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  • 随着图像传感器进入到CMOS时代,尤其是手机摄像头出货量大增后,Sony的图像传感器便在消费领域一骑绝尘。这其中,Sony的先进的图像传感器技术起到了关键作用。本文将要介绍的CMOS图像传感器关键技术中,大部分都是...

    随着图像传感器进入到CMOS时代,尤其是手机摄像头出货量大增后,Sony的图像传感器便在消费领域一骑绝尘。这其中,Sony的先进的图像传感器技术起到了关键作用。本文将介绍Sony CMOS图像传感器的几个关键技术中。

    1. Column A/D Converter

    Column A/D Converter实际是在传感器的顶端或底端放置一行模数转换器,能同时读出传感器中一行像素的所有信号,并进行模数转换,可以大幅提高信号读出速度。图1是Sony 2007年商用的列ADC的原理图,这样的设计有2个好处。1. 每一行的信号能并行读出,大大提高传感器信号读出速度,这是CMOS传感器进入高分辨率高帧率的基础,现在的传感器一般在顶端和底部各有一行ADC以加速读出(某些传感器甚至有多行ADC)。2.在图像传感器的底部放置一行ADC,减少了信号从像素读出电路到ADC的距离,从而减少噪声引入的机会。而根据Sony官网的原理图,在模拟域和数字域各加入了一个去噪模块。这些,都能提高图像信噪比
    Conventional sensors v.s. Column Parrallel A/D Converter sensors
    图 1 Conventional sensors v.s. Column Parrallel A/D Converter sensors(来自Sony半导体官网)

    2. Back-illuminated CMOS Image Sensor

    背照式CMOS传感器是摄像头能小型化的关键技术之一,他能大幅提高传感器的感光能力,使得在减少像素面积的同时,还能保持不错的感光能力。 Sony CMOS传感器的商用化是在2009年,其在官网上贴出了如下图2的示意图。
    既然有背照式结构的新像素结构,那么对应就有前照式的传统像素结构。图2示意图给出了这两种像素结构的区别,相对前照式,背照式结构将作为读出电路的金属层从硅基上面换到了硅基下面。这种结构的修改,可以避免金属层对入射光线 的干扰,同时硅基深度减少后,更大入射角的光线也可以到达感光区域,从而提高像素的感光度。据Sony官网宣传,背照式传感器的感光度可以达到传统前照式的2倍。
    然而,背照式传感器也有不好的地方,比如硅基放到金属层上后,厚度减少,能吸收的最大光子数减少 。而且由于硅基在金属层的上层,增加了CMOS工艺的难度,在蚀刻好金属层后,还需要在铺一层硅基。这在增加技术难度的同时,增加了成本。其实,这些年前照式传感器的工艺也一直在改进,其感光度也得到了很大提升。在对器件大小限制不是很大的应用(比如单反),前照式传感器因其更简单的工艺及底层本,还有不少应用空间。
    前照式传感器 vs 背照式传感器
    图2 前照式像素结构 vs 背照式像素结构(来自Sony半导体官网)

    3. Stacked CMOS Image Sensor

    堆栈式CMOS传感器。在背照式传感器的基础上,把处理电路剥离出来,放到像素层的下面。这样可以减少传感器占的面积,提高空间利用率,在寸土寸金的手机内,这种空间利用率的提升是非常重要的。同时,使用堆栈的方式,可以引入DRAM做缓存,以此实现告诉读出,以支持超高帧率。此外,将处理电路分离出来,还能在电路区域使用和像素区域不同的工艺,提高sensor处理能力,减少功耗等。

    堆栈式传感器结构
    图3 堆栈式图像传感器结构(来自Sony半导体官网)
      凭借这三个技术的商用,Sony在实现CMOS传感器小型化的同时,还能保证较高信噪比和帧率,是Sony在手机图像传感器市场中占有巨大市场份额的关键。

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  • 文章主要介绍了CCD传感器和CMOS传感器的区别及特点
  • CCD和CMOS传感器

    2020-07-13 04:26:48
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    光电效应

