Guia de seleção do sensor de imagem CMOS do módulo da câmera

Sensores de imagem são dispositivos que convertem sinais de luz em sinais elétricos e são amplamente utilizados nos mercados de televisão digital e comunicação visual. Atualmente, os dois mais amplamente utilizados são CCD (Charge-Coupled Device) e CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

Entre eles, o CMOS é atualmente o que mais chama a atenção e é considerado o que tem maior potencial de desenvolvimento.

O sensor de imagem CMOS é um sensor de imagem de estado sólido típico, geralmente composto de matriz de unidade sensível à imagem, driver de linha, driver de coluna, lógica de controle de tempo, conversor AD, interface de saída de barramento de dados, interface de controle e outras partes. Essas partes geralmente são integradas no mesmo chip de silício. Seu processo de trabalho pode geralmente ser dividido em reinicialização, conversão fotoelétrica, integração e leitura.

Outros circuitos de processamento de sinal digital também podem ser integrados no chip sensor de imagem CMOS, como conversores AD, controle automático de exposição, compensação de não uniformidade, processamento de balanço de branco, controle de nível de preto, correção gama, etc. Para realizar cálculos rápidos, até mesmo dispositivos DSP com funções programáveis podem ser integrados com dispositivos CMOS para formar uma câmera digital de chip único e um sistema de processamento de imagem.

Mais precisamente, um sensor de imagem CMOS deve ser considerado um sistema de imagem. Na verdade, quando um designer compra um sensor de imagem CMOS, ele ou ela obtém um sistema completo, incluindo registradores lógicos de matriz de imagem, memória, geradores de pulso de temporização e conversores.

1. Estrutura de pixel do tubo MOS

O transistor MOS e o fotodiodo formam uma seção transversal estrutural equivalente a um pixel. Durante o período de integração da luz, o transistor MOS é cortado, e o fotodiodo gera portadores correspondentes de acordo com a intensidade da luz incidente e os armazena na junção PN da fonte (posição ① na figura abaixo).

Quando o período de integração termina, um pulso de varredura é aplicado ao gate do transistor MOS, ligando-o, redefinindo o fotodiodo para o potencial de referência e fazendo com que uma corrente de vídeo flua através da carga, cuja magnitude corresponde à intensidade da luz incidente.

A junção PN da fonte do transistor MOS desempenha o papel de conversão fotoelétrica e armazenamento de portadora. Quando um sinal de pulso é aplicado ao gate, o sinal de vídeo é lido.

2. Estrutura da matriz do sensor de imagem CMOS

A estrutura da matriz de pixels CMOS consiste em um registrador de deslocamento horizontal, um registrador de deslocamento vertical e uma matriz de pixels CMOS.

Estrutura da matriz do sensor CMOS

(1-registrador de deslocamento vertical; 2-registrador de deslocamento horizontal; 3-interruptor de varredura horizontal; 4-interruptor de varredura vertical; matriz de 5 pixels; 6-linha de sinal; 7 pixels)

Conforme mencionado acima, cada transistor MOS atua como um interruptor sob o acionamento de pulso dos circuitos de varredura horizontal e vertical. O registrador de deslocamento horizontal liga sequencialmente os transistores MOS que desempenham o papel de varredura horizontal da esquerda para a direita, ou seja, o papel de endereçar a coluna, e o registrador de deslocamento vertical endereça sequencialmente as linhas do array.

Cada pixel consiste em um fotodiodo e um transistor MOS que atua como um interruptor vertical. O interruptor horizontal é ligado em sequência sob a ação do pulso gerado pelo registrador de deslocamento horizontal, e o interruptor vertical é ligado sob a ação do pulso gerado pelo registrador de deslocamento vertical, de modo que a tensão de referência (polarização) é aplicada ao fotodiodo do pixel em sequência.

3. Princípio de funcionamento e processo do sensor de imagem CMOS

De acordo com o diagrama de blocos funcionais do sensor de imagem CMOS, pode-se descobrir que o fluxo de trabalho do sensor de imagem CMOS é dividido principalmente nas três etapas a seguir.

Diagrama de blocos funcionais de um sensor de imagem CMOS

Etapa 1: A luz externa irradia o conjunto de pixels, causando um efeito fotoelétrico e gerando cargas correspondentes na unidade de pixel.

A cena é focada no conjunto de sensores de imagem através da lente de imagem. O conjunto de sensores de imagem é um conjunto de pixels bidimensional. Cada pixel inclui um fotodiodo. O fotodiodo em cada pixel converte a intensidade da luz na superfície do conjunto em um sinal elétrico.

Etapa 2: Selecione o pixel que você deseja operar através do circuito de seleção de linha e do circuito de seleção de coluna e leia o sinal elétrico no pixel.

Durante o processo de gating, a unidade lógica de seleção de linha pode escanear a matriz de pixels linha por linha ou alternadamente, e o mesmo é verdadeiro para as colunas. A unidade lógica de seleção de linha e a unidade lógica de seleção de coluna podem ser usadas juntas para realizar a função de extração de janela da imagem.

Etapa 3: Execute o processamento de sinal nas unidades de pixel correspondentes.

Os sinais de imagem nas unidades de pixel de linha são transmitidos para as unidades de processamento de sinal analógico correspondentes e conversores A/D através dos barramentos de sinal de suas respectivas colunas, e convertidos em sinais de imagem digital para saída. A principal função das unidades de processamento de sinal analógico é amplificar os sinais e melhorar a relação sinal-ruído.

