ADAS-可见光相机之Cmos Image Sensor

lidenghui

“ 可见光相机在日常生活、工业生产、智能制造等应用有着重要的作用。在ADAS中更是扮演着重要的角色，如tesla model系列全车身10多个相机，不断感知周围世界。本文着重讲解下可见光相机中的CIS(CMOS Image Sensor)。”


01—
定义光是一种电磁波，自然界的光是由各种波长的电磁波组成，如下：


在自然光中人眼可以感知的光源波段在400nm~700nm之间。可见光相机传感器是一种成像器，它收集可波长为（400~700nm）光波并将其转换为电信号，经过ISP(Image Signal Process)处理之后变成彩色的图像进行显示或者处理。生活中常见的可见光相机如手机相机、运动相机等，在ADAS汽车领域中更多是以模组的形式出现，如：



可见光相机一般由三个主要器件构成，分别是：镜头、Sensor以及ISP，架构图如下：



其中：

Lens，主要负责聚集光源，聚集到Sensor上；CIS，主要负责光子转电子，并将电子采集，经过放大模数转化成数字信号输出；ISP，图像处理单元，主要负责将Sensor输出的原始raw数据处理成带有RGB颜色的图像信号输出。

本文着重围绕CIS进行展开讲述。02—
CIS工作原理
2.1 CIS堆叠架构CIS是由无数个pixel阵列组成，以俯视图的角度来看，整体如下所示：



从纵截面来看，CIS堆叠如下所示：



首先，最上层是MicroLens，每个pixel都有一个微透镜，主要作用是将从不同角度入射的光源聚集到Pixel上。其次，CFA(Color Filter Array)，单纯的pixel是无法感知颜色的，因此，为了可以感知自然界的颜色，人类想到加入不同的滤光片，使得不同pixel进入不同的光源，后端通过插值来还原RGB信息。


最后，最下层便是真实的CIS半导体电路部分，此部分主要由模拟部分以及数字部分组成。
2.2 Pixel Array
CIS电路宏观上如下所示：



其中：

PD：即Photo-Diode，光电二极管，在光源照射下会产生电流，电子经过电容采集，运算放大器，ADC转化，最终变成数字信号输出。行列选择器：用于确定阵列中当前哪一个像素进行输出，进入模拟放大采样电路中。

2.3 Pixel架构
每个Pixel门电路原理如下，这里的T代表的是Transfer Gate，即电路中Mos管的个数，基本的3T架构如下所示：


首先，Sensor控制Reset开发打开，PD进行释放电子，复位电路。其次，PD开始曝光接受光照，并转化成电子输出到源极跟随器上。最后，行列扫描器选中当前pixel，select门电打开，将存储的电子输出给外部运放。4T架构在3T架构上多加了一个Transfer Gate,用于控制PD数据是否输出到源极跟随器，电路噪声会更小，如下：

03—
CIS关键指标参数概览下表初步展示了可见光相机 or CIS在选型的关键参数，后续本公众号会继续开展文章讲述关键参数意义等来帮助选型。

参数	含义	备注
RESOLUTION	分辨率	分辨率越高物体细节越清晰
FPS	帧率	帧率越高，单位时间输出图像越多
MTF	清晰度	MTF越高，物体边缘越清晰
FOV	Filed of View	Fov越大，可以看到的视角越大
HDR	高动态	DR越大，图像中可以展现高亮&暗部
SNR?	信噪比	信噪比越高，图像质量越好
CFA	Color Filter	颜色过滤阵列
CRA	主光角	光源射入MicroLens可接受的角度

好了，今天可见光相机科普先到这里，客官觉得有用记得点个赞，后续定时更新ADAS传感器领域知识。