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  CIS芯片全稱是CMOS image sensor互補(bǔ)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(jī)、相機(jī)、汽車電子、安防等多個(gè)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(jī)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(jī)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(dá)蓋爾于1839年制成了第一臺實(shí)用的銀版照相機(jī)，經(jīng)過幾十年的優(yōu)化在1878年柯達(dá)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(jī)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(jī)Mavica正式拉開了數(shù)碼相機(jī)的序幕。

  回到前序——CIS作為數(shù)碼相機(jī)的核心，取代了傳統(tǒng)相機(jī)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(shí)的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生潛影(依據(jù)光照形狀及強(qiáng)度產(chǎn)生不同厚度的銀)以保留現(xiàn)實(shí)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(lán)光感光的增感劑及成色劑，最終洗片時(shí)通過三層疊加還原真實(shí)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(gè)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(shí)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(jìn)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(shí)世界的圖像，同樣需要對圖像進(jìn)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(gè)像素?cái)y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(gè)像素面積越小，像素?cái)y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(gè)像素點(diǎn)的圖像信息，CIS芯片中設(shè)計(jì)了一個(gè)像素陣列，每個(gè)像素單元都包含一個(gè)光電二極管(類似膠片乳劑中的溴化銀)，用以實(shí)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(shí)現(xiàn)原理類似：膠片是通過紅、綠、藍(lán)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(gè)像素中紅、綠、藍(lán)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(gè)像素中的光敏二極管將其陣列表面的光強(qiáng)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(jìn)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(shí)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(jìn)行驗(yàn)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(shí)，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(yùn)作環(huán)境溫度(運(yùn)行時(shí)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(xì)節(jié)的圖像，簡單來說就是圖像中同時(shí)存在明、暗場景時(shí)芯片能夠還原的程度。

  這些相關(guān)參數(shù)的測試，都需要進(jìn)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(jìn)行測試，我們在下一篇詳細(xì)展開介紹。

       圖像抓取及分析