카메라 모듈 CMOS 이미지 센서 선택 가이드

이미지 센서는 빛 신호를 전기 신호로 변환하는 장치로 디지털 텔레비전과 영상 커뮤니케이션 시장에서 널리 사용됩니다. 현재 가장 널리 사용되는 두 가지는 CCD(Charge-Coupled Device)와 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)입니다.

그 중에서도 CMOS는 현재 가장 눈길을 끌고 있으며, 가장 큰 개발 잠재력을 가지고 있다고 여겨진다.

CMOS 이미지 센서는 전형적인 솔리드 스테이트 이미징 센서로, 일반적으로 이미지 감지 유닛 어레이, 행 드라이버, 열 드라이버, 타이밍 제어 로직, AD 컨버터, 데이터 버스 출력 인터페이스, 제어 인터페이스 및 기타 부품으로 구성됩니다. 이러한 부품은 일반적으로 동일한 실리콘 칩에 통합됩니다. 작업 프로세스는 일반적으로 재설정, 광전 변환, 통합 및 판독으로 나눌 수 있습니다.

다른 디지털 신호 처리 회로도 CMOS 이미지 센서 칩에 통합될 수 있습니다. 예를 들어 AD 컨버터, 자동 노출 제어, 불균일성 보상, 화이트 밸런스 처리, 블랙 레벨 제어, 감마 보정 등이 있습니다. 빠른 계산을 수행하기 위해 프로그래밍 가능한 기능이 있는 DSP 장치도 CMOS 장치와 통합되어 단일 칩 디지털 카메라 및 이미지 처리 시스템을 형성할 수 있습니다.

더 정확히 말하면, CMOS 이미지 센서는 이미지 시스템으로 간주되어야 합니다. 사실, 설계자가 CMOS 이미지 센서를 구매하면 이미지 어레이 로직 레지스터, 메모리, 타이밍 펄스 생성기, 컨버터를 포함한 완전한 시스템을 얻게 됩니다.

1. MOS 튜브의 픽셀 구조

MOS 트랜지스터와 포토다이오드는 픽셀과 동등한 구조적 단면을 형성합니다. 광 적분 기간 동안 MOS 트랜지스터는 차단되고 포토다이오드는 입사광의 세기에 따라 해당 캐리어를 생성하여 소스의 PN 접합(아래 그림의 위치 ①)에 저장합니다.

통합 기간이 끝나면 스캔 펄스가 MOS 트랜지스터의 게이트에 인가되어 트랜지스터가 켜지고, 포토다이오드가 기준 전위로 재설정되고, 부하를 통해 비디오 전류가 흐르게 됩니다. 이때 전류의 크기는 입사광 세기에 따라 달라집니다.

MOS 트랜지스터 소스 PN 접합은 광전 변환 및 캐리어 저장의 역할을 합니다. 게이트에 펄스 신호가 적용되면 비디오 신호가 읽힙니다.

2. CMOS 이미지 센서 어레이 구조

CMOS 픽셀 배열 구조는 수평 시프트 레지스터, 수직 시프트 레지스터, CMOS 픽셀 배열로 구성됩니다.

CMOS 센서 어레이 구조

(1-수직 쉬프트 레지스터; 2-수평 쉬프트 레지스터; 3-수평 스캐닝 스위치; 4-수직 스캐닝 스위치; 5-픽셀 어레이; 6-신호 라인; 7-픽셀)

위에서 언급했듯이, 각 MOS 트랜지스터는 수평 및 수직 스캐닝 회로의 펄스 구동 하에서 스위치 역할을 합니다. 수평 시프트 레지스터는 수평 스캐닝 역할을 하는 MOS 트랜지스터를 왼쪽에서 오른쪽으로 순차적으로 켜고, 즉 열을 주소 지정하는 역할을 하며, 수직 시프트 레지스터는 배열의 행을 순차적으로 주소 지정합니다.

각 픽셀은 수직 스위치 역할을 하는 포토다이오드와 MOS 트랜지스터로 구성되어 있습니다. 수평 스위치는 수평 시프트 레지스터에서 생성된 펄스의 작용에 따라 순차적으로 켜지고, 수직 스위치는 수직 시프트 레지스터에서 생성된 펄스의 작용에 따라 켜지므로, 기준 전압(바이어스)이 픽셀의 포토다이오드에 순차적으로 적용됩니다.

