CMOS图像传感器内部结构及工作原理

Cmos sensor stack (以手机相机为例)、sensor floorplan （平面构造图）、光子（Photon）与量子效率（quantum efficiency）、与量子效率QE有关的几个重要概念、感光过程、读取过程、Sensor动态范围、Sensor时序、Noise in Sensor、Crosstalk 对 noise的影响。

1. CMOS sensor内部结构

如上的构造和堆栈类似，光线进入物镜、通过IR cut(过滤掉红外光)、进入Micolens (sensor 每个像素上都有一个微镜头，更利于聚光)、ColorFilter(用来过滤出光线中的R\G\B颜色分量的滤光板)、透射到Sensor Array（像素阵列，是bayer格式）、最后是PCB电路板；

2. CMOS sensor整个平面构造图（floorplan）

Optical Black：光遮断黑电平，用金属遮盖住这一部分的光线，让其完全不感光，体现出的颜色就是Optical black；

Dummy border: 不用的一部分像素；

Power management：电源管理模块；

Control/processing/memory：有OTP、....

READOUT：输出电路，把感光元器件的感光值变为数字值，给读出来；

每个有效像素都是下图中的结构（反向偏置的感光二极管+MOS电容），当在二极管上施加反向偏置电压时，他就变成了一个电容，加反向电压就是给电容充电，在二极管里面形成电荷，对于这种光电二极管来说，当反向充电充满后，由于光子的摄入，会导致内部激发出新的电子和供缺对，与原来充电形成的电子和供缺对进行配对放电，形成电流（l_ph），由于光子的激发产生的光电流，光电流经过右边的电容器累计电荷进行充电的动作，把电流变成电压输出出去，这就是一个基本的感光元件的基本结构，不止camear sensor，其他光谱产品也是用的类似结构；

3.光子（Photon）与量子效率(quantum efficiency)

自然界中有不同频率的光线，如果我们简单来说分成RGB三种频率的光线，由于RGB的频率不同，所载有的能量也是不同的，以蓝光子为例，所载有的能量为4.41E-19焦耳，单个光子的能量E=hc/普朗克常量，那么一束光子的能量就等于所有光子能量的总和Total_Power=sum_of(all photons)。量子效率QE定义为，在一个camera sensor里面，经过color filter透射过来的光子转变成电荷的的效率，如果透射过来三个光子，产生出来一个电子空穴对，那么这个效率就是1/3。

光子能量：E=h（普朗克宏量）* c（光速）/ λ（光的波长）

总能量：Total_Power=sum_of (all photons) 所有光子能量的和；

量子效率：QE=1/3 in this case (如上图，3个光子形成1个电荷)；

4.与量子效率QE有关的几个重要概念

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，在不同的波长上QE是不一样的。

camera sensor可以感受近红外的波段，这个不符合人眼视觉的感受的，需要用IR cut把近红外的波段去除掉，否则红色通道感光就会过强，这样出来的图像就会偏红。

像素不能够被一个颜色的光激发的现在叫crosstalk，理想情况crosstalk为0。

sensitivity感光度：同样的光子能够激发出的电荷

sensitivity=QE*pixel_size QE越高激发出来的电荷越多，pixel_size越大激发出来的电荷越多

5.感光过程

充电：先对光电二极管进行充电，N是电子，P是空穴（模拟电路中的两种载流子，带有负电荷和正电荷），当对二极管施加反向电压时，就相当于对二极管的容性进行充电，在二极管上就形成了如图，上面4个电子，下面4个空穴；

感光：当有光子进来时，光电二极管进行光电效应，就会激发一个电子和空穴的配对，就会与原来存在的电子和空穴进行融合（正负融合）就形成了光电流，光电流在mos电容上面形成充电效应，就会产生一个电压的变化，如果原来是0，现在增加的就是△V；

放电：从二极管的角度来看，电荷数也就是电子数和空穴数变少了（光子激发了电子和空穴的配对），△Q(电荷变化) =Ne (光子数) * e (单个电荷的能量) * QE (光电转换效率）;Q (电容)= V * C(电容的大小)，△V =△Q/C (电容处输出的电压，对应上了电荷的变化，也就是把光电效应和输出电压联系起来了，实现了光子到电压的转换，后面会再有进一步的电路再去处理电压值）；