Guía de selección del sensor de imagen CMOS del módulo de cámara

Los sensores de imagen son dispositivos que convierten las señales luminosas en señales eléctricas y son ampliamente utilizados en los mercados de la televisión digital y la comunicación visual. Actualmente, los dos más utilizados son los CCD (dispositivo acoplado a carga) y los CMOS (semiconductor complementario de óxido metálico).

Entre ellos, el CMOS es actualmente el más llamativo y se considera el que tiene el mayor potencial de desarrollo.

El sensor de imagen CMOS es un sensor de imagen de estado sólido típico, que generalmente está compuesto por una matriz de unidades sensibles a la imagen, un controlador de fila, un controlador de columna, una lógica de control de tiempo, un convertidor AD, una interfaz de salida de bus de datos, una interfaz de control y otras partes. Estas partes generalmente están integradas en el mismo chip de silicio. Su proceso de funcionamiento generalmente se puede dividir en reinicio, conversión fotoeléctrica, integración y lectura.

También se pueden integrar otros circuitos de procesamiento de señales digitales en el chip del sensor de imagen CMOS, como convertidores AD, control automático de exposición, compensación de no uniformidad, procesamiento de balance de blancos, control de nivel de negro, corrección de gamma, etc. Para realizar cálculos rápidos, incluso los dispositivos DSP con funciones programables se pueden integrar con dispositivos CMOS para formar una cámara digital de un solo chip y un sistema de procesamiento de imágenes.

Más precisamente, un sensor de imagen CMOS debe considerarse un sistema de imagen. De hecho, cuando un diseñador compra un sensor de imagen CMOS, obtiene un sistema completo que incluye registros lógicos de matriz de imagen, memoria, generadores de pulsos de temporización y convertidores.

1. Estructura de píxeles del tubo MOS

El transistor MOS y el fotodiodo forman una sección transversal estructural equivalente a un píxel. Durante el período de integración de la luz, el transistor MOS se desconecta y el fotodiodo genera portadores correspondientes según la intensidad de la luz incidente y los almacena en la unión PN de la fuente (posición ① en la figura siguiente).

Cuando termina el período de integración, se aplica un pulso de escaneo a la compuerta del transistor MOS, encendiéndolo, restableciendo el fotodiodo al potencial de referencia y provocando que fluya una corriente de video a través de la carga, cuya magnitud corresponde a la intensidad de la luz incidente.

La unión PN de la fuente del transistor MOS cumple la función de conversión fotoeléctrica y almacenamiento de portadora. Cuando se aplica una señal de pulso a la compuerta, se lee la señal de video.

2. Estructura de la matriz de sensores de imagen CMOS

La estructura de la matriz de píxeles CMOS consta de un registro de desplazamiento horizontal, un registro de desplazamiento vertical y una matriz de píxeles CMOS.

Estructura de la matriz de sensores CMOS

(1 registro de desplazamiento vertical; 2 registros de desplazamiento horizontal; 3 interruptores de escaneo horizontal; 4 interruptores de escaneo vertical; matriz de 5 píxeles; línea de 6 señales; 7 píxeles)

Como se mencionó anteriormente, cada transistor MOS actúa como un interruptor bajo el control de pulsos de los circuitos de escaneo horizontal y vertical. El registro de desplazamiento horizontal enciende secuencialmente los transistores MOS que desempeñan la función de escaneo horizontal de izquierda a derecha, es decir, la función de direccionamiento de la columna, y el registro de desplazamiento vertical direcciona secuencialmente las filas de la matriz.

Cada píxel consta de un fotodiodo y un transistor MOS que actúa como un interruptor vertical. El interruptor horizontal se enciende en secuencia bajo la acción del pulso generado por el registro de desplazamiento horizontal, y el interruptor vertical se enciende bajo la acción del pulso generado por el registro de desplazamiento vertical, de modo que la tensión de referencia (polarización) se aplica al fotodiodo del píxel en secuencia.