3. CMOS 이미지 센서의 동작 원리 및 프로세스

CMOS 이미지 센서의 기능 블록 다이어그램에 따르면 CMOS 이미지 센서의 워크플로는 주로 다음의 3단계로 나뉜다는 것을 알 수 있습니다.

CMOS 이미지 센서의 기능 블록 다이어그램

1단계: 외부 빛이 픽셀 배열을 조사하여 광전 효과를 일으키고 픽셀 단위에 해당 전하를 생성합니다.

장면은 이미징 렌즈를 통해 이미지 센서 어레이에 초점이 맞춰집니다. 이미지 센서 어레이는 2차원 픽셀 어레이입니다. 각 픽셀에는 포토다이오드가 포함됩니다. 각 픽셀의 포토다이오드는 어레이 표면의 광 강도를 전기 신호로 변환합니다.

2단계: 행 선택 회로와 열 선택 회로를 통해 동작하고자 하는 픽셀을 선택하고, 픽셀의 전기 신호를 읽습니다.

게이팅 프로세스 동안 행 선택 논리 유닛은 픽셀 배열을 행별로 또는 번갈아 스캔할 수 있으며, 열도 마찬가지입니다. 행 선택 논리 유닛과 열 선택 논리 유닛을 함께 사용하여 이미지의 창 추출 기능을 실현할 수 있습니다.

3단계: 해당 픽셀 단위에 대한 신호 처리를 수행합니다.

행 픽셀 단위의 이미지 신호는 해당 열의 신호 버스를 통해 해당 아날로그 신호 처리 단위와 A/D 변환기로 전송되고, 출력을 위해 디지털 이미지 신호로 변환됩니다. 아날로그 신호 처리 단위의 주요 기능은 신호를 증폭하고 신호 대 잡음비를 개선하는 것입니다.

픽셀 전기 신호가 증폭된 후, 처리를 위해 상관 이중 샘플링(CDS) 회로로 전송됩니다. 상관 이중 샘플링은 고품질 장치에서 일부 간섭을 제거하는 데 사용되는 중요한 방법입니다. 기본 원리는 이미지 센서가 실시간 신호용과 참조 신호용의 두 가지 출력을 생성한다는 것입니다. 동일하거나 관련된 간섭 신호는 두 신호의 차이로 제거됩니다.

이 방법은 KTC 노이즈, 리셋 노이즈, 고정 패턴 노이즈 FPN(Fixed Pattern Noise)을 줄일 수 있으며, 1/f 노이즈를 줄이고 신호 대 잡음비를 개선할 수도 있습니다. 또한 신호 통합, 증폭, 샘플링, 홀딩 및 기타 기능을 완료할 수도 있습니다.

그런 다음 신호는 아날로그/디지털 변환기로 출력되고 디지털 신호 출력으로 변환됩니다.

또한, 합격 품질의 실용적인 카메라를 얻기 위해 칩은 노출 시간 제어, 자동 이득 제어 등과 같은 다양한 제어 회로를 포함해야 합니다. 칩의 회로의 각 부분을 지정된 비트로 움직이게 하려면 여러 타이밍 제어 신호를 사용해야 합니다. 카메라의 적용을 용이하게 하기 위해 칩은 또한 동기화 신호, 라인 시작 신호, 필드 시작 신호 등과 같은 일부 타이밍 신호를 출력해야 합니다.

CMOS 이미지 센서는 소형, 저전력 소모, 저렴한 가격, 대량 생산의 장점을 가지고 있으며, 이미지 센서 시장의 90%를 차지합니다. 디지털 카메라, 스마트폰, 자율 주행, 보안, 사물 인터넷 및 기타 분야에서 널리 사용되고 있으며 미래에 엄청난 시장 잠재력을 가지고 있습니다.

• 디지털 카메라

디지털 카메라의 초창기에는 대부분 디지털 카메라가 일반적으로 CCD 이미징을 사용했습니다. 그러나 나중에 CMOS가 빠르게 발전하여 가정용 SLR 카메라에 없어서는 안 될 구성 요소가 되었습니다.

