CMOS圖像傳感技術的案例
CMOS圖像傳感器的設計
大家是否知曉其背后的技術原理和演進趨勢，正深刻地改變著世界？
CMOS圖像傳感器是一種采用互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術的半導體器件，旨在將入射光轉換為數字圖像。與大多數數字攝像頭一樣，其通過半導體芯片表面的數千個光子探測器來檢測入射光。每個探測器通過將光子的能量轉換為電流來測量吸收的光子的頻率（顏色）和數量（亮度）。然后，連接在每個探測器上的晶體管將電流放大。這種類型的圖像傳感器被稱為有源像素傳感器（APS）。
由于CMOS圖像傳感器采用標準半導體制造技術制成，因此芯片通常包括信號處理、模數轉換器和片上數字邏輯。這就構成了一個完整的芯片攝像頭。該技術支持眾多成像應用，包括智能手機上的微型數字攝像頭、高清高速專業攝像機以及衛星上的地球觀測傳感器。
CMOS與CCD圖像傳感器
20世紀60年代末，兩大主導圖像傳感技術——感光耦合元件（CCD）和CMOS傳感器，幾乎同時得到開發。兩者都利用了光電效應，當光粒子[1]/光子被原子吸收并將能量傳遞給原子中的電子時，就會發生光電效應。
如果吸收了足夠的能量，原子就會發射出電子，從而在半導體材料中產生負電荷。圖像傳感器中吸收光、產生電子的區域被稱為光電二極管。光電二極管被排列成一個陣列，可以測量聚焦在其表面的光的顏色和強度。
在CCD傳感器中，來自光電二極管的電子被捕獲到一系列電容器中，然后進行放大。在CMOS傳感器中，電子被直接輸入到晶體管中，并在探測器處放大。CCD方法的最大優勢是電容器位于光電二極管后面，可為每個像素提供更大的光吸收區域。CMOS傳感器中的晶體管緊鄰光電二極管，僅留下30%的表面區域（被稱為填充因子）用于光探測。
CMOS技術是一種成熟的半導體制造工藝，因此與CCD攝像頭相比，CMOS傳感器的制造成本要低得多。
展開 3D成像技術和CMOS傳感器的發展方向簡析
紅外鏡頭則讀取點陣圖案，捕捉它的紅外圖像，為用戶人臉繪制精確細致的深度圖，然后將數據發送至A11以確認是否匹配，匹配度滿足蘋果設置的要求后手機就能實現解鎖。
圖6 iPhoneX“齊劉?！苯Y構（上圖）和所采用的3D成像模組（下圖）
與傳統相機硬件產業鏈相比，iPhoneX 3D相機產業鏈新增加了“紅外光源+光學組件+紅外傳感器”等部分，其中紅外CMOS傳感器是核心器件，價格昂貴（表2）。iPhoneX紅外CMOS傳感器采用的是STM基于SOI技術的解決方案，接下來將重點解析。
表2 蘋果3D傳感零部件及價格細分
2.3 CMOS圖像傳感器技術路線
傳統的CMOS圖像傳感器是在體硅上實現的，其靈敏度和分辨率主要采用兩個關鍵指標衡量：1）量子效率（QE）。量子效率代表其捕獲的光子與轉化為電子的光子的比率，量子效率越高，圖像越亮；2）模傳遞函數（MTF）。模傳遞函數代表輸出像與輸入像的對比度之比，模傳遞函數越高，圖像越清晰。模傳遞函數主要受到像素間各種串擾（圖7）的影響，因此也可以用串擾來評估模傳遞函數的高低。因此，設計高品質的CMOS圖像傳感器的要點有兩個，一方面要提高量子效率，另一方面要降低串擾。下面介紹幾種主流的隔離解決方案（圖8）。
圖7 體硅襯底上CMOS圖像傳感器的各種串擾示意圖
首先第一種解決方案如圖8（B）所示，采用不同劑量的P+對每個像素進行側壁注入（SWI），注入后在像素兩側形成側壁，可以鈍化硅懸空鍵，減小光電二極管的暗電流，從而提高了光電轉換效率。經過P+鈍化后的像素的量子效率可以提高20%之多。
第二種解決方案（圖8（C））是在n型硅襯底上制備釘扎深二極管（pinned deep diode）。
展開 一期一會 | CMOS圖像傳感器的設計
大家是否知曉其背后的技術原理和演進趨勢，正深刻地改變著世界？Ansys全新推出【Simulation Topics】系列專題，邀您一起探索仿真世界。本專題將以“一期一會”的形式，攜手各領域專家，圍繞Ansys全產品線的技術優勢，帶您深入解析流體、結構、電子設計及電磁仿真、光學、光子學、半導體、自動駕駛、汽車、聲學、航空航天、材料等多個關鍵領域，讓復雜的專業知識觸手可及。
CMOS圖像傳感器是一種采用互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術的半導體器件，旨在將入射光轉換為數字圖像。與大多數數字攝像頭一樣，其通過半導體芯片表面的數千個光子探測器來檢測入射光。每個探測器通過將光子的能量轉換為電流來測量吸收的光子的頻率（顏色）和數量（亮度）。然后，連接在每個探測器上的晶體管將電流放大。這種類型的圖像傳感器被稱為有源像素傳感器（APS）。
由于CMOS圖像傳感器采用標準半導體制造技術制成，因此芯片通常包括信號處理、模數轉換器和片上數字邏輯。這就構成了一個完整的芯片攝像頭。該技術支持眾多成像應用，包括智能手機上的微型數字攝像頭、高清高速專業攝像機以及衛星上的地球觀測傳感器。
