车载摄像头 - Sensor 篇

上一篇《车载摄像头 – 智能汽车的眼睛》跟大家总体性地介绍了车载摄像头，接下来我会带着大家深入到摄像头里面，逐一介绍里面重要组成的半导体器件，看看这些器件的工作原理与作用，本篇重点介绍光电转换器件 - Sensor 感光器件。

Sensor 感光器件又称图像传感器，是一种将光学图像转换成电子信号的半导体器件，是数字摄像头的重要组成部分；1873 年，科学家 Joseph May 和 Willoughby Smith 发现了硒元素结晶体感光后能产生电流，由此，打开了电子影像技术发展的潮流，随着技术的演进，目前图像传感器主要有 CCD 和 CMOS 两种。

 

一 CCD 图像传感器

     CCD（Charge-Coupled Device），电荷藕合器件；诞生于 1970 Bell 实验室，依靠其高量子效率、高灵敏度、低噪声等性能特点，在早期的数码相机领域是无可争议的霸主。
                                           

图1 CCD 图像传感器及在数码相机上的应用

     1.1 CCD 图像传感器结构
     ① Pixels：像素矩阵，由光敏元件组成。
     ② Shift Register：并信号寄存器，用于暂存感光后产生的电荷。
     ③ Transfer Register：串行信号寄存器，用于暂存并行寄存器的模拟信号并将电荷转移到放大器。
     ④ Output Amplifier：信号放大器，用于放大微弱信号。
     ⑤ A/D Converter：模数转换器，将放大的模拟电信号转换成数字信号。
                                                                                                                                                      图2 CCD 图像传感器结构

     1.2 CCD 图像传感器工作原理       ① 信号电荷的产生与存储
      CCD 最基本的单元是 MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）光敏元，由金属、绝缘层、半导体构成。当受到光线照射时，在光子的作用下，半导体内产生电子-空穴对，这时出现的光生电子 被电容势阱（VG加正向偏压后在半导体内形成）俘获。这种光生电子作为反映光强的载体（电荷包）被收集，实现图像传感器的光电变换过程，每个电荷包对应一个像素。

      经过上述流程，CCD 图像传感器将一幅空间域分布的光学图像变换成一列按时间域分布的离散信号电压，最后通过读出电路、A/D 转换电路，把信号送到数字处理器做进一步的数据预处理，最后从相机处理单元输出得到一幅数字图像。

      1.3 彩色 CCD 成像原理

      CCD 图像传感器成像质量好，但制造工艺复杂，价格相对较高，并且功耗也高，因此，随着技术的提高和厂商的多方投入，后起之秀 CMOS 图像传感器在性能与价格的综合权衡下，更受到市场的认可，在大多数可见光成像应用中，CMOS 逐渐取代了 CCD，在车载摄像头领域也主要采用 CMOS 图像传感器。

二 CMOS 图像传感器

     2.1 CMOS 图像传感器结构

     COMS 图像传感器是模拟电路和数字电路的集成，主要包括像素阵列、时序控制、模拟信号处理以及模数转换等模块，模块功能如下：

     ① Active Pixel Sensor：像素阵列，完成光电转换，将光子转换成电子。

     ② Clock and Timing Control：控制电信号的读出与传递。

     ③ Analog-to-Digital Conversion：模数转换电路。

     2.2 CMOS 图像传感器基本工作原理

     ② 像素阵列的信号读出：在传感器曝光完后，行选择逻辑单元根据需要，将一行一行地激活像素阵列中的行选址晶体管，选通相应的行像素单元，行像素单元内的图像信号通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元以及 A/D 转换器。

     2.3 CMOS 图像传感器彩色成像原理

     与CCD 的相似，CMOS 图像传感器在所有像素上覆盖特定的颜色滤镜，让每个像素按 Bayer 阵列获取红、绿、蓝光线信息，最后通过特定算法还原出彩色图像。目前 CMOS 图像传感器的像素结构正从背照式向堆栈式发展，目的是为了让有效感光面积尽量大，以获取更好的成像质量。

