cis传感器:CIS

2021/10/29 03:55 · 传感器知识资讯 ·  · cis传感器:CIS已关闭评论
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cis传感器:CISCIS(ContactImageSensor)CIS的中文名称是接触式图像感应装置。它采用触点式感光元件(光敏传感器)进行感光,在扫描平台下1mm~2mm处,300~600个红、绿、蓝三色LED(发光二极管)传感器紧紧排列在一起,产生白色光源,取代了CCD扫描仪中的CCD阵列、透镜、荧

cis传感器:CIS

CIS(Contact Image Sensor)  CIS的中文名称是接触式图像感应装置。它采用触点式感光元件(光敏传感器)进行感光,在扫描平台下1mm~2mm处,300~600个红、绿、蓝三色LED(发光二极管)传感器紧紧排列在一起,产生白色光源,取代了CCD扫描仪中的CCD阵列、透镜、荧光管和冷阴极射线管等复杂机构,把CCD扫描仪的光、机、电一体变成CIS扫描仪的机、电一体。用CIS技术制作的扫描仪具有体积小、重量轻、生产成本低等优点,在传真机、扫描仪、纸币清分兑零等领域应用非常广泛。cis传感器:CIS  第1张

cis传感器:一、面阵与线阵图像传感器

一、面阵与线阵图像传感器
? 人们在日常生活中见到的相机大多基于普通的面阵图像传感器,这种相机多用来拍摄静止的物体。即使用它们來拍摄运动的物体,也仅仅是缩短了相邻两次拍摄的时间间隔,无需对所拍摄图像进行额外操作,对物体的运动方向和速度也没有限定条件。

除此之外,还有一类线阵图像传感器,感光阵列由一行像素构成,其主要特点就是拍摄时需与被摄物体保持特定方向和速度的相对运动,每完成一次拍摄可以获得一行图像信息,因此对一幅完整图像的获取需要完成多行图像信息的拼接。

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面阵相机:实现的是像素矩阵拍摄。相机拍摄图像中,表现图像细节不是由像素多少决定的,是由分辨率决定的。应用面较广,可以获取二维图像信息,测量图像直观。像元总数多,而每行的像元数一般较线阵少,帧幅率受到限制,由于生产技术的制约,单个面阵的面积很难达到一般工业测量现场的需求。线阵相机:一般上只在两种情况下使用这种相机:一、被测视野为细长的带状,多用于滚筒上检测的问题。二、需要极大的视野或极高的精度。在第二种情况下(需要极大的视野或极高的精度),就需要用激发装置多次激发相机,进行多次拍照,再将所拍下的多幅“条”形图象,合并成一张巨大的图。因此,用线阵型相机,必须用可以支持线阵型相机的采集卡。线阵型相机价格贵,而且在大的视野或高的精度检测情况下,其检测速度也慢。由于以上这两个原因,线阵相机只用在极特殊的情况下。主要应用于工业、医疗、科研与安全领域的图象处理。一维像元数可以做得很多,而总像元素较面阵相机少,而且像元尺寸比较灵活,帧幅数高,特别适用于一维动态目标的测量。而且线阵分辨率高,价格低廉,可满足大多数测量现场要求。图像获取时间长,测量效率低;由于扫描运动及相应的位置反馈环节的存在,增加了系统复杂性和成本;图像精度可能受扫描运动精度的影响而降低,最终影响测量精度。
线阵图像传感器适用于对低速运动物体的推扫成像,当物体与传感器相对运动速度较高时,等效曝光时间会相应缩短,从而造成图像信噪比的降低,由此引起的性能恶化,在光线条件较暗的环境下像素收集的光信号更少,使得SNR 和光响应灵敏度很低,性能恶化尤为明显。为了弥补线阵图像传感器在高速低光照应用环境下的不足,一种时间延时积分(Time-Delay Integration, TDI)型图像传感器被研发出来。这种传感器具有面阵形式的像素阵列,同时可实现推扫成像的功能。面阵中每一行像素都相当于一个线阵型图像传感器,这些位于不同行的像素可以在不同时间内对同一物体进行拍摄,并将对应的输出信号进行累加,这就等效的延长了传感器对物体的曝光时间,因此可以提高图像的信噪比。

