相機模組 CMOS 影像感測器選用指南

影像感測器是將光訊號轉換為電訊號的裝置，廣泛應用於數位電視和視覺通訊市場。目前，應用最廣泛的兩種是CCD（電荷耦合元件）和CMOS（互補金屬氧化物半導體）。

其中，CMOS目前最引人注目，被認為具有最大的發展潛力。

CMOS影像感測器是典型的固態成像感測器，通常由影像敏感單元陣列、行驅動器、列驅動器、時序控制邏輯、AD轉換器、資料匯流排輸出介面、控制介面等部分組成。這些部件通常整合在同一塊矽晶片上。其工作過程一般可分為重設、光電轉換、積分和讀出。

CMOS影像感測器晶片上還可以整合其他數位訊號處理電路，例如AD轉換器、自動曝光控制、非均勻性補償、白平衡處理、黑色電平控制、伽瑪校正等。編程功能的DSP元件也可以與CMOS元件集成，構成單晶片數位相機和影像處理系統。

更準確地說，CMOS 影像感測器應該被視為影像系統。事實上，當設計人員購買 CMOS 影像感測器時，他或她獲得了一個完整的系統，包括影像陣列邏輯暫存器、記憶體、定時脈衝產生器和轉換器。

1、MOS管像素結構

MOS電晶體和光電二極體形成相當於像素的結構截面。在光積分期間，MOS管截止，光電二極體根據入射光的強度產生相應的載子並儲存在源極的PN結處（下圖中的位置①）。

當積分週期結束時，掃描脈衝施加到MOS電晶體的閘極，使其導通，將光電二極體重設到參考電位，並使視訊電流流過負載，其大小與入射光相對應。

MOS電晶體源極PN接面起到光電轉換和載子儲存的作用。當脈衝訊號施加到閘極時，視訊訊號被讀出。

2. CMOS影像感測器陣列結構

CMOS像素陣列結構由水平移位暫存器、垂直移位暫存器和CMOS像素陣列組成。

CMOS感測器陣列結構

（1-垂直移位暫存器；2-水平移位暫存器；3-水平掃描開關；4-垂直掃描開關；5-像素陣列；6-訊號線；7-像素）

如上所述，每個MOS電晶體在水平和垂直掃描電路的脈衝驅動下充當開關。水平移位暫存器由左至右依序導通起水平掃描作用，即列尋址作用的MOS電晶體，垂直移位暫存器依序對陣列的行進行尋址。

每個像素由一個光電二極體和一個充當垂直開關的 MOS 電晶體組成。水平開關在水平移位暫存器產生的脈衝作用下依序導通，垂直開關在垂直移位暫存器產生的脈衝作用下依次導通，從而使參考電壓（偏壓）為按順序施加到像素的光電二極體。

三、CMOS影像感測器工作原理及流程

根據CMOS影像感測器的功能框圖可以發現，CMOS影像感測器的工作流程主要分為以下三個步驟。

CMOS影像感測器的功能圖

步驟1：外部光線照射像素陣列，造成光電效應，在像素單元產生對應的電荷。

場景透過成像鏡頭聚焦到影像感測器陣列上。影像感測器陣列是二維像素陣列。每個像素包括一個光電二極體。每個像素中的光電二極體將其陣列表面上的光強度轉換為電訊號。

第二步：透過行選擇電路和列選擇電路選擇要操作的像素，並讀取該像素上的電訊號。

在選通過程中，行選擇邏輯單元可以逐行或交替地掃描像素陣列，對於列也是如此。行選擇邏輯單元和列選擇邏輯單元可以一起使用來實現影像的視窗擷取功能。

步驟3、對對應的像素單元進行訊號處理。

行像素單元中的影像訊號透過各自列的訊號匯流排傳輸至對應的類比訊號處理單元和A/D轉換器，轉換為數位影像訊號輸出。類比訊號處理單元的主要功能是放大訊號，提高訊號雜訊比。

