。伴随着电子与化学科技的进展,红外线摄像技术逐渐演化出三个方向。
 近红外线底片:感应范围为波长700nm~900nm。在成像乳剂中加入特殊染料,利用光化学反应,使这一波域的光变化转为化学变化从而形成影像。
 近红外线电子感光材料:感应范围为波长700nm~2,000nm。利用含硅化合物晶体的光电反应形成电子信号,进过进一步处产生影像。
 中、远红外线线感应材料:感应范围为波长3,000nm~14,000nm。需要使用冷却技术和特殊的光学感应器,加工处理形成电子影像。
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安防领域——索尼starvis技术
 最客观的比较传感器灵敏度的标准是像素内光子到电子转换效率,这种标准只涉及像元尺寸和量子效率,不需要传感器的其他参数。
 starvis图像传感器灵敏度达到2000mv* /μm2以上,是exview had ccd ii图像传感器灵敏度的两倍,比fi cmos图像传感器的还要高。
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安防领域——索尼starvis技术
 普通cmos像素都包含片上透镜、滤光片、金属配线层、光电二极管以及基板等部件。
 前照式像素技术使光线首先进入金属配线层。而背照式像素技术使光线首先进入光电二极管,从未避免光线被金属配线层遮挡,提高光线利用效率,能在低照度环境下形成优质画面。
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三星——汽车图像传感器
 安全性更高,感光性更好。卓越的感光性、高分辨率可展现精致细节。借助三星汽车图像传感器,无论在白天还是夜晚驾驶,都更安全。它可在黑暗和昏暗环境下提供卓越的灵敏度,这要归功于先进的像素技术isocell,该技术可提供高分辨率,能够精确识别物体。
 为无人驾驶汽车提供更出色的检测。更出色的宽动态范围(wdr),可进行更准确的物体识别。三星汽车图像传感器具有120db以上的宽动态范围,即使在高对比度环境下也可检测对象。它的高性能宽动态范围(wdr)功能可以传递准确的信息来帮助司机预防事故发生。
 无论温度如何变化,均可提供出色品质。在高温条件下也可提供卓越清晰度。三星汽车图像传感器符合行业各种严苛的标准,能够承受从−40°到105°c的极端温度条件,满足汽车电子委员会aec-q100 2级标准要求。即使在极端环境下也能提供优质图像。
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三星——汽车图像传感器
 三星在汽车图像传感器方面已经开发三个料号产品,分别为s5k2g1、s5k3b5、s5k4a1。
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豪威科技——车载摄像头
 车载摄像头目前基本在中高端车型上成为标配,主要应用于倒车影像系统中。未来随着高级驾驶辅助系统(adas)的需要,智能汽车如果需要实现自动紧急刹车(aeb)、自适应巡航(acc)、疲劳监测、车道偏离辅助、360 度环视等功能,则需要在车辆上配置 6-8 个摄像头。
 adas 视觉系统使用摄像头采集图像信息,通过算法分析出图像中的道路环境。因此,摄像头及其 cmos图像传感器是 adas 的核心组成部分。
 高动态范围(hdr)与先进的图像信号处理(isp) 一起提供了出色的场景再现,并防止了运动伪影。无论光线如何,都可以呈现清晰完整的场景。
 omnibsi 具有背照功能,能够在最苛刻的低光条件下提供最佳的灵敏度。
 采用全局快门技术的omnipixel3-gs, 它对近红外光具有很高的灵敏度,实现经济高效的驾驶者状态监测。
 汽车芯片级封装(a-csp)技术 实现小巧耐用的相机模块。
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豪威科技——车载摄像头
 机器视觉应用(如避障和道路标志识别)都要求准确的场景再现。无论光线如何,传感器技术都必须提供全面的场景内容。豪威科技的lfm + hdr解决方案和低光性可以解决这些关键性问题。
 驾驶者状态监控应用,包括驾驶者分心或者疲劳驾驶监控,通常会使用全局快门传感器,它对近红外光具有高度敏感性,并且体积小巧,可以嵌入车身设计,满足设计需求
 用于显示的成像系统,如后视与环视系统以及e-mirror都需要极高的图像质量。通过卓越低光性能的bsi技术和hdr技术以及配套asic,豪威科技可以提供经济高效的显示系统。
 360度环绕立体视频采用车辆两侧安装摄像头,并由中央处理单元对其进行控制,以呈现俯视图像。豪威科技凭借图像传感器和isp的专长,捕捉并处理高品质图像,从而实现更加自然的场景再现。
 自动及半自动驾驶汽车融合了多种传感技术,包括高分辨率摄像头,雷达,lidar及v2v通讯。豪威科技通过其一流的像素科技,开创全新科技前沿。
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豪威科技——机器人、无人机、vr/ar 摄像头
 虚拟现实(vr)、增强现实(ar)、无人机领域是由教育、娱乐、游戏行 业所推动的 cmos 图像传感器新兴市场。
htc vive、oculus rift 和 ps vr 等产品推动了消费级 vr 设备的普及;hololens、vuzix blade以及 epson moverio 等 ar 设备的接连推出,预示着 ar 设备市场将进入消费级应用阶段。
此类新兴领域将是 cmos 图像传感器未来发展的着眼点和增长点。
数据来源:豪威官网,西南证券整理
豪威技术优势
 无人机是遥控飞机,并且配备先进的成像技术,使其能够执行各种功能,如空中摄影和摄像。高端消费市场的无人机可以配置避障和出色的航拍功能。
 虽然家用机器人系统目前只能实现单一的功能,比如吸尘,然而多用途机器人的未来充满光明。
豪威科技提供图像传感器、图像信号处理(isp)和晶圆级封装技术,旨在满足所有这些应用的特定需求。
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豪威科技——cameracubechiptm 图像传感器集成芯片技术
 cameracubechiptm 图像传感器集成芯片技术是美国豪威在 cmos 图像传感器行业特有先进技术之一,该技术特点为:提供业界最小的相机模组解决方案;使用 半导体工艺制造镜头;可过回流焊,无需底座或人工插接模组整机零件封装,降低人力成本;简化供应链,缩短产品上市周期。


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