3. Principio de funcionamiento y proceso del sensor de imagen CMOS

Según el diagrama de bloques funcionales del sensor de imagen CMOS, se puede encontrar que el flujo de trabajo del sensor de imagen CMOS se divide principalmente en los siguientes tres pasos.

Diagrama de bloques funcional de un sensor de imagen CMOS

Paso 1: La luz externa irradia la matriz de píxeles, lo que provoca un efecto fotoeléctrico y genera cargas correspondientes en la unidad de píxeles.

La escena se enfoca en el conjunto de sensores de imagen a través de la lente de captura de imágenes. El conjunto de sensores de imagen es un conjunto de píxeles bidimensional. Cada píxel incluye un fotodiodo. El fotodiodo de cada píxel convierte la intensidad de la luz en su superficie en una señal eléctrica.

Paso 2: Seleccione el píxel que desea operar a través del circuito de selección de filas y el circuito de selección de columnas, y lea la señal eléctrica en el píxel.

Durante el proceso de selección de compuertas, la unidad lógica de selección de filas puede escanear la matriz de píxeles fila por fila o de forma alternada, y lo mismo sucede con las columnas. La unidad lógica de selección de filas y la unidad lógica de selección de columnas se pueden utilizar juntas para realizar la función de extracción de ventana de la imagen.

Paso 3: Realice el procesamiento de la señal en las unidades de píxeles correspondientes.

Las señales de imagen en las unidades de píxeles de fila se transmiten a las unidades de procesamiento de señales analógicas y a los convertidores A/D correspondientes a través de los buses de señal de sus respectivas columnas, y se convierten en señales de imagen digital para su salida. La función principal de las unidades de procesamiento de señales analógicas es amplificar las señales y mejorar la relación señal-ruido.

Una vez amplificada la señal eléctrica del píxel, se envía al circuito de muestreo doble correlacionado (CDS) para su procesamiento. El muestreo doble correlacionado es un método importante que utilizan los dispositivos de alta calidad para eliminar algunas interferencias. Su principio básico es que el sensor de imagen genera dos salidas, una para la señal en tiempo real y la otra para la señal de referencia. Las señales de interferencia iguales o relacionadas se eliminan mediante la diferencia de las dos señales.

Este método puede reducir el ruido KTC, el ruido de reinicio y el ruido de patrón fijo FPN (ruido de patrón fijo), y también puede reducir el ruido 1/f y mejorar la relación señal/ruido. Además, también puede completar la integración de señales, la amplificación, el muestreo, la retención y otras funciones.

Luego, la señal se envía a un convertidor analógico/digital y se convierte en una salida de señal digital.

Además, para obtener una cámara práctica de calidad calificada, el chip debe contener varios circuitos de control, como control del tiempo de exposición, control automático de ganancia, etc. Para que cada parte del circuito en el chip se mueva a un ritmo específico, se deben utilizar múltiples señales de control de tiempo. Para facilitar la aplicación de la cámara, el chip también debe emitir algunas señales de tiempo, como señales de sincronización, señales de inicio de línea, señales de inicio de campo, etc.

Los sensores de imagen CMOS tienen las ventajas de un tamaño pequeño, un bajo consumo de energía, un precio bajo y una producción en masa, y representan el 90% del mercado de sensores de imagen. Se utilizan ampliamente en cámaras digitales, teléfonos inteligentes, conducción autónoma, seguridad, Internet de las cosas y otros campos, y tienen un enorme potencial de mercado en el futuro.

• digital cámara

En los primeros tiempos de las cámaras digitales, la mayoría de ellas utilizaban imágenes CCD. Sin embargo, más tarde, el CMOS se desarrolló rápidamente y se convirtió en un componente indispensable en las cámaras SLR domésticas.