二、TDI CMOS传感器
1、概述
时间延迟积分(Time-Delay Integration, TDI)技术是一种特殊的成像模式,至今已应用几十年,但大多应用于二维CCD 图像传感器,因为CCD 器件采用多电源对光生电子进行电荷转移,能够达到非常低的噪声的光信息叠加,很长一段时间内被TDI 技术视为的最理想的载体器件。但由于CCD 器件集成困难、功率损耗大、工艺的不兼容性导致的成本高等问题的存在,因此,现在在很多领域应用的TDI 型传感器中的CCD器件已逐渐被CMOS 型取代,使TDI 型CIS (CMOS Image Sensor)成为现在各个应用领域研究的重点。

TDI 型CIS 是针对一般线阵图像传感器中存在物体与传感器相对移动速度受限导致性能很难提高的问题而设计的。TDI 型CIS 以面阵的存在形式进行线阵的工作方式,对同一物体滚动扫描进行多次重复曝光,等效增加了对物体的积分时间,并将得到的转换电压信号值进行累加。同时累加时电压信号和噪声信号不同的倍增系数可以实现低照度条件下的高信噪比、高灵敏度成像。

TDI工作方式是将一维的线阵图像传感器扩展为二维面阵,沿着图像传感器移动方向扩展成多行像素,使得沿传感器移动方向排列的一列像素能够对同一物体进行重复光积分,并将积分的结果通过累加器进行电信号的累加以获得较大的SNR(相当于多帧平均,详见CMOS图像传感器——提升图像信噪比),从而增强信号的输出强度。

TDI 工作方式下的像素阵列类似于面阵图像传感器,但成像方式却是线阵扫描。它的列数等效为线阵的长度,行数为延迟积分的级数,也就是同一物体光信息的累加次数。

在空间探测、航空航天影像、物体测量等重要领域都有非常重大的应用价值。由于其主要应用于低照度条件下图像的获取,因此要求其具有大的感光面积以获得足够的光信息,导致大尺寸像素电荷转移困难的问题。同时低照度条件下要求像素暗电流足够小,避免淹没有用的光信息,减小噪声对图像质量的影响。

TDI型CMOS 图像传感器,由于TDI 的累加特性,信号与噪声得以累加不同的倍数,传感器的信噪比大大增加,可以更好的应用于暗光领域,例如外太空、深海、夜视等。TDI 型图像传感器正成为卫星遥感、深海测量、医疗X 射线成像、工业控制、安全等领域的理想探测器件。因此TDI 型CMOS图像传感器有着极高的研究价值与应用潜力。

2、工作原理
在TDI型图像传感器中,像素各行的输出信号并不是直接读出,而是需要按照一定规则累加并存放在累加器中。累加可以在模拟域或数字域进行,模拟累加器的存储单元是电容阵列,以保存模拟电压信号,数字累加器的存储单元是寄存器阵列,以保存数字信号。无论采用哪种类型的累加方法,其基本过程都是类似的。

TDI 型CMOS 图像传感器简要工作原理如下:第一行像素在第一个积分周期内收集到的光生信号不直接输出,而是与第二行像素在第二个积分周期内收集到的光生信号相加,依次类推,逐行累加后,将累加N次的信号进行输出,因此等效为对同一目标连续曝光N 次,等效曝光时间被扩大了N倍,大大提升了在暗光下的图像成像质量。

