自动驾驶传感器之摄像头（三）车载摄像头图像传感器技术路线

作者/阿宝编辑/阿宝出品/阿宝1990

图像传感器CCD和COMS的区别：CCD光敏耦合元件CCD主要由硅晶体半导体制成，其基本原理类似于CASIO计算器上的太阳能（000591，股票棒）电池。通过光电效应，光敏元件的表面感应光源并将其转换为存储电荷的能力。简单地说，当CCD表面接收到打开的快门，来自透镜的光照射时，它将把光的能量转化为电荷。光线越强，电荷就越多，这些电荷就成为决定光线强度的基础。在CCD元件上布置了一个通道电路，这些电荷被传输到放大和解码元件，可以将CCD上的光敏元件产生的所有信号恢复，形成完整的图像。CMOS互补金属氧化物半导体的材料主要由硅和锗制成，它们与CMOS上的N和P级半导体共存。这两种互补效应产生的电流可以被处理芯片记录并解释为图像。

CMOS和CCD最大的区别在于放大器的位置和数量。比较了CCD和CMOS的结构，放大器的位置和数量是最大的区别。

在CCD的每次曝光之后，在快门关闭或内部频率自动断开之后进行像素转移处理。每行中每个像素的电荷信号依次传输到“缓冲器”，由底线引导并输出到CCD旁边的放大器进行放大，然后连接到ADC进行输出。

在CMOS的设计中，每个像素都直接连接到一个“放大器”，光电信号可以直接放大，然后通过BUS路径移动到ADC，转换为数字数据。由于结构上的差异，CCD和CMOS表现出不同的性能。CCD的特点是在传输过程中充分保持信号失真，通过将每个像素聚集到单个放大器上进行统一处理，可以保持数据的完整性。CMOS的制造工艺相对简单，没有专门的沟道设计，因此需要先对每个像素的数据进行放大，然后进行积分。

1.灵敏度差异：由于CMOS的每个像素都包含放大器和A/D转换电路，过多的附加器件会压缩单个像素感光区域的表面积。因此，在相同的像素尺寸和传感器尺寸下，CMOS的灵敏度将低于CCD。2.分辨率差异：在“亮度差异”的第一点，由于CMOS中的每个像素与CCD相比结构复杂，其感光开口不如CCD大。当将CCD与相同尺寸的CMOS传感器进行比较时，CCD传感器的分辨率通常优于CMOS传感器。然而，如果超过尺寸限制，目前业界的CMOS感光元件可以达到1400万像素/全画幅数字单反设计。CMOS技术在亮度比方面的优势可以克服制造大尺寸光敏元件的困难，尤其是24毫米乘36毫米的全画幅数字单反。3.噪声差异：由于CMOS在每个光电二极管旁边都配备了一个ADC放大器，如果以百万像素计算，则需要超过一百万个ADC放大器。尽管它是一种统一制造的产品，但每个放大器都有一些细微的差异，很难实现放大同步。与单个放大器CCD相比，CMOS最终计算出更多的噪声。4.功耗差异：CMOS的图像电荷驱动模式是有源的，光电二极管产生的电荷会被附近的晶体管直接放大输出；

但CCD是无源的，必须施加电压才能将每个像素中的电荷转移到传输通道。而且这种外部电压通常需要超过12伏的电平，因此CCD还必须有更精确的电源电路设计和耐压强度。高驱动电压使得CCD的电荷比CMOS的电荷高得多。5.成本差异：CMOS是半导体行业常用的CMOS工艺，可以将所有外围设施一次性集成到一个芯片中，节省了芯片处理所需的成本和良品率损失；

CCD使用电荷传输来输出信息，并且必须建立一个单独的传输通道。如果通道中的一个像素出现故障，将导致整行信号被阻塞，无法传输。因此，CCD的成品率低于CMOS的成品率。此外，由于创建了单独的传输通道以及添加了ADC和其他外围设备，CCD的制造成本相对高于CMOS。6.其他区别：IPA经常用于数字变焦放大，CMOS必须依赖于x和y图像定位放大处理。否则，由于单个像素放大器的误差，很容易产生不均匀的图像。在生产制造设备中，CCD只能通过专门定制的设备机器制造，因此在日本和美国无法生产高像素CCD组件。CMOS的生产可以由普通的存储器或处理器设备机器进行。总之，CCD和CMOS的特性决定了CMOS更适合用于移动电话等便携式设备。车载摄像机也使用COMS传感器，而CCD更适合用于单反摄像机等专业设备。

CMOS传感器的组成和图像传感器的关键参数是光电转换。关键参数包括像素、单像素大小、芯片大小和功耗。在技术流程方面，有前照、后照、堆叠式等。下面简单介绍一下。

从外部角度来看，图像传感器可以分为光敏区域、连接焊盘、内部电路和基板。光敏区域是由多个单个像素点组成的单个像素阵列。从每个像素获得的光信号被组合以形成完整的图像。

CMOS芯片由微透镜层、滤色器层、电路层、光敏元件层和衬底层组成。

在CMOS芯片的截面图中，由于进入每个单个像素的光的角度不同，在每个单个像素表面增加了一个微透镜来校正光的角度，使光垂直进入光敏元件的表面。这就是芯片CRA的概念，它需要保持在与镜片CRA的微小偏差范围内。

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在电路架构方面，我们补充说，图像传感器是一种将光信号转换为电信号的暗盒。暗盒的外部通常包括几个电路，如电源、数据、时钟、通信、控制和同步。它可以简单地理解为在感光区域将光信号转换为电信号，并且电信号在通过数据接口输出之前由暗盒中的逻辑电路处理和编码。