Aunque el CMOS es ligeramente inferior al CCD en saturación de color y textura, el chip de procesamiento CMOS puede compensar estos aspectos, por lo que sigue siendo mejor que el CCD en otros aspectos, como el mecanismo de reducción de ruido, la velocidad de lectura rápida, el ahorro de energía, etc. En el mercado, muchas SLR de alto rendimiento tienen las características anteriores.

• Teléfono inteligente

Como todos sabemos, los terminales móviles siempre han sido un mercado importante para los sensores de imagen CMOS. Las cámaras duales y las cámaras 3D se utilizan ampliamente en los teléfonos inteligentes, y la adición de lentes ayuda a los fabricantes de teléfonos móviles a ampliar la brecha entre sus estrategias de ventas y los productos de la competencia. Los fabricantes son más activos en la instalación de módulos de cámara, especialmente utilizando de 2 a 5 millones de lentes funcionales de bajo píxel para aumentar la cantidad de lentes en sus productos.

En términos generales, los sensores CMOS se pueden dividir en sensores CMOS retroiluminados y sensores CMOS apilados.

El sensor CMOS retroiluminado cambia el fotodiodo y la capa de cableado para que la luz ingrese primero al fotodiodo fotosensible, lo que aumenta la sensibilidad y mejora significativamente el efecto de disparo en entornos con poca luz. iPhone, Xiaomi, Meizu, como todos sabemos, están equipados con este tipo de sensores.

El sensor CMOS apilado es un derivado del sensor CMOS retroiluminado. Es el más utilizado y el más avanzado en las cámaras de los teléfonos móviles y es una tecnología exclusiva de Sony.

• Piloto automático

Hoy en día, el mercado automotriz se ha convertido en la segunda área de aplicación más grande para los sensores CMOS después de los teléfonos móviles.

Con el desarrollo de la tecnología de conducción autónoma, la demanda de cámaras instaladas en vehículos ha aumentado rápidamente. Cada cámara adicional requiere un sensor CMOS adicional, lo que impulsa directamente el crecimiento del tamaño del mercado de CMOS.

Según el último pronóstico de Yole Group, el valor de mercado de los sensores de imagen CMOS ha aumentado entre 1 y 5,5 mil millones de dólares entre 2016 y 2022, convirtiéndose en el segmento de mayor crecimiento y porcentaje entre los sensores automotrices (incluidos varios radares, sensores, etc.).

• Campo de seguridad

En el campo de la monitorización de la seguridad, es necesario obtener información visual a través de cámaras, lo que requiere sensores de imagen CMOS. En los últimos años, con la profunda integración de la industria de la seguridad con tecnologías como la inteligencia artificial, el big data y la computación en la nube, la escala de todo el mercado de monitorización de la seguridad ha seguido expandiéndose. De los 851 mil millones de yuanes en valor de producción total de la industria de la seguridad de China en 2020, los proyectos de seguridad representaron 510 mil millones de yuanes, los productos de seguridad representaron 260 mil millones de yuanes y el mercado de operación, mantenimiento y servicio representó 81 mil millones de yuanes. En el futuro, con la mayor implementación de la infraestructura de la industria de la seguridad, la escala del mercado CIS en el campo de la monitorización de la seguridad seguirá creciendo.

• Campo de la IoT (Internet de las cosas)

En el campo de la IoT, una gran cantidad de dispositivos de hardware electrónico necesitan estar equipados con módulos de cámara para realizar imágenes, reconocimiento facial, videollamadas y otras funciones. Como televisores, altavoces inteligentes, drones, VR/AR y otros productos. Además, también se necesita una gran cantidad de sensores de imagen CMOS en sistemas médicos e industriales. Ahora, los campos de investigación médica y científica buscan utilizar sensores CMOS de menor costo y mejor efectividad para reemplazar la mayoría de los productos antiguos; con el desarrollo de la visión artificial, cada vez más líneas de producción industriales introducirán sensores de imagen para mejorar la eficiencia y la calidad de la producción.

Lista de productos con sensores de imagen CMOS de Canon