Kameramodul CMOS Bildsensor Auswahlhilfe

Bildsensoren sind Geräte, die Lichtsignale in elektrische Signale umwandeln und im digitalen Fernsehen und in der visuellen Kommunikation weit verbreitet sind. Derzeit sind die beiden am häufigsten verwendeten CCD-Sensoren (Charge-Coupled Device) und CMOS-Sensoren (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

Unter ihnen sticht CMOS derzeit am meisten hervor und gilt als das Verfahren mit dem größten Entwicklungspotenzial.

Der CMOS-Bildsensor ist ein typischer Festkörper-Bildsensor, der normalerweise aus einem bildempfindlichen Einheitsarray, einem Zeilentreiber, einem Spaltentreiber, einer Zeitsteuerungslogik, einem AD-Wandler, einer Datenbus-Ausgangsschnittstelle, einer Steuerschnittstelle und anderen Teilen besteht. Diese Teile sind normalerweise auf demselben Siliziumchip integriert. Sein Arbeitsprozess kann im Allgemeinen in Zurücksetzen, fotoelektrische Umwandlung, Integration und Auslesen unterteilt werden.

Auf dem CMOS-Bildsensorchip können auch andere digitale Signalverarbeitungsschaltungen integriert werden, wie etwa AD-Wandler, automatische Belichtungssteuerung, Ungleichmäßigkeitskompensation, Weißabgleichverarbeitung, Schwarzwertsteuerung, Gammakorrektur usw. Um schnelle Berechnungen durchzuführen, können sogar DSP-Geräte mit programmierbaren Funktionen mit CMOS-Geräten integriert werden, um eine Ein-Chip-Digitalkamera und ein Bildverarbeitungssystem zu bilden.

Genauer gesagt sollte ein CMOS-Bildsensor als Bildsystem betrachtet werden. Tatsächlich erhält ein Designer, der einen CMOS-Bildsensor kauft, ein komplettes System mit Bildarray-Logikregistern, Speicher, Taktgebern und Konvertern.

1. Pixelstruktur der MOS-Röhre

Der MOS-Transistor und die Fotodiode bilden einen strukturellen Querschnitt, der einem Pixel entspricht. Während der Lichtintegrationsperiode ist der MOS-Transistor abgeschaltet und die Fotodiode erzeugt entsprechend der Intensität des einfallenden Lichts entsprechende Träger und speichert sie am PN-Übergang der Quelle (Position ① in der Abbildung unten).

Wenn die Integrationsperiode endet, wird ein Scan-Impuls an das Gate des MOS-Transistors angelegt, wodurch dieser eingeschaltet wird, die Fotodiode auf das Referenzpotential zurückgesetzt wird und ein Videostrom durch die Last fließt, dessen Größe der einfallenden Lichtintensität entspricht.

Der PN-Übergang der MOS-Transistorquelle übernimmt die Funktion der fotoelektrischen Umwandlung und der Trägerspeicherung. Wenn ein Impulssignal an das Gate angelegt wird, wird das Videosignal ausgelesen.

2. CMOS-Bildsensor-Array-Struktur

Die CMOS-Pixelarraystruktur besteht aus einem horizontalen Schieberegister, einem vertikalen Schieberegister und einem CMOS-Pixelarray.

CMOS-Sensorarray-Struktur

(1-vertikales Schieberegister; 2-horizontales Schieberegister; 3-horizontaler Scanschalter; 4-vertikaler Scanschalter; 5-Pixel-Array; 6-Signalleitung; 7-Pixel)

Wie oben erwähnt, fungiert jeder MOS-Transistor unter der Impulsansteuerung der horizontalen und vertikalen Abtastschaltungen als Schalter. Das horizontale Schieberegister schaltet nacheinander die MOS-Transistoren ein, die die horizontale Abtastfunktion von links nach rechts spielen, d. h. die Funktion der Spaltenadressierung, und das vertikale Schieberegister adressiert nacheinander die Zeilen des Arrays.

Jedes Pixel besteht aus einer Fotodiode und einem MOS-Transistor, der als vertikaler Schalter fungiert. Der horizontale Schalter wird unter der Einwirkung des vom horizontalen Schieberegister erzeugten Impulses nacheinander eingeschaltet, und der vertikale Schalter wird unter der Einwirkung des vom vertikalen Schieberegister erzeugten Impulses eingeschaltet, sodass die Referenzspannung (Vorspannung) nacheinander an die Fotodiode des Pixels angelegt wird.