三 图像传感器主要参数

     CCD 和 CMOS 图像传感器的主要参数有像素、帧率、感光度、靶面尺寸、信噪比和曝光时间。

     ① 像素：传感器中每一个感光单元对应着一个像素，所以像素越多，代表它能够感测到的物体细节越多，从而图像越清晰。

     ② 帧率：帧率代表单位时间所记录或者播放的图片的数量，根据人的视觉系统，当图片的播放速度大于 15幅/S 的时候，人眼就基本看不出来图片的跳跃，在达到 24~30 幅/S 时，人眼就基本感觉不到画面闪烁。

     ③ 感光度：感光度代表通过传感器的相关电子线路感应入射光线的强弱。感光度越高，感光面对光的敏感度就越强，快门速度就越高。

     ④ 靶面尺寸：即图像传感器感光部分的大小，一般用英寸来表示，通常这个数据指的是传感器的对角线长度。靶面越大，通光量越好，靶面越小，则比较容易获得更大的景深。

     ⑤ 信噪比：指的是信号电压对于噪声电压的比值，单位为 dB。一般摄像机给出的均为 AGC 关闭时的值，典型值为 45~55dB，信噪比越大说明对噪声控制越好。

     ⑥ 曝光时间：控制传感器的感光时间，感光越长，信号电荷积累时间也越长，输出电流的幅值也越大。强光下拍摄，需要短曝光，而弱光下则需要长曝光。

 

四 CMOS 图像传感器技术在车载领域的发展趋势

     与 CCD 相比，CMOS 图像传感器在功耗、体积、成像速度及制造成本方面有着不可比拟的优势，因此在资金、技术方面获得了巨大的支持。发展至今，CMOS 图像传感器的成像质量已大大得到了提升，逐步赶上了 CCD 的水平。在车载领域上，为符合使用环境的苛刻要求，CMOS 图像传感器正朝着更高性能的方向发展。

     ① HDR：高动态范围成像，是用来实现比普通数位图像技术更大曝光动态范围，大部分应用要求大于 120dB。

     ③ Global Shutter：全局快门，主要应用于驾驶员监控，为了监控人眼球的快速运动，以及与 IR 闪光同步，需要全局快门技术配合，精确捕捉快速运动的画面。

     ④ Sensitivity：高灵敏度，车载摄像头的低光性能是一个重要技术指标，传感器的高灵敏度可以降低对 Lens 最大光圈的要求，从而降低模组成本。

     ⑤ CFA：彩色滤色矩阵，目前在车载图像传感器领域上有 RGGB、RCCB、RCCC、RYYC、RCCG、RGBIR 几种常见的 CFA。不同的 ISP 处理能力，对 CFA 有不同的选择。

     ⑥ Frame Rate：帧率，环视应用需求在 30 帧左右，前视与流媒体后视镜等应用上需要 60 帧以上。

 

     本篇详细地跟大家介绍了 Sensor 图像传感器，随着汽车自动驾驶技术的发展，相信 CMOS 图像传感器技术又将迎来一波高速的发展。下一篇，我将会带着大家去了解摄像头里的另一个重要器件 – ISP（图像信号处理器），请继续关注大大通，让我们一起解锁车载摄像头。

     谢谢您的阅读！待续……

 

附录：参考文献

[1] 蔡文贵，李永远，许振华.CCD技术及应用.北京:电子工业出版社，1992

[2] 米本和也著，陈榕庭等译.CCD/CMOS图象传感器基础与应用.科学出版社，2006

[3] Albert THEUWISSEN. CMOS Image Sensors : State-Of-The-Art and Future Perspectives. ESSDERC 2007 - 37th European Solid State Device Research Conference

[4] Junichi Nakamura etc. Image Sensors and Signal Processing for Digital Still Cameras. 2006. Taylor & Francis

[5] M. Bigas, E. Cabruja. Review of CMOS image sensors. 2006

[6] 西南证券的研究报告《摄像头芯片，CMOS图像传感器(CIS)行业报告》，2019