車載攝像頭圖像傳感器技術路線

駕駛哥

2021年5月28日 09:19

來源 | 阿寶1990

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圖像傳感器CCD和COMS區別

CCD（Charge Coupled Device ）感光耦合組件 CCD主要材質為硅晶半導體，基本原理類似 CASIO 計算器上的太陽能電池，透過光電效應，由感光組件表面感應來源光線，從而轉換成儲存電荷的能力。簡單的說，當 CCD 表面接受到快門開啟，鏡頭進來的光線照射時，即會將光線的能量轉換成電荷，光線越強、電荷也就越多，這些電荷就成為判斷光線強弱大小的依據。CCD 組件上安排有信道線路，將這些電荷傳輸至放大解碼原件，就能還原所有CCD上感光組件產生的信號，并構成了一幅完整的畫面。

CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）互補性氧化金屬半導體 CMOS的材質主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在CMOS上共存著帶N（帶–電）和P（帶+電）級的半導體，這兩個互補效應所產生的電流即可被處理芯片紀錄和解讀成影像。

CMOS與CCD最大的差別是： 放大器位置和數量比較 CCD 和 CMOS 的結構，放大器的位置和數量是最大的不同之處。

CCD 每曝光一次，自快門關閉或是內部頻率自動斷線（電子快門）后，即進行像素轉移處理，將每一行中每一個像素（pixel）的電荷信號依序傳入“緩沖器”（電荷儲存器）中，由底端的線路導引輸出至 CCD旁的放大器進行放大，再串聯 ADC（模擬數字數據轉換器）輸出。

CMOS 的設計中每個像素旁就直接連著“放大器”，光電信號可直接放大再經由 BUS 通路移動至 ADC 中轉換成數字數據。由于構造上的差異，CCD與CMOS在性能上的表現之不同。CCD的特色在于充分保持信號在傳輸時不失真（專屬通道設計），透過每一個像素集合至單一放大器上再做統一處理，可以保持數據的完整性。而CMOS的制程較簡單，沒有專屬通道的設計，因此必須先行放大再整合各個像素的數據。

1.靈敏度差異： 由于 CMOS 每個像素包含了放大器與A/D轉換電路，過多的額外設備壓縮單一像素的感光區域的表面積，因此在相同像素下，同樣大小之感光器尺寸，CMOS的感亮度會低于CCD。

2.分辨率差異： 在第一點“感亮度差異”中，由于 CMOS 每個像素的結構比CCD復雜，其感光開口不及CCD大，相對比較相同尺寸的CCD與CMOS感光器時，CCD感光器的分辨率通常會優于CMOS。不過，如果跳出尺寸限制，目前業界的CMOS 感光原件已經可達到1400萬像素/全畫幅的設計，CMOS 技術在亮率上的優勢可以克服大尺寸感光原件制造上的困難，特別是全畫幅24mm-by-36mm 這樣的大小。

3.噪聲差異： 由于CMOS每個感光二極管旁都搭配一個ADC放大器，如果以百萬像素計算，那么就需要百萬個以上的ADC放大器，雖然是統一制造下的產品，但是每個放大器或多或少都有些微的差異存在，很難達到放大同步的效果，對比單一個放大器的CCD，CMOS最終計算出的噪聲就比較多。

4.耗電量差異： CMOS的影像電荷驅動方式為主動式，感光二極管所產生的電荷會直接由旁邊的晶體管做放大輸出；但CCD卻為被動式，必須外加電壓讓每個像素中的電荷移動至傳輸通道。而這外加電壓通常需要12伏特（V）以上的水平，因此CCD還必須要有更精密的電源線路設計和耐壓強度，高驅動電壓使CCD的電量遠高于CMOS。

5.成本差異： CMOS 應用半導體工業常用的CMOS制程，可以一次整合全部周邊設施于單芯片中，節省加工芯片所需負擔的成本和良率的損失；相對地 CCD 采用電荷傳遞的方式輸出信息，必須另辟傳輸信道，如果信道中有一個像素故障（Fail），就會導致一整排的信號壅塞，無法傳遞，因此CCD的良率比CMOS低，加上另辟傳輸通道和外加 ADC 等周邊，CCD的制造成本相對高于CMOS。

6.其他差異： IPA（Indiviual Pixel Addressing）常被使用在數字變焦放大之中，CMOS 必須依賴x，y畫面定位放大處理，否則由于個別像素放大器之誤差，容易產生畫面不平整的問題。在生產制造設備上，CCD必須特別訂制的設備機臺才能制造，也因此生產高像素的CCD 組件產生不出日本和美國，CMOS 的生產使用一般的內存或處理器設備機臺即可承擔。綜上所述，CCD與CMOS的特點決定了CMOS更適用于手機這類便攜設備中使用，車載攝像頭也是使用COMS的傳感器，而CCD則更適用于單反相機這類專業設備上使用。

CMOS傳感器的構成與關鍵參數

圖像傳感器的功能是光電轉換。關鍵的參數有像素、單像素尺寸、芯片尺寸、功耗。技術工藝上有前照式（FSI）、背照式（BSI）、堆棧式（Stack）等。以下簡單介紹。

圖像傳感器從外觀看分感光區域（Pixel Array），綁線Pad，內層電路和基板。感光區域是單像素陣列，由多個單像素點組成。每個像素獲取的光信號匯集在一起時組成完整的畫面。