    光电效应的现象是赫兹(频率的单位就是以他命名的)发现的,但是是爱因斯坦正确解释的。简单说,光或某一些电磁波,照射在某些光敏物质会产生电子,这就是光电效应。

    这就将光变为了电,光信号的改变会带来电信号的改变,因此,人们利用这个原理,发明了感光元件。

    我们熟知的感光元件有两种,一种是CCD,一种是CMOS。早期的CMOS比CCD差的非常多,但随着工艺的发展,现在CMOS的质量已经发生了质的飞跃,并且CMOS价格便宜,功耗性能好。

    sensor 结构技术

    传统(前照式)CMOS、背照式(Back-illuminated)CMOS、堆叠式(Stacked)CMOS

    工艺差异

    最大最基础的差别就在于其结构。影响最终成像效果不仅仅靠CMOS,还需要考虑镜头以及拍照算法等。其实并不是越先进的结构也一定更好,这得看用了什么工艺(比如180nm沉浸式光刻还是500nm干刻)和技术(比如索尼“Exmor”每列并列独立的模拟CDS+数模转换+数字CDS的标志性的降噪读出回路)。

    优异的工艺和技术可以使得即便不使用更新结构的CMOS,同样拥有更好的量子效率、固有热噪声、增益、满阱电荷、宽容度、灵敏度等关键型指标。在相同技术和工艺下,底大一级的确压死人。人类的进步就是在不断发现问题,解决问题。背照式以及堆栈式CMOS的出现,也是为了解决之前CMOS的种种问题。

    传统(前照式)CMOS

    对比一下前照式和背照式的横剖对比图示:

    传统的CMOS是图中左边的“前照式”结构,一般的CMOS像素都由以下几部分构成:片上透镜(microlenses)、彩色滤光片(On-chip color filters)、金属排线(电路层)、光电二极管(Photodiodes)以及基板。当光线射入像素,经过了片上透镜和彩色滤光片后,先通过金属排线层,最后光线才被光电二极管接收。

    微透镜是在每个CMOS的物理像素上的极小的凸透镜,用来汇聚光线。

    彩色滤光片能将入射光颜色以RGB的模式分解,我们有时听到的拜耳排列,就是这些滤镜的排列方式。如最经典的RGGB排列等。

    金属排线,通常有好几层,主要是传输信号用的。

    光电二极管,也就是对于CMOS,真正的发生光电效应的感光部分。

    大家都知道金属是不透光的,而且还会反光。所以,在金属排线这层光线就会被部分阻挡和反射掉,由于工艺限制,光在穿过金属电路层后,到达光电二极管时只有70%或更少;而且这反射还有可能串扰旁边的像素,导致颜色失真。(目前中低档的CMOS排线层所用金属是比较廉价的铝(Al),铝对整个可见光波段(380~780nm)基本保持90%左右的反射率。)

    背照式(Back-illuminated)CMOS

    由于前照式有这些缺点,那么背照式(Back-Illuminated CMOS)的设计就应运而生了。它将电路层放到了光电二极管后面,这样,光线就能直接照到光电二极管上,光线几乎没有阻挡和干扰地就下到光电二极管,光线利用率极高,所以背照式CMOS传感器能更好的利用照射入的光线,在低照度环境下成像质量也就更好了。

    背照式CMOS能够具有更高的光线利用效率,这样,在低照度环境下,就具有更高的灵敏度。同时,由于电路不会影响光电二极管接收光线,因此,电路层可以做得更厚,这样就能放置更多的处理电路,这有助于提高信号的处理速度。

    相比起普通的前照式传感器,搭载背照式传感器的设备能够在弱光环境下,提高约30%—50%的感光能力,因此能够在弱光下拍摄更高的质量的照片或视频,噪点更小。而更丰富的处理电路,能做更大数据量的原始图像信号处理。

    堆叠式(Stacked)CMOS

    堆叠式CMOS最先出现在索尼推出的移动终端用CMOS上,堆叠式出现的初衷其实不是为了减少整个镜头模组的体积,这个只是其附带好处而已。

    CMOS的制作和CPU的制作类似,需要特殊的光刻机对硅晶圆进行蚀刻,形成像素区域(Pixel Section)和处理回路区域(Circuit Section)。像素区域就是种植像素的地方,而处理回路是另一块整体的控制电路,用来管理这一群像素的电路。