CMOS與CCD圖像傳感器
20世紀60年代末，兩大主導圖像傳感技術——感光耦合元件（CCD）和CMOS傳感器，幾乎同時得到開發。兩者都利用了光電效應，當光粒子[1]/光子被原子吸收并將能量傳遞給原子中的電子時，就會發生光電效應。
如果吸收了足夠的能量，原子就會發射出電子，從而在半導體材料中產生負電荷。圖像傳感器中吸收光、產生電子的區域被稱為光電二極管。光電二極管被排列成一個陣列，可以測量聚焦在其表面的光的顏色和強度。
在CCD傳感器中，來自光電二極管的電子被捕獲到一系列電容器中，然后進行放大。在CMOS傳感器中，電子被直接輸入到晶體管中，并在探測器處放大。
展開 什么是CMOS圖像傳感器？
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CMOS圖像傳感器是一種采用互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術的半導體器件，旨在將入射光轉換為數字圖像。與大多數數字攝像頭一樣，其通過半導體芯片表面的數千個光子探測器來檢測入射光。每個探測器通過將光子的能量轉換為電流來測量吸收的光子的頻率（顏色）和數量（亮度）。然后，連接在每個探測器上的晶體管將電流放大。這種類型的圖像傳感器被稱為有源像素傳感器（APS）。
由于CMOS圖像傳感器采用標準半導體制造技術制成，因此芯片通常包括信號處理、模數轉換器和片上數字邏輯。這就構成了一個完整的芯片攝像頭。該技術支持眾多成像應用，包括智能手機上的微型數字攝像頭、高清高速專業攝像機以及衛星上的地球觀測傳感器。
CMOS與CCD圖像傳感器
20世紀60年代末，兩大主導圖像傳感技術——感光耦合元件（CCD）和CMOS傳感器，幾乎同時得到開發。兩者都利用了光電效應，當光粒子[1]/光子被原子吸收并將能量傳遞給原子中的電子時，就會發生光電效應。
如果吸收了足夠的能量，原子就會發射出電子，從而在半導體材料中產生負電荷。圖像傳感器中吸收光、產生電子的區域被稱為光電二極管。光電二極管被排列成一個陣列，可以測量聚焦在其表面的光的顏色和強度。
在CCD傳感器中，來自光電二極管的電子被捕獲到一系列電容器中，然后進行放大。在CMOS傳感器中，電子被直接輸入到晶體管中，并在探測器處放大。CCD方法的最大優勢是電容器位于光電二極管后面，可為每個像素提供更大的光吸收區域。CMOS傳感器中的晶體管緊鄰光電二極管，僅留下30%的表面區域（被稱為填充因子）用于光探測。
CMOS技術是一種成熟的半導體制造工藝，因此與CCD攝像頭相比，CMOS傳感器的制造成本要低得多。
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干貨 | 60張圖，詳解索尼CMOS圖像傳感器的架構演變
眾所周知，索尼是圖像傳感器領域的巨頭。憑借其獨到的技術，索尼的圖像傳感器在多方面領先對手。下面，我們通過索尼一個演講材料，了解他們的技術演進。
來源：半導體行業觀察
Ansys Lumerical Zemax Speos | CMOS 傳感器相機：3D 場景中的圖像質量分析
在本例中，我們介紹了一個仿真工作流程，用于在具有不同照明條件的特定環境中，從光學系統和CMOS成像器的組合中分析相機系統的圖像質量。此示例主要涵蓋整個工作流程中的Ansys Speos部分。該光學系統采用Ansys Zemax OpticStudio設計，并導出到Ansys Speos進行系統級分析。CMOS成像器采用Ansys Lumerical設計，并導出至Ansys Speos。
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概述
在相機系統中，CMOS（互補金屬氧化物半導體）成像器是一種電子元件，其中入射吸收的光子產生可以進行數字處理的光電流。在本例中，我們使用Ansys完整的光學解決方案，將Zemax OpticStudio的光學系統信息以及Lumerical的CMOS成像器導入Speos，在3D場景中進行完整的相機系統分析，并仿真成像儀生成的電子地圖。在仿真整個光學系統時，這種互操作性工作流程考慮了宏觀相機鏡頭與CMOS圖像傳感器微觀結構之間的相互作用。借助 Speos 處理逼真照明和基于光度學/輻射物理場的渲染功能，用戶可以輕松優化組件，并構建圖像傳感器記錄的最終電子地圖的準確視圖，以設計基于應用的相機。
此虛擬解決方案需要四個主要工具
1. Zemax OpticStudio 和Speos Lens System Importer ，用于導出 Zemax OpticStudio 中設計的鏡頭模型，供 Speos 使用
2. Speos 用于在 CMOS 成像儀前生成光譜輻照度圖
3. Lumerical FDTD和CHARGE，用于計算傳感器的量子效率作為入射角和波長的函數
4.