? ? ? ? 下面以四级TDI CMOS 图像传感器为例,简述其工作原理。

对于抽象物体A、B、C、D,假定像素阵列Pixel1、Pixel2、Pixel3、Pixel4 固定不动,ABCD 自右向左移动。在第一个积分时间内,Pixel1 对物体A 进行曝光,并将其信号值送入累加器Add1 中;在第二个积分时间内,Pixel1 对物体B 进行曝光,并将其信号值送入累加器Add2 中,Pixel2 对物体A 进行曝光,并将其信号值送入累加器Add1 中。这样Add1 中保存了两次物体A 的信息2A,Add2 中保存了一次物体B 的信息B;在第三个积分时间内,Pixel1 对物体C 进行曝光,并将其信号值送入累加器Add3 中,Pixel2对物体B 进行曝光,并将其信号值送入累加器Add2 中,Pixel3 对物体A 进行曝光,并将其信号值送入累加器Add1 中。这样Add1 中保存了三次物体A 的信息3A,Add2 中保存了两次物体B 的信息2B,Add3 中保存了一次物体C 的信息C。以此类推最终Add1、Add2、Add3、Add4 四个累加器中分别保存了抽象物体A、B、C、D 四次曝光的信号值,完成了信号的累加。

3、曝光方式
与普通面阵图像传感器一样,TDI型CMOS图像传感器可采用的曝光方式有两种:全局曝光(Global Shutter)模式和滚筒式(Rolling Shutter)曝光模式。不管采用哪种模式,需要考虑的一个主要问题都是信号累加的同步性,即在一个累加器的同一累加周期内(累加器的两次复位信号之间)进行累加的各个信号,必须对应于不同行像素对同一被摄物体进行的曝光。如果累加发生在对不同物体曝光的信号之间,就会导致图像的锐度降低,甚至无法成像。

全局曝光方式比较容易实现累加的同步性,由于其阵列中各行像素都是同时开始和结束曝光,只需将像素的曝光时间调整到TDI传感器系统要求的渡越时间,就可以满足累加的同步性要求。全局曝光的时序如下图所示,图中向右的三角符号表示该时刻需要对像素进行读出操作(不同于滚筒式曝光中的信号读出)。

以4级TDI型CMOS图像传感器为例,像素各行均在相同时刻开始曝光,在经过渡越时间之后同时结束曝光。由于列总线每次只能传递一行像素的信号,各行像素的输出信号首先被同时“读出”到各自的存储单元中,之后再通过列总线被依次读出至相应的累加器。图中的读出符号对应于第一次读出操作,该操作决定了上一次曝光的结束和下一次曝光的开始。

对于滚筒式曝光方式,各行像素的输出信号依次通过列总线直接读出至累加器,因此不需要额外的存储单元。为了保证累加的同步性,相邻两行像素对同一物体的曝光间隔应为渡越时间。由图示可知,像素的曝光时间小于渡越时间,两者相差一个像素的读出时间?。

如果从累加同步性的角度考虑,全局曝光的方式比较适合TDI型图像传感器。各行像素同时开始和停止曝光,像素的曝光时间与渡越时间相等。对于滚筒式曝光,像素的曝光时间小于渡越时间。由于像素的曝光是连续进行的,即一次曝光周期的结束也是下一次曝光周期的开始,因此一个渡越时间跨越了两个曝光周期,这在一定程度上加大了相邻两行像素的曝光重叠区域,会对成像锐度造成影响。
若采用全局曝光方式,则要求像素单元内含有一个存储节点,与这种曝光方式相适应的像素结构为5T像素。但使用5T像素进行全局曝光的工作方式也存在着一些缺点:

像素填充因子低暗电流水平高复位噪声水平高
滚筒曝光方式与4T像素的读出时序相兼容,4T像素具有诸如低暗电流,低噪声和高灵敏度等优点,这对保证成像质量至关重要。上文提及滚筒式曝光方式存在着相邻像素曝光重叠的问题,在时间域考虑,曝光重叠所对应的时间等于像素的行选时间。如果通过优化4T像素的设计缩短电荷转移所需的时间,就可以将行选时间控制在较短的范围,其影响基本可以忽略。