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图像传感器1的关键参数。像素：指感光区域中单个像素点的数量，如5Maga像素、8M像素、13M像素、16M像素、20M像素。像素越多，所捕获图像的格式就越大，所捕获的图像的细节就越多。2.芯片尺寸：指感光区域的对角线距离，通常用英文单位表示，如1/4英寸、1/3英寸、1/2.3英寸等。芯片尺寸越大，材料成本越高。3.单像素尺寸：指单个光敏元件的长度和宽度尺寸，也称为单个像素的开口尺寸，如1.12微米、1.34微米、1.5微米等。开口尺寸越大，单位时间进入的光能越多，芯片的整体性能相对较高。最终捕获的图像的整体图像质量相对优异。单像素大小是图像传感器的一个关键参数。

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传统的前照和后照CMOS图像传感器采用前照结构，从上到下由透镜层、滤波器层、电路层和光敏元件层组成。当采用这种结构时，光到达光敏元件层时必须穿过电路层的开口，这很容易造成光损失。背光方式取代了光敏el……

ent层与电路层，电路层仅保留光敏元件的逻辑电路的一部分。这允许光更直接地进入光敏元件层，减少光损失，例如光反射。因此，在相同的单位时间内，单个像素可以获得更多的光能，这显著提高了图像质量。然而，这种结构的芯片生产工艺的难度增加了，产率降低了，并且成本相对较高。

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堆叠堆叠是对背光的改进，它将所有电路层移动到光敏元件的底层，最大化开口面积并减少芯片的总面积。有助于产品小型化。此外，光敏元件周围的逻辑电路移到底部后，理论上，逻辑电路对光敏元件的影响较小，电路噪声抑制得到优化。整体效果应该会更好。业界朋友应该明白，相同像素的堆叠芯片的物理尺寸比背光芯片的物理大小要小。但堆叠式生产工艺规模更大，产量更低，成本更高。索尼的IMX214和IMX135可以很好地说明上述问题。

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图像传感器的ISOCELL技术分析：图像传感器的质量取决于单个像素的有效光输入

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在前一章中，我们讨论了图像处理器最关键的参数是单像素大小。单个像素尺寸越大，输入的光量就越大，图像质量就越好。因此，我们可以简单地认为，决定图像传感器性能的最大因素是单个像素的有效光输入，它决定了每个像素在单位时间内可以捕获多少光能。如果单个像素的面积更大，它可以同时携带更多的光能，这可以显著提高图像质量，更逼真地恢复图像场景。数码相机和手机中使用的图像传感器的单像素大小是不同的。数码相机越大，以英寸为单位的拍摄效果越好。然而，随着单个像素的大小增加，具有相同像素的图像传感器的面积显著增加。相机模块体积增加，模块高度增加，功耗显著增加，发热量增加。虽然这种变化在数码相机中仍然可以接受，但毫无疑问，它们不适合追求便携性的手持设备。以HTC ONE为例，使用了单像素尺寸为2微米的图像传感器，从而获得了出色的图像质量和特别出色的夜景拍摄。然而，由于单像素尺寸的增加，由于体积和发热量的增加等因素，手机摄像头被迫只能达到400万像素，这是不可接受的。另一方面，苹果iPhone选择了每像素1.5微米的折衷尺寸。尽管这是一种妥协，但它仅有的800万像素受到了批评。在新一代iPhone 6中，为了确保更好的拍摄效果，我们继续选择了1.5微米的芯片，这带来了前所未有的结构和外观牺牲。出色的相机设计堪称史上最丑的苹果相机！

除了增加单个像素的大小之外，是否没有其他方法可以增加光输入量？事实并非如此。ISOCELL技术可以针对相同的像素大小进行优化，并有效提高光输入量。根据三星发布的信息，ISOCELL技术需要解决的第一个问题是增加单个像素的收缩能力，通过比较成像的动态范围来提高光强中最亮和最暗部分的图像质量。

第二个问题是，随着像素越来越小，它们的抗干扰能力下降，导致对光源的颜色和数量的不正确感知。这种现象被称为串扰。光电二极管的微小探测器将部分光能转换为微小电流，这些电流有时出现在不合适的地方，对图像造成影响。造成串扰的原因有很多，其中最有可能的是光学串扰。当像素接收到的光超过其所能承受的光时，电子将经历串扰，这完全是基于信号传输过程中错误光电二极管的电流泄漏。

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例如，当在单个像素中捕获绿光时，一些光子可能会泄漏到蓝色或红色中，导致即使在没有蓝色或红色的场景中也会出现电流，从而导致原始图像轻微变形并产生噪声。尽管这样的问题是不可避免的，但ISOCELL技术可以尽可能地将其影响降至最低。ISOCELL技术原理ISOCELL

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ISOCELL本质上是对现有BSI技术的改进，可以解决上述流媒体问题。简单地说，这是通过在隔离像素和相邻像素之间形成物理屏障来实现的，减少它们的间距，避免BSI传感器中单个像素之间的干扰问题，使像素能够吸收更多光子并获得更好的照片效果。根据官方数据，与BSI相比，ISOCELL可以隔离每种颜色的像素，提高传感器的光捕获能力，预计可以将像素串扰减少30%。然而，这并不意味着最终的成像质量也会提高30%，但它可以更好地提高清晰度和色彩性能，使图像看起来更丰富。三星配备了ISOCELL技术作为图像传感器，提供了出色的图像质量和颜色性能END-每次你给我竖起大拇指、评论或转发，都是对我的肯定。谢谢！本文首发于微信公众号：Po 1990。文章内容属于作者个人观点，不代表和讯网络的立场。投资者应据此操作，并承担风险。

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