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ADAS-可见光相机之Cmos Image Sensor

引言

“ 可见光相机在日常生活、工业生产、智能制造等应用有着重要的作用。在ADAS中更是扮演着重要的角色,如tesla model系列全车身10多个相机,不断感知周围世界。本文着重讲解下可见光相机中的CIS(CMOS Image Sensor)。”
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定义

光是一种电磁波,自然界的光是由各种波长的电磁波组成,如下:
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在自然光中人眼可以感知的光源波段在400nm700nm之间。可见光相机传感器是一种成像器,它收集可波长为(400700nm)光波并将其转换为电信号,经过ISP(Image Signal Process)处理之后变成彩色的图像进行显示或者处理。生活中常见的可见光相机如手机相机、运动相机等,在ADAS汽车领域中更多是以模组的形式出现,如:
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可见光相机一般由三个主要器件构成,分别是:镜头、Sensor以及ISP,架构图如下:
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其中:

  • Lens,主要负责聚集光源,聚集到Sensor上;
  • CIS,主要负责光子转电子,并将电子采集,经过放大模数转化成数字信号输出;
  • ISP,图像处理单元,主要负责将Sensor输出的原始raw数据处理成带有RGB颜色的图像信号输出。

本文着重围绕CIS进行展开讲述。

CIS电气原理

2.1 CIS堆叠架构

CIS是由无数个pixel阵列组成,以俯视图的角度来看,整体如下所示:
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从纵截面来看,CIS堆叠如下所示:

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首先,最上层是MicroLens,每个pixel都有一个微透镜,主要作用是将从不同角度入射的光源聚集到Pixel上。
其次,CFA(Color Filter Array),单纯的pixel是无法感知颜色的,因此,为了可以感知自然界的颜色,人类想到加入不同的滤光片,使得不同pixel进入不同的光源,后端通过插值来还原RGB信息。
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最后,最下层便是真实的CIS半导体电路部分,此部分主要由模拟部分以及数字部分组成。

2.2 Pixel Array

CIS电路宏观上如下所示:
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其中:
PD:即Photo-Diode,光电二极管,在光源照射下会产生电流,电子经过电容采集,运算放大器,ADC转化,最终变成数字信号输出。
行列选择器:用于确定阵列中当前哪一个像素进行输出,进入模拟放大采样电路中。

2.3 Pixel架构

每个Pixel门电路原理如下,这里的T代表的是Transfer Gate,即电路中Mos管的个数,基本的3T架构如下所示:
图片
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首先,Sensor控制Reset开发打开,PD进行释放电子,复位电路。
其次,PD开始曝光接受光照,并转化成电子输出到源极跟随器上。
最后,行列扫描器选中当前pixel,select门电打开,将存储的电子输出给外部运放。
4T架构在3T架构上多加了一个Transfer Gate,用于控制PD数据是否输出到源极跟随器,电路噪声会更小,如下:
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CIS关键指标参数概览

下表初步展示了可见光相机 or CIS在选型的关键参数,后续本公众号会继续开展文章讲述关键参数意义等来帮助选型。
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好了,今天可见光相机科普先到这里,客官觉得有用记得点个赞,后续定时更新ADAS传感器领域知识。

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欢迎关注我的公众号,ADAS之眼,定时更新文章~
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