CMOS sensor 基础

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于 2024-12-31 11:22:23 首次发布
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目录

1.CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）：互补金属氧化物半导体

2.CMOS sensor stack

BSI的优势：

3.Lens CRA（Chief ray angle）

4.sensor floorplan

5.像素的设计：光电二极管+MOS电容

目前对于piexl的两种设计：

6.光子（Photon）与量子效率quantum efficiency

6.1.与量子效率QE有关的几个重要概念

7.Crosstalk 对noise的影响

8.Pixel的感光过程

9.读取过程

10.Sensor动态范围

11.Sensor 时序

12.Noise in sensor

时域噪声与空域噪声：

13.Electronic shutter: rolling shutter VS global shutter

Rolling shutter的果冻效应：

 

1.CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）：互补金属氧化物半导体

在成像系统中所属的位置如下：

2.CMOS sensor stack

目前sensor的两种设计类型是：前照式 FSI(Front side illumination)和背照式 BSI(Back side illumination):

BSI的优势：

  1. 在光入射的过程中由于不会经过metal wiring部分，就不会有遮挡光线的存在。
  2. 光电二极管可以接收到更多光线（开口率更大），使 CMOS 具有更高灵敏度和信噪比，改善高 ISO 下的成像质量。
  3. 配套电路无需再和光电二极管争抢面积，更大规模的电路有助于提高速度，实现超高速连拍、超高清短片拍摄等功能。

3.Lens CRA（Chief ray angle）

CRA的定义：像高最大处的入射光线与光轴的夹角

原则上Lens CRA和Sensor CRA 要匹配

Lens CRA !> Sensor CRA，否则会有很强的shading

4.sensor floorplan

5.像素的设计：光电二极管+MOS电容

 

目前对于piexl的两种设计：

  • passive pixel sensor(PPS)
  • active pixel sensor(APS)

 

4T的设计比3T的设计可以通过CDS降低更多的reset noise

 

6.光子（Photon）与量子效率quantum efficiency

  • 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

上图中：

根据公式：E=hc/ λ

                  Total_Power = sum_of (all photons) 

                  所以QE = 1/3

6.1.与量子效率QE有关的几个重要概念

  • IR（近红外） cutter----cut near IR
  • Crosstalk（串扰）:在下图中，坐标横轴是波长，纵轴是QE，所以右上图表示的Sensor三个通道上对于不同波长的光（颜色）的QE曲线。我们拿蓝色通道举例，我们可以看到蓝色的通道对很长的波长范围的光都是有QE的，意思就是这些波长的光都可以转换为电子，但是这些波长的光并不是都蓝色，这就是串扰。
  • Sensitivity 感光度=QE X Pixel_Size

 

7.Crosstalk 对noise的影响

一般，我们对于Crosstalk的解决方法就是ISP中的CCM模块，本质就是把对于另外两个通道的感知的电子减掉。所以在数学上我们可以采用矩阵的形式进行计算。具体细节见后面的CCM模块的讲解。

                                                                                                      

一般来说CCM使用的是如左图所示的3x3的矩阵，也有使用是3*3的矩阵在加上偏置项的3x4矩阵的算法（fuhan） ，但是不推荐，原因是在ISP后面的模块中处理颜色的时候会有问题，不管使用哪一种算法，每一行的和都要==1，不然灰色就会偏掉。

 

同时，对于信噪比来说，以R通道举例：

信号R‘ =a11×R + a12 x G+a13 x B（其中R’是真正的红，不带‘的是Sensor感光得到的,需要从我们统计得到的值中减去不属于该通道的信号，所以一般来说a12和a13是负值）

噪声N‘ =(a11×R)2 + (a12xG)2+(a13xB)2 （加性模型的噪声计算公式：（N1,N2) =(N12+N22) 0.5）

所以负的系数越大SNR(信噪比：信号/噪声)越低，所以Crosstalk越强，Sensor的噪声表现越差

8.Pixel的感光过程

9.读取过程

10.Sensor动态范围

  1. Full well Capacity（能容纳多少电子）
  2. Dark Current  （不感光的时候有多少电子）
  3. Fill Factor（PCB板上空间使用效率）

Dynamic Range = Saturation / Noise floor    可以简化为 =》    Dynamic Range = Saturation/ black level

11.Sensor 时序

12.Noise in sensor

成像过程中的每一步都会引入噪声，Sensor也不例外，在上图中的每一个过程都会引入噪声，最主要的是shot noise和热噪声，他们都是现阶段无法被避免但是可以进行优化的噪声，sony的sensor之所以好就是因为在sensor的每个部分都做到了细致的处理，这样出来的信号才有更好的噪声表现。

时域噪声与空域噪声：

  • 时域噪声

          KTC Noise(复位噪声，readout电路中经常看到，主要和温度T和电容C相关)，PhotonShotNoise（光子的散粒噪声）,DarkCurrentNoise（工艺引入的即时不感光也有电子在）,PowerNoise（电源噪声）

  • 空域噪声

          DefectPixel（坏点）,Row/ColumnNoise（横竖条纹状的噪声）,PRNU,DSNU

13.Electronic shutter: rolling shutter VS global shutter

Rolling shutter的果冻效应：

 

 

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