CMOS Sensor内部结构及工作原理

 

1、Cmos sensor stack (以手机相机为例)

2、sensor floorplan （平面构造图）

3、光子（Photon）与量子效率（quantum efficiency）

4、与量子效率QE有关的几个重要概念

5、感光过程

6、读取过程

7、Sensor动态范围

8、Sensor 时序

9、Noise in Sensor

10、Crosstalk 对 noise的影响

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1、Cmos sensor stack (以手机相机为例)

  

        如上的构造和堆栈类似，光线进入物镜、通过IR cut(过滤掉红外光)、进入Micolens (sensor 每个像素上都有一个微镜头，更利于聚光)、

        ColorFilter(用来过滤出光线中的R\G\B颜色分量的滤光板)、透射到Sensor Array（像素阵列，是bayer格式）、最后是PCB电路板；

 

 

 

2、sensor floorplan （平面构造图）

        

• Optical Black：光遮断黑电平，用金属遮盖住这一部分的光线，让其完全不感光，体现出的颜色就是Optical black；
• Dummy border: 不用的一部分像素；
• Power management：电源管理模块 ；
• Control/processing/memory：有OTP、....
• READOUT：输出电路，把感光元器件的感光值变为数字值，给读出来；

    每个有效像素都是下图中的结构（反向偏置的感光二极管+MOS电容），当在二极管上施加反向偏置电压时，他就变成了一个电容，加反向电压就是给电容充电，在二极管里面形成电荷，对于这种光电二极管来说，当反向充电充满后，由于光子的摄入，会导致内部激发出新的电子和供缺对，与原来充电形成的电子和供缺对进行配对放电，形成电流（l_ph），由于光子的激发产生的光电流，光电流经过右边的电容器累计电荷进行充电的动作，把电流变成电压输出出去，这就是一个基本的感光元件的基本结构，不止camear sensor，其他光谱产品也是用的类似结构；

   

 

 

3、光子（Photon）与量子效率（quantum efficiency）

         由于光线的波长及频率不同，则每种色光的光子所载有的能量是不同的，如下蓝色光光子是4.41E^-19焦耳；

          

         光子能量：E=h（普朗克宏量）* c（光速）/ λ（光的波长）

         总能量：Total_Power=sum_of (all photons) 所有光子能量的和 ；

         量子效率：QE=1/3 in this case (如上图，3个光子形成1个电荷)；

 

 

 

4、与量子效率QE有关的几个重要概念

• QE：是衡量某个颜色通道某个频率/波长的光子转换成电子的效率；
• IR cuter：cut near IR (用于去掉camrea近红外不可见光) ；
• Crosstalk：用于衡量整个成像模组的性能指标（包括lens、color filter、IR、Sensor），理想情况下经过Color filter每个RGB pixel都只感受其对应颜色的光，如图2所示，但现实是因为不同的模组，工艺，使得每个颜色通道的感光都是交叠的，如图1.所示，pixel不能完全被一个颜色通道的光所激发的情况叫Crosstalk，Crosstalk越小越好，所以ISP会有一个ccm的模块用来矫正这个问题（相当于我要算b通道的颜色分量时，要把g,r通道的响应要减去）；
• Sensitivity = QE * Pixel_Size （Sensitivity也就是像素对光的敏感程度，即同样的光子我能激发多少的电荷）；

       

                                             图1.                                                                                                                图2.    

 

            

                                                                                                                                            

 

      

 

 

5、感光过程

      

 

1. 充电：先对光电二极管进行充电，N是电子，P是空穴（模拟电路中的两种载流子，带有负电荷和正电荷），当对二极管施加反向电压时，就相当于对二极管的容性进行充电，在二极管上就形成了如图，上面4个电子，下面4个空穴；
2. 感光：当有光子进来时，光电二极管进行光电效应，就会激发一个电子和空穴的配对，就会与原来存在的电子和空穴进行融合（正负融合）就形成了光电流，光电流在mos电容上面形成充电效应，就会产生一个电压的变化，如果原来是0，现在增加的就是△V；
3. 放电：从二极管的角度来看，电荷数也就是电子数和空穴数变少了（光子激发了电子和空穴的配对），△Q(电荷变化) =Ne (光子数) * e (单个电荷的能量) * QE (光电转换效率）;Q (电容)= V * C(电容的大小)，△V =△Q/C  (电容处输出的电压，对应上了电荷的变化，也就是把光电效应和输出电压联系起来了，实现了光子到电压的转换，后面会再有进一步的电路再去处理电压值）；

 

 

 

 

6、读取过程

    如下，经过感光过程得到从e到v的变化，实现了感光程度可以量化的一个数值，接着信号经过模拟放大器放大，接着通过AD转换器，变为数字信号；

    

 

 

    从时间轴上来看，Reset (充电过程)，把所有光电二极管充满电，让其变为Full Well，接着等待一段时间进行感光（也就是曝光时间），最后读取电路，总共对Sensor操作的时间为：

    Total_time =reset_teme + exposure_time +readout_time（reset_time比较小，有时计算不精确时，可以忽略掉）；

    

 

 

 

 

 

7、Sensor动态范围

   

       如上图，中间部分为器件感光部分（用来存储光生电荷的电场，叫势阱），势阱越大。能容纳的电子越多，Sensor的动态范围则越大，这涉及到如下几个概念：

        1、Full well Capacity：电荷累积到一定程度，势阱满了，电荷就会溢出，所以电荷累计到什么程度势阱会满的程度就叫Full well；

        2、Dark Current:  势阱底部始终存在不感光的电荷，他是与物理器件、半导体的工艺缺陷，是无法避免的，也是造成black level的原因；

        3、Fill Factor：是中间感光部分的阱的面积除以整个PCB的面积；

 

        Dynamic Range = Saturation/black level  (Saturation由Full well决定，black level由Dark Current决定，对WDR的sensor来说是一个非常重要的指标)；

 

 

 

 

 

 

8、Sensor 时序

   

        每次曝光结束时，就会有相应的读出电路，把信号读出来，就可以得到当前光电二级管的电压值，这就是sensor操作的一个时序；

 

 

 

 

 

9、Noise in Sensor

• 时域噪声--- KTC Nosie(readout)、PhotonShoNoise、DarkCurrentNoise、PowerNoise
• 空域噪声--- DefectPixel、ROW/ColumnNoise、PRNU、DSNU

 

 

 

10、Crosstalk 对 noise的影响

            

           详细内容参考： http://www.ericfossum.com/Publications/Papers/2015%20JOSAA%20Color%20Filters.pdf

 

 

 

 

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