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ADAS-可见光相机之Cmos Image Sensor

news 2025/8/3 2:10:29

引言

“ 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)。”
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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：
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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：
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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。

CIS电气原理

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：
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从纵截面来看，CIS堆叠如下所示：

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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。
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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：
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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：
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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：
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