3. Funktionsprinzip und Prozess des CMOS-Bildsensors

Dem Funktionsblockdiagramm des CMOS-Bildsensors zufolge lässt sich feststellen, dass der Arbeitsablauf des CMOS-Bildsensors im Wesentlichen in die folgenden drei Schritte unterteilt ist.

Funktionsblockdiagramm eines CMOS-Bildsensors

Schritt 1: Externes Licht bestrahlt das Pixel-Array, wodurch ein photoelektrischer Effekt entsteht und entsprechende Ladungen in der Pixeleinheit erzeugt werden.

Die Szene wird durch die Abbildungslinse auf das Bildsensorarray fokussiert. Das Bildsensorarray ist ein zweidimensionales Pixelarray. Jedes Pixel enthält eine Fotodiode. Die Fotodiode in jedem Pixel wandelt die Lichtintensität auf ihrer Arrayoberfläche in ein elektrisches Signal um.

Schritt 2: Wählen Sie über die Zeilenauswahlschaltung und die Spaltenauswahlschaltung das Pixel aus, das Sie bedienen möchten, und lesen Sie das elektrische Signal auf dem Pixel.

Während des Gating-Prozesses kann die Zeilenauswahl-Logikeinheit das Pixelarray zeilenweise oder abwechselnd scannen, und dasselbe gilt für die Spalten. Die Zeilenauswahl-Logikeinheit und die Spaltenauswahl-Logikeinheit können zusammen verwendet werden, um die Fensterextraktionsfunktion des Bildes zu realisieren.

Schritt 3: Führen Sie eine Signalverarbeitung an den entsprechenden Pixeleinheiten durch.

Die Bildsignale in den Zeilenpixeleinheiten werden über die Signalbusse ihrer jeweiligen Spalten an die entsprechenden analogen Signalverarbeitungseinheiten und A/D-Wandler übertragen und zur Ausgabe in digitale Bildsignale umgewandelt. Die Hauptfunktion der analogen Signalverarbeitungseinheiten besteht darin, die Signale zu verstärken und das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern.

Nachdem das elektrische Pixelsignal verstärkt wurde, wird es zur Verarbeitung an die korrelierte Doppelabtastung (CDS)-Schaltung gesendet. Die korrelierte Doppelabtastung ist eine wichtige Methode, die von hochwertigen Geräten verwendet wird, um Störungen zu eliminieren. Das Grundprinzip besteht darin, dass der Bildsensor zwei Ausgänge erzeugt, einen für das Echtzeitsignal und den anderen für das Referenzsignal. Gleiche oder verwandte Störsignale werden durch die Differenz der beiden Signale entfernt.

Mit dieser Methode lassen sich KTC-Rauschen, Reset-Rauschen und FPN-Festmusterrauschen (Fixed Pattern Noise) reduzieren, außerdem kann 1/f-Rauschen reduziert und das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert werden. Darüber hinaus können damit auch Signalintegration, Verstärkung, Abtastung, Halten und andere Funktionen durchgeführt werden.

Anschließend wird das Signal an einen Analog-/Digital-Wandler ausgegeben und in ein digitales Ausgangssignal umgewandelt.

Um eine praktische Kamera von qualifizierter Qualität zu erhalten, muss der Chip außerdem verschiedene Steuerschaltungen enthalten, wie z. B. eine Belichtungszeitsteuerung, eine automatische Verstärkungssteuerung usw. Damit sich jeder Teil der Schaltung im Chip in einem bestimmten Takt bewegt, müssen mehrere Zeitsteuersignale verwendet werden. Um die Anwendung der Kamera zu erleichtern, muss der Chip auch einige Zeitsignale ausgeben, wie z. B. Synchronisationssignale, Zeilenstartsignale, Feldstartsignale usw.

CMOS-Bildsensoren haben die Vorteile kleiner Größe, geringen Stromverbrauchs, niedriger Preise und Massenproduktion und machen 90 % des Bildsensormarktes aus. Sie werden häufig in Digitalkameras, Smartphones, autonomem Fahren, Sicherheit, dem Internet der Dinge und anderen Bereichen eingesetzt und haben in Zukunft ein enormes Marktpotenzial.

• digital Kamera

In den Anfangsjahren der Digitalkameras verwendeten die meisten Digitalkameras CCD-Bilder. Später entwickelte sich CMOS jedoch schnell weiter und wurde zu einem unverzichtbaren Bestandteil von Spiegelreflexkameras für den Heimgebrauch.