展開 一文了解CMOS圖像傳感器攝像頭的進階設計方法
Ansys Lumerical的FDTD和CHARGE可用于解決眾多設計難題，例如：背照式傳感器、光學和電子串擾的影響、微透鏡偏移或斜入射角幾何結構的優化，以及將彩色濾光片整合到復雜傳感器幾何結構時的效果。
與Ansys SPEOS結合使用時，工程師可以仿真整個攝像頭系統，把CMOS圖像傳感器攝像頭設計提升到新的水平。這有助于用戶探索CMOS圖像傳感器微觀效應、宏觀透鏡和電子子系統之間的復雜相互作用。由于其能夠預測照明性能，SPEOS可幫助工程師為攝像頭記錄的最終成像構建準確視圖。
無論是新一代手機攝像頭，還是科學或國防應用成像系統，SPEOS/Lumerical工作流程都能助力企業以更快速度和更低成本開發更優異的CMOS圖像傳感器攝像頭。
相關工具：
Ansys SPEOS
Ansys Lumerical
相關資料：
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展開 【Lumerical系列】Lumerical關于CMOS圖像傳感器的角度響應（2D）仿真
此 2D 示例演示如何計算圖像傳感器陣列的angular response。 angular response度量了器件的光學效率與入射角的關系。該結果可以與實驗設置進行比較，也可用于計算均勻照明下的光學效率，如 Simulation methodology中所述。下圖顯示了仿真的實驗設置。激光束以一定角度照亮圖像傳感器。我們測量耗盡區域吸收的功率分數與入射角的函數關系。每個角度都需要進行兩次仿真（TE 和 TM），以獲得偏振光和非偏振光的效率。
圖1 實驗裝置示意圖
仿真設置
CMOS_angle2D.fsp的屏幕截圖如下所示。從上到下，主要 Components是微透鏡陣列、紅/綠濾光片、金屬布線和過孔、抗反射 （AR） 涂層和硅襯底。每個像素的寬度為2mm，使模擬區域為4mm寬。仿真區域在X方向上設置了Bloch邊界條件，在Y方向上設置了PML吸收邊界條件。平面波源從結構的頂部入射。光源波長為550nm（綠色）。我們預計通過綠色像素的透射率高，通過紅色像素的透射率低。
圖2 CMOS image sensor結構示意圖
參數化結構
"image sensor" 對象是一個參數化的結構組，每次更改其中一個參數時，它都會重建整個圖像傳感器。使用腳本以這種方式對復雜結構進行參數化對于reproducibility至關重要，并且使之后的參數掃描和優化易于在 GUI 中設置。
運行和結果
可以快速運行仿真，以確認結構繪制正確，并且可以獲得電場分布。下圖顯示了電場強度 ，來自于名為 full_fields的監視器，以及折射率分布，來自于名為index的監視器。請注意， index圖上的 colorbar已重新縮放為介于 1.2 和 2 之間。這樣可以更好地觀察濾色片和微透鏡。
展開 三星大舉進攻車用半導體，押寶SoC和CMOS圖像傳感器
NPU在汽車上可用于分析車內圖像傳感器接收到的圖像信號。因此，它能夠幫助構建更高效的ADAS（高級駕駛員輔助系統），ADAS可用來識別車道和障礙物。
三星Exynos Auto的目標是滿足國際汽車功能性安全標準ISO 26262的ASIL-B級。ASIL的全稱為汽車安全完整性等級，共有A到D級，其中D是最高級。由于Exynos Auto主要用于汽車上的信息娛樂系統、數字儀表板和HUD（平視顯示器），所以只需要滿足B級就夠了。
早在2017年1月，三星就曾為奧迪汽車提供過芯片，不過當時的產品是基于智能手機芯片修改而成，而Exynos Auto則明顯是針對汽車進行開發。
ISOCELL Auto將影像傳感器畫素間的干擾現象降到最低，利用小畫素呈現高畫質，即時提供道路與周圍環境影像，有助于更優質識別功能。如車輛通過隧道時遭遇瞬間的亮度變化，ISOCELL Auto影像傳感器能清楚辨識道路環境，預防潛在事故發生。