像素電訊號放大後，送至相關雙取樣（CDS）電路處理。相關雙採樣是高品質設備用來消除某些幹擾的重要方法。其基本原理是影像感測器產生兩路輸出，一路為即時訊號，另一路為參考訊號。透過兩個訊號的差異來去除相同或相關的干擾訊號。

此方法可降低KTC噪聲、復位噪聲和固定模式噪聲FPN（Fixed Pattern Noise），還可降低1/f噪聲，提高信噪比。此外，還可以完成訊號積分、放大、取樣、保持等功能。

然後該訊號被輸出到類比/數位轉換器並轉換成數位訊號輸出。

另外，為了獲得品質合格的實用相機，晶片中必須含有各種控制電路，如曝光時間控制、自動增益控制等。時序控制訊號。為了方便相機的應用，也要求晶片輸出一些時序訊號，如同步訊號、行起始訊號、場起始訊號等。

CMOS影像感測器具有體積小、功耗低、價格低、可大量生產等優點，在影像感測器市場中佔據90%的份額。它們廣泛應用於數位相機、智慧型手機、自動駕駛、安防、物聯網等領域，未來市場潛力巨大。

• 數位的 相機

在數位相機的早期，大多數數位相機一般都採用CCD成像。不過，後來CMOS迅速發展，成為家用單眼相機不可缺少的零件。

雖然CMOS在色彩飽和度和質感上稍遜於CCD，但CMOS處理晶片可以彌補這些，所以在其他方面還是優於CCD的，例如降噪機制、讀取速度快、省電等。性能單眼都具備以上特質。

• 智慧型手機

眾所周知，行動終端一直是CMOS影像感測器的重要市場。雙鏡頭和3D相機在智慧型手機中廣泛應用，添加鏡頭有助於手機製造商拉大銷售策略與競品之間的差距。製造商更積極地安裝相機模組，特別是使用200萬至500萬低像素功能鏡頭來增加產品中的鏡頭數量。

一般來說，CMOS感測器可分為背照式CMOS感測器和堆疊式CMOS感測器。

背照式CMOS感測器透過切換光電二極體和佈線層，使光線先進入感光光電二極體，進而提高靈敏度，顯著改善在低光源環境下的拍攝效果。眾所周知，iPhone、小米、魅族都配備了這樣的感測器。

堆疊式 CMOS 感測器是背照式 CMOS 感測器的衍生產品。它是手機相機中應用最廣泛、最先進的一種，是索尼的獨家技術。

• 自動駕駛儀

如今，汽車市場已成為繼手機之後CMOS感測器的第二大應用領域。

隨著自動駕駛技術的發展，車載攝影機的需求快速成長。每增加一個攝影機就需要增加一個 CMOS 感測器，這直接推動了 CMOS 市場規模的成長。

根據Yole Group最新預測，2016年至2022年，CMOS影像感測器市場價值將成長$55億美元，成為汽車感測器（包括各種雷達、感測器等）中成長最快、佔比最高的細分領域。

• 安防領域

在安防監控領域，需要透過攝影機取得視覺訊息，這就需要CMOS影像感測器。近年來，隨著安防產業與人工智慧、大數據、雲端運算等技術的深度融合，整個安防監控市場規模不斷擴大。 2020年中國安防產業總產值8,510億元中，安防工程佔5,100億元，安防產品佔2,600億元，維運及服務市場佔810億元。未來，隨著安防產業基礎設施的進一步落實，安防監控領域CIS市場規模將持續成長。

• IOT（物聯網）領域

在物聯網領域，大量電子硬體設備需要配備攝影機模組來實現影像、人臉辨識、視訊通話等功能。如電視、智慧音箱、無人機、VR/AR等產品。此外，醫療和工業系統中也需要大量的CMOS影像感測器。現在醫療和科學研究領域正在尋求使用成本更低、效果更好的CMOS感測器來取代大部分舊產品；隨著機器視覺的發展，越來越多的工業生產線將引入影像感測器來提高生產效率和品質。

佳能 CMOS 影像感測器產品列表