CMOS图像传感器原理

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CMOS图像传感器原理

上篇文章讲述了人形机器人产业链分析-3D视觉，对人形机器人视觉有了初步了解。但是从整个视觉行业来看应用较为广泛，3D视觉只是其中的一小部分，笔者特地梳理了整个视觉行业的底层CMOS传感器技术，以及CMOS传感器在各个行业中的应用和市场空间，以便大家对视觉有更多的了解和参考。

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COMS图像传感器原理

1、原理

CMOS 图像传感器是一种光学传感器，是摄像头模组的核心元器件，对摄像头的光线感知和图像质量起到了关键的影响。CMOS 图像传感器首先通过感光单元阵列将所获取对象景物的亮度和色彩等信息由光信号转换为电信号；再将电信号按照顺序进行读出并通过 ADC（Analog Digital Convertor）数模转换模块转换成数字信号；最后将数字信号进行预处理，并通过传输接口将图像信息传送给平台接收。

图|CMOS 图像传感器示意图

来源：格科微招股书

CMOS 图像传感器是模拟电路和数字电路的集成。主要由四个组件构成：微透镜、彩色滤光片（CF）、感光二极管（PD）、电路层。

图|CMOS构成

来源：思特威招股书

光通过具有球形表面的微透镜后聚拢穿过彩色滤光片，拆分成为红、蓝、绿色光进入感光二极管内并转化为电子，再经由像素电路转化为电压信号，最后通过逻辑电路输出成为图像数字信号。

图|CMOS原理图

来源：思特威招股书

表|各名词原理

来源：西南证券、与非研究院整理

2、Bayer阵列滤镜与像素

感光元件上的每个方块代表一个像素块，上方附着一层彩色滤光片（CF），CF拆分完反射光中的 RGB成分后，通过感光元件形成拜尔阵列滤镜。经典的Bayer阵列是以2x2共四格分散RGB的方式成像， Quad Bayer阵列扩大到了4x4，并且以2x2的方式将RGB相邻排列。

图|CMOS 图像传感器Bayer 阵列滤镜

来源：西南证券

像素，即亮光或暗光条件下的像素点数量，是数码显示的基本单位，其实质是一个抽象 的取样，我们用彩色方块来表示。图示像素用R（红）G（绿）B（蓝）三原色填充，每个小像素块的长度指的是像素尺寸， 图示尺寸为0.8μm。

图|像素与像素尺寸

来源：西南证券

3、CIS种类介绍

早期的CIS采用的是前面照度技术FSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED），拜尔阵列滤镜与光电二极管（PD）间夹杂着金属（铝，铜）区，大量金属连线的存在对进入传感器表面的光线存在较大的干扰 ，阻碍了相当一部分光线进入到下一层的光电二极管（PD），信噪比较低。

技术改进后，在背面照度技术BSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED）的结构下，金属（铝，铜）区转移到光电二极管（PD）的背面，意味着经拜尔阵列滤镜收集的光线不再众多金属连线阻挡，光线得以直接进入光电二极管；BSI不仅可大幅度提高信噪比，且可配合更复杂、更大规模电路来提升传感器读取速度。

来源：西南证券

堆栈式（Stack）结构是在背照式基础上的改良，将所有线路层移至感光元件的底层，缩小了芯片的整体面积，此外，感光元件周围的逻辑电路也相应移至底层，可有效抑制电路噪声从而获取更优质的感光效果。堆栈式 CMOS 传感器的制作工艺与成本高于 BSI 结构的 CMOS 传感器，对生产企业的技术水平要求极高。