? ? ? ? 因此,可以根据场景进行曝光方式及像素的选择。

cis传感器:CIS  第2张

cis传感器:在单个封装中提供完整的有源功率因数校正解决方案

翻译自——EEtimes
我们对技术的焦点往往是电子的主要驱动:CMOS逻辑和内存。虽然这些可能占了使用Lam研究工具制造的设备的大部分,但创建对人类有用的系统还需要许多其他专业技术。其中许多技术影响着我们与电子产品的互动。比如:
传感器——CMOS图像传感器(CIS)和微机电系统(MEMS)
用于发送和接收无线信号的射频电路
电力电子,由MOSFET、绝缘栅双极晶体管(IGBT)和使用双极CMOS - DMOS (BCD)技术制成
光学器件——显示器和光子器件
这些技术影响着商业、工业和汽车市场的广泛系统。最近的重大兴趣是物联网(IoT)设备和蜂窝技术(特别是5G),两者都广泛使用专业技术。到2023年,这些市场将占全球集成电路需求的30%。(IC Insights, McClean和OSD Reports, 2019)
聚光灯下的照相机
在传感器中,CIS传感器近来变得尤为重要。在消费市场中,越来越多的摄像头正在塞进智能手机里。它们已经作为手机营销的主要噱头。2017年,苹果在iPhone X的信息发布时间中,约有10%的时间在推广这款相机;两年后,它花了49%的时间来宣传iPhone 11的摄像头,而不是其他功能。
未来的汽车设计中,除了雷达和/或激光雷达以外,还将使用不同类型的多摄像头来帮助先进的ADAS和自动驾驶。这些摄像头将有效地环绕汽车,消除盲点,并为驾驶员和自动系统提供更好的态势感知。
CIS市场有望在未来几年实现显著增长,到2024年的单位复合年增长率(CAGR)为6.6%。CIS市场中增长最快的细分市场的增长率将明显高于此,消费者复合年增长率为24.6%,汽车复合年增长率为14.1%。
CIS种类包括:记录可见光的相机以及在红外(IR)或近红外(NIR)环境下工作的相机。可见光摄像机提供视频流,用于识别物体和周围的整体环境。在红外领域,在使用结构光进行面部识别方面变得越来越有用,它不需要用可见光照亮面部。
打造最好的CIS芯片
早期的CIS芯片从其顶部或前部接收照明。这是让光子通过薄硅层进入传感设备的最明显的方法。但缺点是金属化和其他芯片特性会掩盖部分光线——只有穿过这些障碍物的光线才会被捕捉。
较新的CIS装置在背面发光,没有这样的障碍。当然,这意味着晶圆背面必须变薄,以捕获尽可能多的光子,而不让它们被较厚的晶圆散射和吸收。由于CIS晶片的背面是发光的,所以正面可以与其他晶片结合,而不会影响光的感知。所以通过将图像传感器、内存和其他逻辑功能组合在一个单独的封装中,才能实现新的集成。
然而,这样做需要先进的技术来实现最有效的光捕捉。两个典型的例子:深沟隔离(DTI)和硅通孔(TSV)。
DTI允许像素电路彼此更有效地隔离。当光子进入一个像素时,它们会被散射并四处移动——有可能从它们进入的像素漂移到邻近的像素。当需要高分辨率时,这会产生一种模糊效果,因为像素会相互渗透。DTI有效地在像素之间建立了一堵墙,保持光子的数量,并产生更清晰的图像。
晶粒堆叠赖于TSV。一个Die的正面有所有的金属互连和任何传统的衬底,所以当把两个Die的正面连接在一起时,这些信号可以结合在一起。但是Die的背面没有这些信号。所以,当把一个Die的背面堆叠到一个正面或另一个背面时,必须有某种方法把信号从Die的正面传到Die的背面,这样它们才可以连接起来。TSV是钻穿硅的深层金属“管道”,并起到了这个作用。
DTI和TSV是重要的技术,需要谨慎和精确的流程才能有效。这些技术是Lam比较擅长实现的,随着CIS市场的增长,Lam预计对这些技术的需求将有显著增长。虽然CIS和其他专业技术可能不会像主流技术那样得到持续的关注,但它们对于我们在未来几年将看到并与之交互的系统的有效性来说,同样重要。
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cis传感器:聚集CMOS图像传感器(CIS)

