我们在使用摄像头和数码相机时,经常会与CMOS这个词打交道,它几乎不可或缺并且无所不在。然而看似简单基础的概念,却是数码成像系统中的核心部分,它决定了照片与视频的最终成像质量
随着CMOS工艺的成熟,CMOS图像传感器得到迅猛发展。国外诸多公司和科研机构已经开发出不同光学格式、多种类型的CMOS图像传感器,并将该传感器应用于光谱学、射线检测、天文学观测研究、空间探测、国防、医学、工业等众多领域。
CMOS传感器的分类
传统CMOS由微透镜(Microlenses)、彩色滤光片(Color filters)、金属排线(Metal wiring)、光电二极管(Substrate)四个组件构成。按照技术与架构的不同,可以将CMOS图像传感器分为三大类:前照式(FSI)、背照式(BSI)以及堆栈式,也可叫做堆叠式、积层式。
1、微透镜:作用是将入射光汇聚到光电二极管上,还有助于降低CMOS中由于少数载流子扩散而造成的像素间串扰;
2、彩色滤光片:是像素传感器上方的一层马赛克覆层,用于采集图像的色彩信息。一般的光电传感器只能感应光的强度,因此需要通过色彩滤波获取像素点的色彩信息;
3、金属排线:一般来说会有多层排线,用于传输信号;
4、光电二极管:简单来说就是像素,是一种将光转换成电流或电压的光电探测器,也就是CMOS中感光的部分;
前照式
传统的前照式结构下,光线经过微透镜和彩色滤光片后,会先从光电二极管前方的金属排线之间进入,再聚集在光电二极管上。这种结构就导致金属排线会阻挡和折射部分光线,光电二极管吸收和利用的光线会变少到70%甚至更少,甚至金属排线造成的反射还有可能会串扰旁边的像素,导致颜色失真。
背照式
为了解决前照式的缺点,背照式就此诞生了。背照式将金属排线放在光电二极管下方,因此光线几乎没有受到干扰就到达了光电二极管,极大地提升了光线利用率,最明显的改善就是提升了暗光下的成像质量。
堆栈式
堆栈式继承了背照式的优点:像素区域依然是背照式,并且克服了背照式在制作上的限制和缺陷。由于处理回路的改善和进步,摄像头也将能提供更多的功能,比如硬件HDR、慢动作拍摄等等。像素与处理回路分家的同时,摄像头的体积也会变得更小,性能却不减反增,像素区域可以相应的增大,用来种植更多或更大的像素。
CMOS传感器的发展方向
随着多媒体、数字电视、可视通信等领域的热点增加,以及消费者对新功能的需求,具备多功能集成以及更低功耗和成本优势的CMOS图像传感器迎来迅速发展时期。CMOS传感器图像质量得到前所未有的提高,这又让它可以快速的进驻视频会议这个热点市场,因为它能高效的与摄像头系统结合在一起。
CMOS传感器已经树立了图像传感器性能和机器视觉价值的标杆,它卓越的功效和更紧凑的封装使摄像头设计更加高效和紧凑。此外,CMOS图像传感器正在努力将像素集、时钟与控制单元、A/D转换、信号处理等集成于一体,从而在数码摄像、视频会议、手机照相市场更具竞争力,并向高端数码产品迈进。
CMOS传感器对摄像头的影响
CMOS图像传感器的性能指标可分为光学指标和电学指标,而其影响摄像头的成像质量主要取决于以下光学指标。
- 分辨率及像元尺寸
- 快门类型
- 量子效率
- 灵敏度
- 暗噪声
- 满阱容量
- 动态范围
- 暗电流
由于CMOS工艺的成熟和固体图像传感器技术的研究成果,使得如今的CMOS图像器件及其支撑外围电路的设计条件比过去好了很多,正朝着高分辨率、高动态范围、高灵敏度、高帧速、集成化、数字化与智能化的方向发展。这也决定了CMOS图像传感器将在这些方面持续影响着会议摄像头的成像质量。