Руководство по выбору модуля камеры CMOS-датчика изображения

Датчики изображения — это устройства, преобразующие световые сигналы в электрические сигналы, которые широко используются на рынках цифрового телевидения и визуальной коммуникации. В настоящее время наиболее широко используются два типа: ПЗС (прибор с зарядовой связью) и КМОП (комплементарный металл-оксид-полупроводник).

Среди них КМОП в настоящее время является наиболее привлекательным и считается имеющим наибольший потенциал развития.

Датчик изображения CMOS — это типичный твердотельный датчик изображения, обычно состоящий из матрицы чувствительных к изображению единиц, драйвера строк, драйвера столбцов, логики управления синхронизацией, АЦП, интерфейса вывода шины данных, интерфейса управления и других частей. Эти части обычно интегрируются на одном кремниевом чипе. Его рабочий процесс можно разделить на сброс, фотоэлектрическое преобразование, интеграцию и считывание.

В чип датчика изображения КМОП также могут быть интегрированы другие схемы цифровой обработки сигнала, такие как АЦП, автоматическое управление экспозицией, компенсация неоднородности, обработка баланса белого, управление уровнем черного, гамма-коррекция и т. д. Для выполнения быстрых вычислений даже устройства DSP с программируемыми функциями могут быть интегрированы с устройствами КМОП, образуя однокристальную цифровую камеру и систему обработки изображений.

Точнее, датчик изображения CMOS следует считать системой изображения. Фактически, когда разработчик покупает датчик изображения CMOS, он или она получает полную систему, включая регистры логики матрицы изображения, память, генераторы тактовых импульсов и преобразователи.

1. Структура пикселя МОП-трубки

МОП-транзистор и фотодиод образуют структурное сечение, эквивалентное пикселю. В период интеграции света МОП-транзистор отключается, а фотодиод генерирует соответствующие носители в соответствии с интенсивностью падающего света и сохраняет их на PN-переходе источника (позиция ① на рисунке ниже).

По окончании периода интегрирования на затвор МОП-транзистора подается сканирующий импульс, который включает его, сбрасывает фотодиод до опорного потенциала и вызывает протекание через нагрузку видеотока, величина которого соответствует интенсивности падающего света.

PN-переход истока МОП-транзистора выполняет функцию фотоэлектрического преобразования и хранения носителей. При подаче импульсного сигнала на затвор считывается видеосигнал.

2. Структура матрицы датчика изображения КМОП

Структура матрицы пикселей КМОП состоит из горизонтального регистра сдвига, вертикального регистра сдвига и матрицы пикселей КМОП.

Структура матрицы КМОП-сенсора

(1-регистр сдвига по вертикали; 2-регистр сдвига по горизонтали; 3-переключатель горизонтальной развертки; 4-переключатель вертикальной развертки; 5-матрица пикселей; 6-сигнальная линия; 7-пиксель)

Как уже упоминалось выше, каждый МОП-транзистор действует как переключатель под импульсным приводом схем горизонтальной и вертикальной развертки. Горизонтальный сдвиговый регистр последовательно включает МОП-транзисторы, которые играют роль горизонтальной развертки слева направо, то есть роль адресации столбца, а вертикальный сдвиговый регистр последовательно адресует строки массива.

Каждый пиксель состоит из фотодиода и МОП-транзистора, который действует как вертикальный переключатель. Горизонтальный переключатель включается последовательно под действием импульса, генерируемого горизонтальным сдвиговым регистром, а вертикальный переключатель включается под действием импульса, генерируемого вертикальным сдвиговым регистром, так что опорное напряжение (смещение) подается на фотодиод пикселя последовательно.

3. Принцип работы и процесс работы КМОП-датчика изображения

Согласно функциональной блок-схеме КМОП-датчика изображения, можно заметить, что рабочий процесс КМОП-датчика изображения в основном делится на следующие три этапа.

Функциональная блок-схема КМОП-датчика изображения

Шаг 1: Внешний свет облучает пиксельную матрицу, вызывая фотоэлектрический эффект и генерируя соответствующие заряды в пиксельной единице.

Сцена фокусируется на массиве датчиков изображения через объектив изображения. Массив датчиков изображения представляет собой двумерный массив пикселей. Каждый пиксель включает фотодиод. Фотодиод в каждом пикселе преобразует интенсивность света на поверхности своего массива в электрический сигнал.

Шаг 2: Выберите пиксель, которым вы хотите управлять, с помощью схемы выбора строки и схемы выбора столбца, и считайте электрический сигнал на пикселе.

В процессе стробирования логический блок выбора строки может сканировать пиксельный массив построчно или попеременно, и то же самое относится к столбцам. Логический блок выбора строки и логический блок выбора столбца могут использоваться вместе для реализации функции извлечения окна изображения.

Шаг 3: Выполнить обработку сигнала на соответствующих пиксельных блоках.

Сигналы изображения в пиксельных блоках строк передаются в соответствующие блоки обработки аналоговых сигналов и АЦП через сигнальные шины соответствующих столбцов и преобразуются в цифровые сигналы изображения для вывода. Основная функция блоков обработки аналоговых сигналов заключается в усилении сигналов и улучшении отношения сигнал/шум.

