cmos图像传感器结构_cmos图像传感器市场

　　cmos图像传感器结构

　　CMOS图像传感器的像素结构目前主要有无源像素图像传感器（Passive Pixel Sensor，PPS）和有源像素图像传感器（Active Pixel Sensor，APS）两种，如图1所示。由于PPS信噪比低、成像质量差，所以目前绝大多数CMOS图像传感器采用的是APS结构。APS结构的像素内部包含一个有源器件。由于该放大器在像素内部具有放大和缓冲功能，具有良好的消噪功能，且电荷不需要像CCD器件那样经过远距离移位到达输出放大器，因此避免了所有与电荷转移有关的CCD器件的缺陷。

　　图1 CMOS的两种像素结构

　　由于每个放大器仅在读出期间被激发，所以将经光电转换后的信号在像素内放大，然后用X－Y地址方式读出，提高了固体图像传感器的灵敏度。APS像素单元有放大器，它不受电荷转移效率的限制，速度快，图像质量较PPS得到了明显地改善。但是与PPS相比，APS的像素尺寸较大、填充系数小，所设计的填充系数典型值为0.2～0.3。

　　一个典型的CMOS图像传感器的总体结构如图2所示。在同一芯片上集成有模拟信号处理电路、I（2）C控制接口、曝光／白平衡控制、视频时序产生电路、数字转换电路、行选择、列选择及放大和光敏单元阵列。芯片上的模拟信号处理电路主要执行相关双采样（CorrelatedDouble Sampling，CDS）功能。芯片上的A／D转换器可以分为像素级、列级和芯片级几种情况，即每一个像素有一个A／D转换器，每一个列像素有一个A／D转换器，或者每一个感光阵列有一个A／D转换器。由于受芯片尺寸的限制，所以像素级的A／D转换器不易实现。CMOS片内部提供了一系列控制寄存器，通过总线编程（如Pc总线）来对自增益、自动曝光、白色平衡、／校正等功能进行控制，编程简单、控制灵活。直接输出的数字图像信号可以很方便地与后续处理电路接口，供数字信号处理器对其进行处理。

　　图2 CMOS芯片组成方框图

　　CMOS图像传感器阵列结构

　　下图所示的是CMOS像敏元阵列结构，它由水平移位寄存器、垂直移位寄存器和CMOS像敏元阵列组成。

　　（1一垂直移位寄存器：2一水平移位寄存器；3一水平扫描开关；4一垂直扫描开关；5一像敏元阵列；6一信号线；7一像敏元）

　　下图是CMOS摄像器件的原理框图。

　　如前所述，各MOS晶体管在水平和垂直扫描电路的脉冲驱动下起开关作用。水平移位寄存器从左至右顺次地接通起水平扫描作用的MOS晶体管，也就是寻址列的作用，垂直移位寄存器顺次地寻址列阵的各行。每个像元由光敏二极管和起垂直开关作用的MOS晶体管组成，在水平移位寄存器产生的脉冲作用下顺次接通水平开关，在垂直移位寄存器产生的脉冲作用下接通垂直开关，于是顺次给像元的光敏二极管加上参考电压（偏压）。被光照的二极管产生载流子使结电容放电，这就是积分期间信号的积累过程。而上述接通偏压的过程同时也是信号读出过程。在负载上形成的视频信号大小正比于该像元上的光照强弱。

　　cmos图像传感器市场

　　cmos图像传感器始于“拍照和录像应用”，盛行于“移动市场”，最近几年，又受到高附加值下游市场的驱动。那么，未来哪些将成为cmos图像传感器的高增长领域呢？消费类、无人机、机器人还是VR？

　　cmos图像传感器具有体积小、功耗低等优势，在cmos图像传感器领域占有率达到90%。随着背照式和堆栈式技术等新型CMOS图像传感器技术的进步，以及双摄像头、3D摄像头陆续出现并成为智能手机的新卖点。再加上汽车、无人机、VR以及AR技术等新兴市场的推动，cmos图像传感器正迎来新一轮的产业成长高峰。

　　1、消费市场依然占据主导地位

　　众所周知，移动端一直是cmos图像传感器重要的市场。据预测，未来智能手机中将广泛采用双摄像头和3D摄像头，随着这两种应用的普及，CMOS无疑将迎来新一轮的爆发。同时这将驱动着cmos图像传感器产业发生变化，从成像质量到人机交互，这是一个从成像到传感和用户界面的大转变。

　　2、汽车是增长最快的细分市场

　　汽车电子是cmos图像传感器增长最快的细分市场，2015年全球销售额为4.8亿美元，占CMOS市场的4.8%，预计2020年销售额可达18亿美元，市场占比将达到11%。

　　ADAS系统的不断进步使得汽车上需要搭载后视、前视、环绕视CMOS摄像头，以直接获取周围环境的图像信息，实现前向碰撞预警、车道偏离警示、自动泊车、路况记录、车辆/行人/障碍物识别、车内环境监控等功能。目前高端汽车ADAS系统包含5-8个摄像头，未来随着无人驾驶技术的发展，汽车搭载的CMOS传感器数量有望超过10个。

　　3、医疗应用需求涌现

　　传统的电荷耦合设备（CCD）图像传感器技术已不能满足医疗图像抓取应用的需要。cmos图像传感器凭借其六大优势席卷医疗电子应用，主要优势包括：系统集成度更高、动力要求较低、图像抓取功能更为灵活、界面智能化程度更高、动态范围更大、感光度更高。一些常用的医疗器械如医疗内窥镜均因为cmos图像传感器使得性能有大幅度提升。

　　ams的cmos图像传感器已经在以上这些领域广泛应用，ams CEO Alexander Everke就曾预测其他细分市场未来也有广阔的应用空间：“未来cmos图像传感器将在3D建模、AR/VR、手势、脸部识别、3D扫描和游戏六大领域爆发。”

　　下游需求旺盛，产业竞争激烈，在cmos图像传感器界占有重要地位的ams以一系列高性能的产品组合，并不断致力于技术创新的战略来面对。

　　4、面型图像传感器

　　包含CMV、CHR系列产品，广泛应用于工业视觉、科学研究、航天军事及医疗仪器相关领域。