Após o sinal elétrico do pixel ser amplificado, ele é enviado para o circuito de amostragem dupla correlacionada (CDS) para processamento. A amostragem dupla correlacionada é um método importante usado por dispositivos de alta qualidade para eliminar alguma interferência. Seu princípio básico é que o sensor de imagem leva a duas saídas, uma para o sinal em tempo real e a outra para o sinal de referência. Os mesmos sinais de interferência ou relacionados são removidos pela diferença dos dois sinais.

Este método pode reduzir o ruído KTC, redefinir o ruído e o ruído de padrão fixo FPN (Fixed Pattern Noise), e também pode reduzir o ruído 1/f e melhorar a relação sinal-ruído. Além disso, também pode completar a integração de sinal, amplificação, amostragem, retenção e outras funções.

O sinal é então enviado para um conversor analógico/digital e convertido em uma saída de sinal digital.

Além disso, para obter uma câmera prática de qualidade qualificada, o chip deve conter vários circuitos de controle, como controle de tempo de exposição, controle automático de ganho, etc. Para fazer com que cada parte do circuito no chip se mova em uma batida especificada, vários sinais de controle de tempo devem ser usados. Para facilitar a aplicação da câmera, o chip também é necessário para emitir alguns sinais de tempo, como sinais de sincronização, sinais de início de linha, sinais de início de campo, etc.

Os sensores de imagem CMOS têm as vantagens de tamanho pequeno, baixo consumo de energia, baixo preço e produção em massa, e respondem por 90% do mercado de sensores de imagem. Eles são amplamente usados em câmeras digitais, smartphones, direção autônoma, segurança, Internet das Coisas e outros campos, e têm enorme potencial de mercado no futuro.

• digital câmera

Nos primeiros dias das câmeras digitais, a maioria delas geralmente usava imagens CCD. No entanto, mais tarde, o CMOS se desenvolveu rapidamente e se tornou um componente indispensável em câmeras SLR domésticas.

Embora o CMOS seja ligeiramente inferior ao CCD em saturação de cor e textura, o chip de processamento CMOS pode compensar isso, então ele ainda é melhor que o CCD em outros aspectos, como mecanismo de redução de ruído, velocidade de leitura rápida, economia de energia, etc. No mercado, muitas SLRs de alto desempenho têm as características acima.

• telefone inteligente

Como todos sabemos, terminais móveis sempre foram um mercado importante para sensores de imagem CMOS. Câmeras duplas e câmeras 3D são amplamente utilizadas em smartphones, e adicionar lentes ajuda os fabricantes de telefones celulares a ampliar a lacuna entre suas estratégias de vendas e produtos concorrentes. Os fabricantes são mais ativos na instalação de módulos de câmera, especialmente usando de 2 milhões a 5 milhões de lentes funcionais de baixo pixel para aumentar o número de lentes em seus produtos.

Em termos gerais, os sensores CMOS podem ser divididos em sensores CMOS retroiluminados e sensores CMOS empilhados.

O sensor CMOS retroiluminado alterna o fotodiodo e a camada de fiação para que a luz entre primeiro no fotodiodo fotossensível, aumentando assim a sensibilidade e melhorando significativamente o efeito de disparo em ambientes com pouca luz. IPhone, Xiaomi, Meizu, como todos sabemos, são equipados com tais sensores.

O sensor CMOS empilhado é um derivado do sensor CMOS retroiluminado. É o mais amplamente usado e o mais avançado em câmeras de celulares e é uma tecnologia exclusiva da Sony.

• Piloto automático

Hoje, o mercado automotivo se tornou a segunda maior área de aplicação para sensores CMOS, depois dos telefones celulares.

Com o desenvolvimento da tecnologia de direção autônoma, a demanda por câmeras montadas em veículos aumentou rapidamente. Cada câmera adicional requer um sensor CMOS adicional, o que impulsiona diretamente o crescimento do tamanho do mercado de CMOS.

De acordo com a última previsão do Yole Group, o valor de mercado dos sensores de imagem CMOS aumentou em US$ 1,4 bilhão entre 2016 e 2022, tornando-se o segmento de crescimento mais rápido e com maior porcentagem entre os sensores automotivos (incluindo vários radares, sensores, etc.).

• Campo de segurança

No campo do monitoramento de segurança, as informações visuais precisam ser obtidas por meio de câmeras, o que requer sensores de imagem CMOS. Nos últimos anos, com a profunda integração da indústria de segurança com tecnologias como inteligência artificial, big data e computação em nuvem, a escala de todo o mercado de monitoramento de segurança continuou a se expandir. Dos 851 bilhões de yuans em valor total de produção da indústria de segurança da China em 2020, os projetos de segurança representaram 510 bilhões de yuans, os produtos de segurança representaram 260 bilhões de yuans e o mercado de operação, manutenção e serviços representou 81 bilhões de yuans. No futuro, com a implementação adicional da infraestrutura da indústria de segurança, a escala do mercado CIS no campo de monitoramento de segurança continuará a crescer.

• Campo IOT (Internet das Coisas)

No campo da IOT, um grande número de dispositivos de hardware eletrônico precisa ser equipado com módulos de câmera para realizar imagem, reconhecimento facial, videochamadas e outras funções. Como TV, alto-falantes inteligentes, drones, VR/AR e outros produtos. Além disso, um grande número de sensores de imagem CMOS também são necessários em sistemas médicos e industriais. Agora, os campos de pesquisa médica e científica estão buscando usar sensores CMOS de menor custo e mais eficazes para substituir a maioria dos produtos antigos; com o desenvolvimento da visão de máquina, mais e mais linhas de produção industrial introduzirão sensores de imagem para melhorar a eficiência e a qualidade da produção.

Lista de produtos do sensor de imagem CMOS da Canon