    [1]为像素区域
    [2]为处理电路

    在蚀刻时,会有一个问题,以索尼用于手机等的小CMOS为例,它对于像素区域的制造工艺,可以使用65nm的制程(可简单理解为制造精度),但对于处理电路的区域,65nm的制程是不够的,如果能用45nm的制程制造,那么在处理电路上的晶体管数量就能翻倍,这样,图像从像素处理出来的速度就更快,画质就能更好。但因为在同一片硅片上进行蚀刻,没法使用两个制程来制造。

    所以很容易想到,如果将这两个区域分开,像素区域放在一个硅片上,用65nm制程制造,处理电路放在另一个硅片上,用45nm制程制造,再将它们堆叠拼起来,那这个矛盾就解决了。这就是堆栈式CMOS。

    [1]为像素区域
    [2]为处理电路
    [3]为高速缓存

    有了堆栈式的结构,我们能在处理电路得到更多的晶体管,拥有更快的速度,因此,原来不容易实现的HDR、升格等,现在变得很常见。读出速度也变得更快,因此果冻效应更小。而且,由于将像素区域和处理电路区域堆叠,像素区域能做得更大。

    而且,使用堆栈式能带来一些特殊的技术。如我们常见的拜耳排列大多是RGGB的,画面的亮度是通过亮度方程(Y=0.299R+0.587G+0.114B),由RGB色光的值算出来的。但使用堆栈式技术,人们研究出了一种新的拜耳排列RGBW,其中,RGB对应常见的红绿蓝,W对应白,对亮度感光。这样,传感器的低光感光能力就大大提升。

    堆栈式,背照式,前照式,这三个类型是单独的,不存在从属关系。我们可以使用背照式的技术,再用堆栈式的结构,发挥最大优点。

    退火

    为了提高像素集合光的效率,需要引入光波导管。光波导管的干刻过程中,硅晶圆和像素区域会有损伤,此时则要进行一个叫做“退火(annealing process)”的热处理步骤,让硅晶圆和像素区域从损伤中恢复回来,这时候需要将整块CMOS加热。好了,问题来了,这么一热,同在一块晶圆上的处理回路肯定有一定的损伤了,原先已经“打造”好了的电容电阻值,经过退火后肯定改变了,这种损伤必定会对电信号读出有一定影响。这么一来,处理回路躺着都中枪,像素区域的“退火”是必须的。

    还有一个问题,索尼目前建有的移动终端用CMOS的制程是65纳米干刻,这个65纳米的工艺对于CMOS的像素区域的“种植”是完全足够的。但是处理回路区域的“打造”,65纳米是不够的,如果能有30纳米(实际提升至45nm制程)的工艺去打造电路,那么处理回路上的晶体管数量就几乎翻番,其对像素区域的“调教”也就会有质的飞跃,画质肯定相应变好。但因为是在同一块晶圆上制作,像素和回路区域需要在同一个制程下制作。处理回路:“怎么吃亏的总是我!” 如此鱼和熊掌不可兼得的事情,假如解决了多好!于是索尼的工程师打起了晶圆的基板 (BOSS登场)的主意。先来看这张结构图。原来处理回路是和像素区域在同一块晶圆上打造的。

    那么不妨把处理回路放到那里去?

    首先利用SOI和基板的热传导系数差异,通过加热将两者分开。 像素区域放到65纳米制程的机器上做,处理回路则放到制程更高(45nm)的机器上做。 然后在拼在一起,堆栈式CMOS也就这样诞生了。上边遇到的两个问题: ①像素“退火”时回路区域躺着中枪。 ②在同一块晶圆上制作时的制程限制。均迎刃而解! 堆叠式不仅继承了背照式的优点(像素区域依然是背照式),还克服了其在制作上的限制与缺陷。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,比如说硬件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,但功能和性能却不减,反而更佳。像素区域(CMOS的尺寸)可以相应地增大,用来种植更多或者更大的像素。处理回路也会的到相应的优化(最重要不会在“退火”中枪了)。


    参考:https://www.zhihu.com/question/23295693/answer/30214135
    https://www.bilibili.com/read/cv5310048/

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  •  图像传感器有CCD和CMOS两种,是机器视觉摄像机最为核心的部件。由于其工艺不同,特性相差很大。CCD具有低照度效果好、信噪比高、通透感强、色彩还原能力佳等优点,在交通、医疗等高端领域中广泛应用。  CCD广泛...
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空空如也

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