CMOS图像传感器（CMOS Image Sensor, CIS）知识介绍

CMOS图像传感器是一种基于 互补金属氧化物半导体（CMOS） 技术的图像传感芯片，用于将光学图像转换为电信号，广泛应用于数码相机、智能手机、安防监控、医疗影像等领域。与传统的CCD（电荷耦合器件）传感器相比，CMOS传感器具有 低功耗、高集成度、低成本 等优势，已成为现代成像设备的主流选择。

1. CMOS图像传感器的基本结构

CMOS图像传感器的结构包括：

• 像素阵列（Pixel Array）：由数百万甚至上亿个感光单元（像素）组成，每个像素包含：

  • 光电二极管（Photodiode）：负责将光信号转换为电荷（光电效应）。

  • 放大器（Amplifier）：放大微弱电信号。

  • 模拟-数字转换器（ADC）：将模拟信号转换为数字信号（部分CMOS采用列级ADC）。

  • 传输晶体管（Transfer Gate）：控制电荷的转移。

• 行/列驱动电路：控制像素的读取和扫描。

• 信号处理电路（ISP, Image Signal Processor）：进行降噪、色彩校正、自动曝光等处理。

• 输出接口：如MIPI、LVDS等，用于传输图像数据。

2. CMOS传感器的工作原理

1. 光电转换：光线通过透镜进入像素阵列，光电二极管吸收光子并产生电子-空穴对（电荷）。

2. 电荷存储：电荷被存储在像素的电容中（如浮动扩散节点，FD）。

3. 信号读出：

   • 全局快门（Global Shutter）：所有像素同时曝光，适合高速运动场景。

   • 滚动快门（Rolling Shutter）：逐行曝光，成本低但可能产生果冻效应（Jello Effect）。

4. 信号放大与模数转换：

   • 每个像素或每列像素的信号被放大，并通过ADC转换为数字信号。

5. 图像处理：

   • 去马赛克（Demosaicing，用于Bayer滤镜）、降噪、HDR合成等。

3. CMOS vs CCD（关键区别）

4. CMOS传感器的关键技术

（1）背照式（BSI, Back-Side Illumination）

• 传统CMOS（FSI, Front-Side Illumination）的光电二极管位于电路下方，光线会被金属线路遮挡，降低感光效率。

• BSI技术 将光电二极管移到电路上方，提高量子效率（QE），尤其改善低光性能（如手机夜拍）。

（2）堆栈式（Stacked CMOS）

• 将像素层和逻辑处理层分离，通过TSV（硅通孔）技术垂直堆叠，提升传感器速度并减小体积（如索尼Exmor RS）。

（3）PDAF（相位检测自动对焦）

• 在像素中嵌入相位检测点，实现快速对焦（比传统对比度对焦更快）。

（4）HDR（高动态范围）

• 通过多帧合成或单帧多重曝光，增强亮暗细节（如手机HDR模式）。

（5）全局快门（Global Shutter）

• 所有像素同时曝光，避免滚动快门的运动畸变，用于工业检测、高速摄影。

5. CMOS传感器的应用领域

• 智能手机：索尼（IMX系列）、三星（ISOCELL）、豪威科技（OV）主导市场。

• 安防监控：低照度、宽动态范围（WDR）需求高。

• 汽车电子：ADAS（自动驾驶）、环视摄像头。

• 医疗影像：X光、内窥镜等。

• 工业检测：机器视觉、条码扫描。