三星電子表示，三星的半導體零件技術已在行動裝置市場受到認可，因此決定推出車用電子專屬品牌，積極經營車用電子事業。Exynos Auto與ISOCELL Auto是采用最新通訊、傳感器、演算技術的差異化產品，符合智慧車輛與自駕車時代的零組件需求；2018年底會推出更多樣化的選擇，并且陸續為客戶出貨。
聚焦自動駕駛生態
在三星看來，在汽領域，那些具有高帶寬第五代（5G）無線功能的汽車-將在啟用下一代功能越來越強大的汽車中發揮關鍵作用。普華永道分析師預計，到 2025年，接近 4.7 億聯網汽車將在美國、歐盟和中國上路。
展開 車載攝像頭圖像傳感器技術路線
三星搭載了ISOCELL技術的圖像傳感器，畫質和色彩表現有目共睹。
OmniVision推出基于OmniBSI? 像素技術的2款最新2微米圖像傳感器
該款傳感器的特點為其獨特的1/3 英寸光學格式及6.3x3.7毫米芯片級封裝（CSP）技術。OS04B10功耗低于140mW，高量子效率有效降低了系統功耗。
OS02F10 及 OS04B10 圖像傳感器目前已面世，并于本周在北京舉行的中國安博會上展出，OmniVision 的展臺為 #E1E19。
關于OmniVision
OmniVision Technologies， Inc.是一家領先的先進數字成像解決方案開發公司。其屢獲嘉獎的CMOS成像技術能為當今許多消費和商業應用領域提供優異圖像質量，服務范圍涵蓋移動電話、筆記本、平板電腦和網絡攝像頭、數碼相機、攝像頭、安全和監控、娛樂設備、汽車和醫療成像系統等領域。
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圖像處理芯片潛力無限 ，中國表現如何？
CMOS傳感器逐步代替CCD傳感器成為主流
傳感器芯片主要有兩種類型：電荷耦合元件（CCD，Charge-Coupled Device）與CMOS傳感器（CIS，CMOS Image Sensor）。CCD于1969年被發明，并于1975年正式應用于照相機領域，CMOS的出現則相對晚了十年。
隨著后來CMOS成像技術不斷提升，CIS借其低功耗、體積小、高幀數（有利于拍攝動態影像）等優勢，逐步在民用消費電子等領域占領市場，而CCD則由于圖像質量有優勢，在專業領域如在衛星、醫療等領域仍有一席之地，但已經逐步丟失大部分市場份額。鑒于CIS的市場份額已經超過99%。我們在本文主要討論CIS的行業狀況。
2.1 CIS行業技術發展與趨勢——得技術者得天下
芯片作為最高端的電子元器件，一直是靠技術迭代驅動，而CIS又是屬于芯片中相對高端的一類產品，故此一直是得技術者得天下，且龍頭效應愈發明顯。索尼公司憑借在攝像領域強大的技術儲備與領先程度，近幾年一直處于龍頭地位而且在CIS市場份額一直在擴大，從2015年的38%上升到2016年的42%。
CIS主要分為傳統（前照式）CIS、背照式（Back-illuminated）CIS。
傳統的前照式CIS光線射入后依次經過片上透鏡、彩色濾光片、金屬線路最后光線才被光電二極管接收。由于金屬線路會對光線產生影響，最后被光點二極管吸收的光只有80%或者更少，折舊影響了圖像質量。
背照式CIS改變了架構，把金屬線路與光電二極管位置調換，讓光線依次經過片上透鏡、彩色濾光片、光電二極管。這樣減少金屬線路對管線的干擾，從而增加進光量，減少噪度，對于光線不足場景有比較明顯效果。Sony公司平衡了量產工藝與成本的問題，于2009年將背照式CIS商用化。
展開 【產品技術】虹科分享 | 以千兆像素的速度進行圖像處理
盡管攝像頭傳感器技術和支持接口正在迅速發展，但是傳統的基于PCIe / CPU / GPU的PC體系結構卻缺乏以這種數據速率捕獲，處理和存儲圖像所需的性能。
