CIS芯片全稱是CMOS image sensor互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器,是一種基于半導(dǎo)體CMOS工藝的圖像傳感器,于上世紀(jì)90年底中期開始廣泛商用。當(dāng)前,CIS芯片已廣泛使用于手機、相機、汽車電子、安防等多個領(lǐng)域使用。(當(dāng)下還有一種廣泛使用的圖像傳感器CCD Charge Coupled Device,電荷耦合器件傳感器,在工業(yè)類高清相機中使用更多。)
在上圖的各類產(chǎn)品中,CIS是關(guān)鍵部件,承擔(dān)成像任務(wù),類似傳統(tǒng)相機的底片。
這里先簡單回顧下成像的原理:
基于上述原理,法國的達蓋爾于1839年制成了第一臺實用的銀版照相機,經(jīng)過幾十年的優(yōu)化在1878年柯達創(chuàng)始人喬治伊士曼成功研制了早期的膠片,為20世紀(jì)膠片相機打開了大門,直到1981年1981年推出的第一款可換鏡頭數(shù)碼相機Mavica正式拉開了數(shù)碼相機的序幕。
回到前序——CIS作為數(shù)碼相機的核心,取代了傳統(tǒng)相機的底片,更準(zhǔn)確的說,CIS取代的不僅僅是底片,還包括DEP沖洗,如下圖所示:
膠片主要是通過乳劑(乳劑中包含大量溴化銀顆粒)在光照時的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生潛影(依據(jù)光照形狀及強度產(chǎn)生不同厚度的銀)以保留現(xiàn)實物體的影像。
為了保留色彩,感光乳劑分為三層,各層分別加入對紅、綠、藍光感光的增感劑及成色劑,最終洗片時通過三層疊加還原真實世界的色彩。
作為取代膠片的CIS芯片,其本質(zhì)處理的是電信號,那么它又是如何完成類似膠片的感光過程并保存為圖像的呢?這個就要從CIS芯片的構(gòu)成講起了。
在具體介紹CIS芯片構(gòu)成之前,先普及一下CIS芯片能夠成像的基本邏輯:真實世界的物理量一般都是連續(xù)變化的,比如溫度、比如汽車的加速……為了描述這些信息,會將其進行量化,量化后的物理量就會變成一系列不連續(xù)的數(shù)據(jù)(就是常說的模數(shù)轉(zhuǎn)換),最終這些數(shù)據(jù)可用于芯片的處理。
對于CIS芯片,為了表征、處理現(xiàn)實世界的圖像,同樣需要對圖像進行量化:量化的方式是從二維平面角度將圖像分割,分割后的區(qū)塊就是大家熟悉的像素,每一個像素攜帶指定位置的顏色、亮度、透明度等信息。同樣一副圖像,量化像素越多,單個像素面積越小,像素攜帶的信息就越接近原始信息,圖像的還原度就會越高。
為了記錄各個像素點的圖像信息,CIS芯片中設(shè)計了一個像素陣列,每個像素單元都包含一個光電二極管(類似膠片乳劑中的溴化銀),用以實現(xiàn)將對應(yīng)像素的光信號轉(zhuǎn)換為電信號,最終通過AD采樣轉(zhuǎn)換為量化的數(shù)字信號,其內(nèi)部構(gòu)成如下圖所示。
這其中CIS對于色彩的記錄與膠片實現(xiàn)原理類似:膠片是通過紅、綠、藍三層乳劑逐層光照顯影記錄, CIS芯片通過分光的形式分別來記錄同一個像素中紅、綠、藍的亮度。
具體的CIS芯片電路構(gòu)成及信號流程如下圖所示:
首先,景物通過成像透鏡聚焦到圖像傳感器像素陣列,每個像素中的光敏二極管將其陣列表面的光強轉(zhuǎn)換為電信號。
然后通過行選擇電路和列選擇電路選取希望操作的像素,并將像素上的電信號讀取出來,放大后送相關(guān)雙采樣CDS電路處理(相關(guān)雙采樣是高質(zhì)量器件用來消除圖像信號中干擾),然后信號輸出到模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器上變換成數(shù)字信號,輸入到ISP中進行初步圖像處理。
最終通過各類接口輸出到顯示屏、存儲卡中用以顯示和保存。
從上圖可以看出,與一般數(shù)字芯片不同,CIS芯片本身包含模擬電路和數(shù)字電路,功能上則要實現(xiàn):
? 光信號轉(zhuǎn)換成電信號
? 電信號做放大、去噪處理(光電轉(zhuǎn)換的電信號比較圍繞,需要放大)
? 電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號
? 數(shù)字信號處理(BLC、DPC等)
? 最后需要將處理后的數(shù)字信號輸出到存儲、顯示單元
因此,對于CIS芯片的測試,處理常規(guī)的電性測試外,還需要針對圖像類的參數(shù)進行驗證,比如感光度、動態(tài)范圍等等。
? 感光度ISO
用來表示CIS芯片的感光能力,當(dāng)ISO數(shù)值愈大時,感光度就愈大
? 噪聲特性
作為電子器件,CMOS圖像傳感器上殘存的能量以及運作環(huán)境溫度(運行時間過長)升高會產(chǎn)生自然噪聲,這些噪聲會被紀(jì)錄在拍攝的影像畫面中。
? 動態(tài)范圍
CIS的動態(tài)范圍標(biāo)準(zhǔn)定義為:傳感器最大的非飽和信號與暗條件下噪聲均方差之比。具有較寬動態(tài)范圍的傳感器可以探測更寬的場景照度范圍,從而可以得到具有更多細節(jié)的圖像,簡單來說就是圖像中同時存在明、暗場景時芯片能夠還原的程度。
這些相關(guān)參數(shù)的測試,都需要進行圖像的抓取和分析,因此對CIS芯片的測試,一般都包括DC測試、Function測試和Image測試,以下是總體的示意圖,具體如何進行測試,我們在下一篇詳細展開介紹。
圖像抓取及分析