После усиления электрического сигнала пикселя он отправляется в схему коррелированной двойной выборки (CDS) для обработки. Коррелированная двойная выборка является важным методом, используемым высококачественными устройствами для устранения некоторых помех. Его основной принцип заключается в том, что датчик изображения ведет к двум выходам, одному для сигнала в реальном времени, а другому для опорного сигнала. Одинаковые или связанные сигналы помех удаляются разницей двух сигналов.

Этот метод может уменьшить шум KTC, шум сброса и фиксированный шаблонный шум FPN (Fixed Pattern Noise), а также может уменьшить шум 1/f и улучшить отношение сигнал/шум. Кроме того, он также может завершить интеграцию сигнала, усиление, выборку, удержание и другие функции.

Затем сигнал выводится на аналого-цифровой преобразователь и преобразуется в цифровой выходной сигнал.

Кроме того, для получения практичной камеры квалифицированного качества чип должен содержать различные схемы управления, такие как управление временем экспозиции, автоматическая регулировка усиления и т. д. Для того, чтобы заставить каждую часть схемы в чипе двигаться в заданном ритме, необходимо использовать несколько сигналов управления синхронизацией. Для того, чтобы облегчить применение камеры, чип также должен выводить некоторые сигналы синхронизации, такие как сигналы синхронизации, сигналы начала строки, сигналы начала поля и т. д.

Датчики изображения CMOS имеют преимущества малого размера, низкого энергопотребления, низкой цены и массового производства, и они составляют 90% рынка датчиков изображения. Они широко используются в цифровых камерах, смартфонах, автономном вождении, безопасности, Интернете вещей и других областях и имеют огромный рыночный потенциал в будущем.

• цифровой камера

На заре цифровых камер большинство из них использовали ПЗС-матрицу. Однако позже КМОП-матрица быстро развилась и стала незаменимым компонентом в домашних зеркальных камерах.

Хотя КМОП-матрица немного уступает ПЗС по насыщенности цвета и текстуре, чип обработки КМОП-матрицы может компенсировать эти недостатки, поэтому она все равно превосходит ПЗС по другим параметрам, таким как механизм шумоподавления, высокая скорость считывания, энергосбережение и т. д. На рынке представлено множество высокопроизводительных зеркальных фотокамер, обладающих вышеуказанными характеристиками.

• смартфон

Как мы все знаем, мобильные терминалы всегда были важным рынком для датчиков изображения CMOS. Двойные камеры и 3D-камеры широко используются в смартфонах, а добавление линз помогает производителям мобильных телефонов увеличить разрыв между своими стратегиями продаж и конкурирующими продуктами. Производители более активно устанавливают модули камер, особенно используя от 2 до 5 миллионов функциональных линз с низким разрешением пикселей для увеличения количества линз в своих продуктах.

В целом КМОП-датчики можно разделить на КМОП-датчики с задней подсветкой и многослойные КМОП-датчики.

Подсвечиваемый сзади CMOS-датчик переключает фотодиод и слой проводки таким образом, что свет сначала попадает на светочувствительный фотодиод, тем самым увеличивая чувствительность и значительно улучшая эффект съемки в условиях низкой освещенности. IPhon, Xiaomi, Meizu, как мы все знаем, оснащены такими датчиками.

Стекированный датчик CMOS является производным от датчика CMOS с задней подсветкой. Он является наиболее широко используемым и самым передовым в камерах мобильных телефонов и является эксклюзивной технологией Sony.

• Автопилот

Сегодня автомобильный рынок стал второй по величине областью применения КМОП-сенсоров после мобильных телефонов.

С развитием технологий автономного вождения спрос на камеры, устанавливаемые на транспортные средства, стремительно возрос. Каждая дополнительная камера требует дополнительного датчика CMOS, что напрямую влияет на рост размера рынка CMOS.

Согласно последнему прогнозу Yole Group, рыночная стоимость датчиков изображения CMOS выросла на $5,5 млрд долларов США с 2016 по 2022 год, став самым быстрорастущим и самым высокопроцентным сегментом среди автомобильных датчиков (включая различные радары, сенсоры и т. д.).

• Поле безопасности

В области мониторинга безопасности визуальная информация должна быть получена с помощью камер, для чего требуются датчики изображения CMOS. В последние годы, с глубокой интеграцией индустрии безопасности с такими технологиями, как искусственный интеллект, большие данные и облачные вычисления, масштаб всего рынка мониторинга безопасности продолжал расширяться. Из 851 млрд юаней общей стоимости продукции индустрии безопасности Китая в 2020 году, проекты безопасности составили 510 млрд юаней, продукты безопасности составили 260 млрд юаней, а рынок эксплуатации, обслуживания и услуг составил 81 млрд юаней. В будущем, с дальнейшей реализацией инфраструктуры индустрии безопасности, масштаб рынка СНГ в области мониторинга безопасности будет продолжать расти.

• Область Интернета вещей (IOT)

В области IoT большое количество электронных аппаратных устройств необходимо оснастить модулями камер для реализации изображений, распознавания лиц, видеозвонков и других функций. Например, телевизоры, умные колонки, дроны, VR/AR и другие продукты. Кроме того, большое количество датчиков изображения CMOS также необходимо в медицинских и промышленных системах. Теперь медицинские и научные исследования стремятся использовать более дешевые и более эффективные датчики CMOS для замены большинства старых продуктов; с развитием машинного зрения все больше промышленных производственных линий будут внедрять датчики изображения для повышения эффективности и качества производства.

Список продуктов Canon CMOS Image Sensor