基于高端FPGA的圖像采集卡具有超快的收發器和巨大的板載內存帶寬，為實時處理和壓縮提供了必要的基礎設施。開放式FPGA架構允許開發人員定制其采集路徑，并嵌入自己的圖像處理算法和壓縮塊。有了Gidel的ProcVision IDE這樣的支持生態環境和開發工具，FPGA代碼開發被大大簡化和加速，不再需要深厚的FPGA專業知識。因此，視覺系統設計者現在可以以前所未有的性能實現定制的、具有成本效益的千兆像素解決方案。
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圖像傳感器正在引領潮流
CMOS圖像傳感器技術的進步使多百萬像素的成像器能夠以具有成本效益的價格獲得數百至數千FPS的幀率。Gpixel、Luxima Technology、Teledyne e2v、AMS/CMOSIS、安森美和索尼等公司正在為這一發展做出重大貢獻(見圖1)。
展開 韋爾股份念念不忘，豪威科技的核心競爭力在哪里？
產品方面，公司研發的LDO、DC-DC也順利完成工程流片和測試，并實現量產銷售；在射頻芯片方面，韋爾股份也持續進行高性能手機天線調諧產品、其基于 CMOS 的低成本 3G 射頻前端套片的研發和量產導入工作正在進行，且正在加大 NB-IoT 射頻前端的研發工作。
雖然他們正在穩步前進，但韋爾股份也表示，因為下游客戶相對集中、代理權到期和新產品開發的風險，且他們看好圖像傳感器的未來，因此他們對豪威科技一直都不死心，而多項數據也證明了他們的這個推斷。
根據IC Insights預計，CMOS圖像傳感器未來幾年的銷售額復合年均增長率在8.7%左右。到2021年，這個市場將將增長至159億美元。尤其是汽車系統，將成為CMOS圖像傳感器增長的最大動力。到2021年，該領域CMOS圖像傳感器銷售額將保持48%的復合年均增長率，屆時總銷售額也將達到23億美元，14%的市場份額；至于手機相機的CMOS圖像傳感器銷售額到時也將達到76億美元，約占市場份額的47%。而這些也恰好正是豪威科技所專注的范圍。
如果韋爾股份拿下了豪威科技，技術與分銷渠道的結合，會碰撞出什么火花？大家又是怎么看？
文/半導體行業觀察 李壽鵬
展開 韋爾股份收購OmniVision深度解析
CMOS圖像傳感器集成度高、低功耗、低成本、體積小、圖像信息可隨機讀取，相對于CCD 圖像傳感器具有明顯優勢，因此取代CCD成為圖像傳感器的主流和未來的發展趨勢，廣泛應用于智能手機、電腦、機器人視覺、安防監控、智能汽車、無人機、航空航天、醫療影像、體感互動游戲等應用領域，成為移動互聯網和物聯網應用的核心傳感器件。
背照式BSI技術和堆疊BSI技術的廣泛應用已成為CMOS圖像傳感器領域的新常態，而多層堆疊（multi-stack）和混合堆疊（hydird-stack）等新技術的應用，使相位對焦（PDAF）、超級慢動作攝像等功能得到實現。此外，嵌入式3D交互技術也是CMOS圖像傳感器技術的主要發展方向之一，隨著車載應用、手機應用市場的進一步擴大以及VR技術的成熟，該技術將成為未來CMOS 圖像傳感器領域關鍵核心技術指標之一。
根據Yole發布的報告，受益于智能手機新功能的開發和普及，例如光學變焦、生物特征識別和3D互動等，2016年全球CMOS圖像傳感器市場規模已經達到115億美元，2016-2022年全球CMOS圖像傳感器市場復合年均增長率將保持在10.50%左右。
整體來看，手機市場每年還會貢獻約35億顆CIS的需求，同時智能手機行業集中度不斷提高，雙攝已經逐漸成為市場主流，而臉部識別貢獻了額外的攝像頭市場，用戶對于自拍的需求不斷推動像素的競爭，同時智能攝像處理將使用深度學習技術，盡管智能手機銷量趨于平滑，但攝像頭領域仍然保持著相當的創新活力。
用于汽車的CMOS圖像傳感器發展十分迅速。
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