  当我们谈论技术时,我们的大部分注意力都集中在电子的主要驱动器上:CMOS逻辑和存储器。尽管这些可能占了设备的大部分,但要创建对人类有用的系统还需要许多其他特殊技术。这些技术中有许多会影响我们与电子设备交互的方式。示例包括:
  传感器,包括CMOS图像传感器(CIS)和微机电系统(MEMS)
  用于发送和接收无线信号的射频(RF)电路
  电力电子设备,采用MOSFET,绝缘栅双极晶体管(IGBT)等设备以及采用双极CMOS-DMOS(BCD)技术制成的设备制造
  光学设备,包括显示器和光子组件
  这些技术影响商业,工业和汽车市场中的各种系统。近期引起人们极大关注的是物联网(IoT)设备和蜂窝技术(尤其是5G),它们都广泛使用了专用技术。到2023年,这些市场加在一起可能占全球IC需求的30%。(来源:IC Insights,McClean和OSD Reports,2019年)
  摄像机成为人们关注的焦点
  最近,CIS设备变得尤为重要。在消费市场中,智能手机正在使用越来越多的相机。一旦成为手机中的“必备品”,它们的知名度便成为营销信息中的主要优势。2017年,苹果在iPhone X的大约10%的消息收发时间内推广了该相机; 两年后,它花了多达49%的时间来宣传iPhone 11相机,而不是其他手机功能。(来源:CNBC)
  未来的汽车设计还将利用多种不同类型的摄像机(雷达和/或激光雷达除外)来帮助实现先进的驾驶员辅助系统(ADAS)和自动驾驶。这些摄像机将有效地包围汽车,消除盲点,并为驾驶员和自动驾驶系统提供更好的态势感知。
  独联体市场预计将在未来几年显着增长,到2024年的单位复合年增长率(CAGR)为6.6%。独联体市场的最高增长部分将看到远高于此的增长,其中有消费者CAGR为24.6%,安全CAGR为17.1%,汽车CAGR为14.1%。(来源:Yole)
  CIS类别包括记录可见光的摄像机以及在红外(IR)或近红外(NIR)体制下工作的摄像机。可见光摄像机提供了我们期望用于识别物体和整个周围环境的视频流。红外领域的技术对于使用结构化光以不需要用可见光束照亮面部的方式进行面部识别变得越来越有用。
  构建最佳的CIS芯片
  早期的CIS芯片从其顶部或正面开始受到照明。这是使光子穿过硅薄层到达传感设备的最明显方法。不利的一面是,金属化和其他芯片功能会掩盖部分光线-仅捕获可能进入这些障碍物周围的光线。
  较新的CIS设备的背面照亮,没有障碍物。当然,这意味着必须减薄晶片的背面以捕获尽可能多的光子,而不会被厚的晶片散射和吸收。通过堆叠骰子以将图像传感器与存储器和其他逻辑功能组合在一个封装中,还可以提高集成度。由于CIS芯片的背面被照亮,因此可以将正面粘合到其他晶圆上,而不会干扰所感测的光。
  但是,这样做需要先进的技术才能实现最有效的光捕获。突出了两个具体示例:深沟槽隔离(DTI)和硅通孔(TSV)。
  DTI使像素电路可以更有效地彼此隔离。当光子进入一个像素时,它们会被散射并四处移动-可能会从其进入的像素到相邻像素漂移。当需要高分辨率时,这会在像素相互渗色时产生模糊效果。DTI有效地在像素之间建立了一堵墙,使光子得以容纳并产生更清晰的图像。
  芯片堆叠依赖于TSV.管芯的正面具有所有金属互连和任何传统的焊盘,因此当将两个管芯的正面放在一起时,可以将这些信号结合在一起以进行连接。但是骰子的背面没有这些信号。因此,当将背面堆叠到正面或另一个背面时,必须有某种方法可以将信号从管芯的正面传递到管芯的背面,以便可以连接它们。TSV是在硅上钻孔的深金属“管”,用于执行该功能。
  DTI和TSV是不平凡的技术,需要谨慎和精确才能使其有效。它们是Lam特别擅长实施的技术,随着CIS市场的增长,Lam预计制造它们所需的工具的使用将显着增长。尽管CIS和其他专业技术可能不会一直受到主流技术的关注,但它们对于未来几年我们都将看到并与之交互的系统的有效性同样至关重要。

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