Obwohl CMOS CCD in Farbsättigung und Textur etwas unterlegen ist, kann der CMOS-Verarbeitungschip dies ausgleichen, sodass es in anderen Aspekten, wie etwa Rauschunterdrückungsmechanismus, schnelle Lesegeschwindigkeit, Energieeinsparung usw., immer noch besser ist als CCD. Auf dem Markt gibt es viele Hochleistungs-Spiegelreflexkameras, die die oben genannten Eigenschaften aufweisen.

• Smartphone

Wie wir alle wissen, waren mobile Endgeräte schon immer ein wichtiger Markt für CMOS-Bildsensoren. Dual-Kameras und 3D-Kameras werden häufig in Smartphones verwendet. Durch das Hinzufügen von Objektiven können Mobiltelefonhersteller die Lücke zwischen ihren Verkaufsstrategien und denen der Konkurrenz vergrößern. Die Hersteller installieren immer aktiver Kameramodule und verwenden insbesondere 2 bis 5 Millionen Low-Pixel-Funktionsobjektive, um die Anzahl der Objektive in ihren Produkten zu erhöhen.

Generell können CMOS-Sensoren in rückseitig beleuchtete CMOS-Sensoren und gestapelte CMOS-Sensoren unterteilt werden.

Der rückseitig beleuchtete CMOS-Sensor schaltet die Fotodiode und die Verdrahtungsschicht so um, dass das Licht zuerst in die lichtempfindliche Fotodiode eintritt, wodurch die Empfindlichkeit erhöht und der Aufnahmeeffekt bei schlechten Lichtverhältnissen deutlich verbessert wird. Wie wir alle wissen, sind iPhone, Xiaomi und Meizu mit solchen Sensoren ausgestattet.

Der gestapelte CMOS-Sensor ist eine Weiterentwicklung des rückseitig beleuchteten CMOS-Sensors. Er wird in Handykameras am häufigsten verwendet und ist die modernste Technologie und eine exklusive Technologie von Sony.

• Autopilot

Heute ist der Automobilmarkt nach Mobiltelefonen der zweitgrößte Anwendungsbereich für CMOS-Sensoren.

Mit der Entwicklung der autonomen Fahrtechnologie ist die Nachfrage nach fahrzeugmontierten Kameras rasant gestiegen. Jede zusätzliche Kamera erfordert einen zusätzlichen CMOS-Sensor, was das Wachstum des CMOS-Marktes direkt vorantreibt.

Laut der jüngsten Prognose der Yole Group ist der Marktwert von CMOS-Bildsensoren von 2016 bis 2022 um 1TP45,5 Milliarden US-Dollar gestiegen und ist damit das am schnellsten wachsende und prozentual stärkste Segment unter den Automobilsensoren (einschließlich verschiedener Radare, Sensoren usw.).

• Sicherheitsfeld

Im Bereich der Sicherheitsüberwachung müssen visuelle Informationen über Kameras gewonnen werden, wofür CMOS-Bildsensoren erforderlich sind. In den letzten Jahren hat sich der Umfang des gesamten Marktes für Sicherheitsüberwachung durch die tiefe Integration der Sicherheitsbranche mit Technologien wie künstlicher Intelligenz, Big Data und Cloud-Computing weiter vergrößert. Von dem Gesamtproduktionswert der chinesischen Sicherheitsbranche von 851 Milliarden Yuan im Jahr 2020 entfielen 510 Milliarden Yuan auf Sicherheitsprojekte, 260 Milliarden Yuan auf Sicherheitsprodukte und 81 Milliarden Yuan auf den Markt für Betrieb, Wartung und Service. In Zukunft wird mit der weiteren Implementierung der Infrastruktur der Sicherheitsbranche der Umfang des CIS-Marktes im Bereich der Sicherheitsüberwachung weiter wachsen.

• IOT (Internet der Dinge)-Feld

Im Bereich IOT müssen zahlreiche elektronische Hardwaregeräte mit Kameramodulen ausgestattet werden, um Bild-, Gesichtserkennungs-, Videoanruf- und andere Funktionen zu realisieren. Dazu zählen beispielsweise Fernseher, intelligente Lautsprecher, Drohnen, VR/AR und andere Produkte. Darüber hinaus werden in medizinischen und industriellen Systemen zahlreiche CMOS-Bildsensoren benötigt. Derzeit versuchen die medizinischen und wissenschaftlichen Forschungsbereiche, die meisten alten Produkte durch kostengünstigere und effektivere CMOS-Sensoren zu ersetzen. Mit der Entwicklung der maschinellen Bildverarbeitung werden in immer mehr industriellen Produktionslinien Bildsensoren eingeführt, um die Produktionseffizienz und -qualität zu verbessern.

Produktliste der Canon CMOS-Bildsensoren