CMOS는 색상 채도와 질감 면에서 CCD보다 약간 떨어지지만 CMOS 처리 칩이 이를 보완할 수 있으므로 노이즈 감소 메커니즘, 빠른 판독 속도, 전력 절감 등 다른 측면에서는 여전히 CCD보다 우수합니다. 시중에는 이러한 특성을 가진 고성능 SLR이 많이 있습니다.

• 스마트 폰

아시다시피 모바일 단말기는 항상 CMOS 이미지 센서의 중요한 시장이었습니다. 듀얼 카메라와 3D 카메라는 스마트폰에 널리 사용되고 있으며, 렌즈를 추가하면 모바일 폰 제조업체가 판매 전략과 경쟁 제품 간의 격차를 넓히는 데 도움이 됩니다. 제조업체는 카메라 모듈을 설치하는 데 더 적극적이며, 특히 200만에서 500만 개의 저화소 기능성 렌즈를 사용하여 제품의 렌즈 수를 늘립니다.

일반적으로 CMOS 센서는 백라이트 CMOS 센서와 적층 CMOS 센서로 나눌 수 있습니다.

백라이트 CMOS 센서는 포토다이오드와 배선 층을 전환하여 빛이 먼저 감광성 포토다이오드로 들어가도록 하여 감도를 높이고 저조도 환경에서 촬영 효과를 크게 개선합니다. 우리가 알다시피 아이폰, 샤오미, 메이주에는 이러한 센서가 장착되어 있습니다.

스택 CMOS 센서는 백라이트 CMOS 센서의 파생형입니다. 모바일 폰 카메라에서 가장 널리 사용되고 가장 진보된 센서이며 소니의 독점 기술입니다.

• 자동 조종 장치

오늘날 자동차 시장은 휴대전화에 이어 CMOS 센서의 두 번째로 큰 적용 분야가 되었습니다.

자율 주행 기술의 발전으로 차량 장착 카메라에 대한 수요가 급격히 증가했습니다. 모든 추가 카메라에는 추가 CMOS 센서가 필요하며, 이는 CMOS 시장 규모의 성장을 직접 촉진합니다.

Yole Group의 최신 전망에 따르면, CMOS 이미지 센서의 시장 가치는 2016년부터 2022년까지 1조 4,000억 달러 증가하여 자동차 센서(각종 레이더, 센서 등 포함) 중 가장 빠르게 성장하고 비중이 가장 높은 부문이 될 것으로 예상됩니다.

• 보안 필드

보안 모니터링 분야에서는 카메라를 통해 시각 정보를 얻어야 하며, 여기에는 CMOS 이미지 센서가 필요합니다. 최근 몇 년 동안 보안 산업이 인공지능, 빅데이터, 클라우드 컴퓨팅과 같은 기술과 긴밀하게 통합되면서 전체 보안 모니터링 시장 규모가 지속적으로 확대되었습니다. 2020년 중국 보안 산업의 총 생산 가치 8,510억 위안 중 보안 프로젝트는 5,100억 위안, 보안 제품은 2,600억 위안, 운영 및 유지 관리 및 서비스 시장은 810억 위안을 차지했습니다. 앞으로 보안 산업 인프라가 더욱 구축됨에 따라 보안 모니터링 분야의 CIS 시장 규모는 계속 확대될 것입니다.

• 사물인터넷(IoT) 분야

사물인터넷 분야에서는 이미지, 얼굴 인식, 화상 통화 및 기타 기능을 실현하기 위해 많은 수의 전자 하드웨어 장치에 카메라 모듈을 장착해야 합니다. 예를 들어 TV, 스마트 스피커, 드론, VR/AR 및 기타 제품 등이 있습니다. 또한 의료 및 산업 시스템에도 많은 수의 CMOS 이미지 센서가 필요합니다. 현재 의료 및 과학 연구 분야에서는 대부분의 오래된 제품을 대체하기 위해 비용이 저렴하고 효과적인 CMOS 센서를 사용하려고 하고 있습니다. 머신 비전이 개발됨에 따라 점점 더 많은 산업 생산 라인에서 생산 효율성과 품질을 개선하기 위해 이미지 센서를 도입할 것입니다.

캐논 CMOS 이미지 센서 제품 목록