CMOS芯片由微透鏡層、濾色片層、線路層、感光元件層、基板層組成。

CMOS芯片剖面圖

由于光線進入各個單像素的角度不一樣，因此在每個單像素上表面增加了一個微透鏡修正光線角度，使光線垂直進入感光元件表面。這就是芯片CRA的概念，需要與鏡頭的CRA保持在一點的偏差范圍內。

電路架構上，我們加入圖像傳感器是一個把光信號轉為電信號的暗盒，那么暗盒外部通常包含有電源、數據、時鐘、通訊、控制和同步等幾部分電路。可以簡單理解為感光區域（Pixel Array）將光信號轉換為電信號后，由暗盒中的邏輯電路將電信號進行處理和一定的編碼后通過數據接口將電信號輸出。

圖像傳感器關鍵參數

1.像素：指感光區域內單像素點的數量，比如5Maga pixel，8M，13M，16M，20M，像素越多，拍攝畫面幅面就越大，可拍攝的畫面的細節就越多。

2.芯片尺寸：指感光區域對角線距離，通常以英制單位表示，比如1/4inch，1/3inch，1/2.3inch等。芯片尺寸越大，材料成本越高。

3.單像素尺寸：指單個感光元件的長寬尺寸，也稱單像素的開口尺寸，比如1.12微米，1.34微米，1.5微米等。開口尺寸越大，單位時間內進入的光能量就越大，芯片整體性能就相對較高，最終拍攝畫面的整體畫質相對較優秀。單像素尺寸是圖像傳感器一個相當關鍵的參數。

前照式（FSI）與背照式（BSI）

傳統的CMOS圖像傳感器是前照式結構的，自上而下分別是透鏡層、濾色片層、線路層、感光元件層。采取這個結構時，光線到達感光元件層時必須經過線路層的開口，這里易造成光線損失。

而背照式把感光元件層換到線路層的上面，感光層只保留了感光元件的部分邏輯電路，這樣使光線更加直接的進入感光元件層，減少了光線損失，比如光線反射等。因此在同一單位時間內，單像素能獲取的光能量更大，對畫質有明顯的提升。不過該結構的芯片生產工藝難度加大，良率下降，成本相對高一點。

堆棧式（Stack）

堆棧式是在背照式上的一種改良，是將所有的線路層挪到感光元件的底層，使開口面積得以最大化，同時縮小了芯片的整體面積。對產品小型化有幫助。另外，感光元件周邊的邏輯電路移到底部之后，理論上看邏輯電路對感光元件產生的效果影響就更小，電路噪聲抑制得以優化，整體效果應該更優。業內的朋友應該了解相同像素的堆棧式芯片的物理尺寸是比背照式芯片的要小的。

但堆棧式的生產工藝更大，良率更低，成本更高。索尼的IMX214（堆棧式）和IMX135（背照式）或許很能說明上述問題。

圖像傳感器之ISOCELL技術分析

圖像傳感器好壞取決于單像素有效進光量

圖像處理器最為關鍵的參數是單像素尺寸，單像素尺寸越大則進光量越大，圖像質量越優秀。因此我們可以簡單的認為：決定圖像傳感器性能的最大的因素是單像素點的有效進光量，它決定每個像素點在單位時間內能捕獲多少光線能量。假如單像素面積越大，則在相同時間里可以承載更多光線能量，便可以更明顯的提升畫質，更真實的還原圖像場景。

數碼相機和手機所采用的圖像傳感器單像素尺寸是不一樣的，數碼相機的更大，英寸拍攝效果更加出色。但單像素尺寸增大，相同像素的圖像傳感器面積則大幅增加，攝像頭模組體積增大，模組高度增加，功耗大幅增加，發熱量增加等，這樣的變化在數碼相機固然還可以接受，但放在追求便攜的手機上面，無疑是不太合適的。

以HTC ONE為例，采用了單像素尺寸2微米的圖像傳感器，換來相當棒的畫質效果，夜景拍攝尤為出色。但正因為單像素尺寸增加之后，手機攝像頭受限于體積增加、發熱量增加等因素迫不得已只能做到400萬像素，令人難以接受。而蘋果iPhone比較折中的選擇了1.5微米單像素尺寸，雖然比較折中，但其只有800萬的像素令人詬病。而在新一代iPhone6時為確保較好的拍攝效果繼續選擇1.5微米芯片，換來了前所未有的結構和外觀犧牲，突出的攝像頭設計堪稱史上最丑蘋果攝像頭！除了增大單像素尺寸可以增加進光量之外，就沒有別的方法了嗎？

其實不然，ISOCELL技術在相同的像素尺寸情況下可做到優化，可有效提升進光量。

ISOCELL技術解決什么問題

據三星公司發布的信息看，ISOCELL技術要解決的第一個問題就是增大單個像素的收縮能力，通過對成像動態范圍的對比，改善光線強度最輕和最暗部分的圖像質量。第二個問題就是隨著像素變得越來越小，會發生彼此之間抗干擾能力的減弱，造成錯誤的感應光源顏色和數量，這個現象被稱為串擾。光電二極管的微小探測器會將光能部分轉化成為細微的電流，而這些電流有時會出現在不該出現的地方，造成對圖像的影響。

發生串擾的原因有很多，而其中最大的可能性是光串擾。當一個像素接收到更多的光線，超過了自己的承受范圍，那么電子就會發生串擾，而這完全是建立在錯誤的光二極管在信號傳輸過程中的電流漏出。