温度传感器是指能感受温度并转换成电信号输出的传感器。在日常生活以及各个行业的应用场景中都需要用到温度传感器。温度传感器通常由温度感测元件和信号处理电路组成。
别名: 传感器
环境光传感器的原理和测试
打开手机或平板的“屏幕亮度自动调节”功能后,当环境光变暗或变亮时,电子设备的屏幕亮度也会相应的变暗或变亮。要实现这种功能,环境光传感器在其中起到了核心作用。01 原理介绍环境光传感器(Ambient Light Sensor,缩写为ALS,以下简称为光感),是一种模拟人眼对可见光响应机制的光学器件。光感主要对400~700nm范围内的可见光有感应,能够匹配人眼的需求,当环境光出现变化时,光感可以实时检测当前光照强度,处理器从而动态调整显示器亮度,使人眼始终保持最舒适的状态。目前各家光感的的原理和构成基本一致,主要包括光学滤波模块、光电二极管、放大电路、ADC电路和数字处理模块。光学滤波模块主要通过镜片油墨等方式尽量滤除掉红外光,只保留可见光的进入。光电二极管则是将可见光强度信息转化为对应的电流/电压信号并送入后级电路处理,最终输出数字信号给SOC。02 主要参数在对光感进行选型和设计的时候,我们需要关注光感器件的一些重点参数。通常情况下,需要重点关注的参数有:FOV、分辨率、动态范围、角度响应、线性度,以及对不同色温光源的响应精度(在第3部分测试内容中介绍)。如下图则是某一光感器件光学参数列表。1)FOVFOV(Field of View),即视场角。为了确保器件能够有效检测到光线,环境光必须在处在一定的入射角之内,整机设计中,结构组件需要参考光感的FOV来设计镜片和开孔等,避免应外部遮挡而影响检测范围。2)分辨率主要用来表征光感器件的灵敏度特性,为了在暗光环境下,光感仍能保持较好的检测灵敏度,通常需要光感的分辨率<0.5lux,一般的光感器件都能满足这个需求。3)动态范围在晴朗的室外环境下,光照强度通常达到10万lux,而夜晚的光线照度则小于1lux。为了在这两种极端光线情况下能准确调节显示屏的亮度,需要光感能正常检测对应的环境光照度。光感能检测的环境光照度最大和最小值即为光感检测的动态范围。4)角度响应这是指光感对于不同角度的入射光的响应程度,其结果以类似如下的曲线来表示。通常要求整机情况下,45°测试照度值至少为0°时的一半。5)线性度随着环境光强度的变化,光感通过其光电转换器,会输出相应幅度的电信号。线性度则是用来衡量输入环境光强度和对应的电信号线性关系的参数,线性度越好,才能月准确地测得环境光强度。03 测试内容1)产线校准+测试因为sensor、整机结构部件、透光部分部件的差异,每台整机出厂前都需要对光感进行校准,以达到在均匀光照环境中,光感检测到的数据和标准照度计读出的数据尽量一致的目的。校准的时候,通常需要准备一个功率可调的光源灯箱(比如U30)和一个标准照度计,然后按照如下步骤进行校准:A、在某一位置上,先用标准照度计将光源照度调整至某一固定值,目前光感厂商推荐400lux。B、在照度计相同位置上,待校准设备获取此时的照度数据,记为X。C、软件将 K=标准照度数据 / X 的比值保存到相应节点中,即为光感的校准系数。D、实际检测时,光感最终反馈给上层的照度数据为:Y=K*光感的Raw Data(光感原始数据)。按照上述步骤完成光感的校准之后,还需要对光感进行测试,验证其准确性。设置灯箱达到某一照度,比如1000lux,此时光感反馈到上层的最终数据误差必须达到设定的标准(根据各家厂商规范,通常需要满足10%~20%的误差要求)。2)不同光源的测试为了保证设备在不同光源下,能都具有较好的感光效果,因此需要对我们日常生活中可能碰到的各种环境光进行测试,比如太阳光、冷暖光灯等。通常需要测试的光源类型如下:标准光源色温模拟环境光类型A光源2856K展厅射灯HZ光源2300K水平日光D50光源5000K太阳光U30光源3000K美国暖白商店灯光CWF光源4100K美国冷白商店灯光TL84光源4000K欧洲、日本、中国商店灯光D65光源6500K国际标准人工日光当然,依据各家的测试标准,还有其他的参数需要测试,比如色温和照度半角测试等,比较简单,这里就不详述了。以上就是本期分享的所有内容啦,欢迎大家持续关注,更多干货正在快马加鞭地赶来。为了方便更多硬件行业的同学交流、学习。免费扫描右侧二维码进群,交流更多行业技术、资讯、经验!● 电源● 信号完整性和电源完整性● 运算放大器● 往期干货全集点赞、分享、在看,就是对我最大的支持!
图像传感器主要指标解析
Resolution(Number of Pixels)分辨率/像素数量MP:Mega Pixel,兆像素(百万像素)常见的有0.3M、1M、2M、5M、13M、20M、40M、100M(1亿像素)等。像素数量和分辨率是两个密不可分的重要概念,它们的组合方式决定了图像的数据量,同样大小的图像,分辨率越高,包含的像素越多。像素总数是指所有像素的总和,像素总数是衡量CMOS图像传感器的主要技术指标之一。CMOS图像传感器的总体像素中被用来进行有效的光电转换并输出图像信号的像素为有效像素。有效像素总数隶属于像素总数集合。有效像素数目直接决定了CMOS图像传感器的分辨能力。上图是SONY一款20MCMOS图像传感器的像素数量,分别给出了总的像素总数、有效的像素总数。Optical Format光学尺寸光学尺寸越大,则成像系统的尺寸越大,捕获的光子越多,感光性能越好,信噪比越高(感谢Roger指正)。目前CMOS图像传感器的常见尺寸有1、2/3、1/2、1/3、1/4英寸等(点击链接参考前文《图像传感器尺寸概述》)。Pixel Size像素尺寸芯片像元阵列上的每个像素的实际物理尺寸,通常的尺寸包括14um、10um、9um、7um、6.45um、3.75um、3.0um、2.0um、1.75um、1.4um、1.2um、1.0um等。像元尺寸从某种程度上反映了芯片的对光的响应能力,像元尺寸越大,能够接收到的光子数量越多,在同样的光照条件和曝光时间内产生的电荷数量越多。对于弱光成像而言,像元尺寸是芯片灵敏度的一种表征(点击链接参考前文《小像素图像传感器特点》)。Output Format输出格式1.RAW(或RAWRGB)CMOS图像传感器输出的原始图像格式是RAW。RAW图像就是CMOS图像感应器将捕捉到的光源信号转化为数字信号的原始数据。RAW文件是一种记录了数码相机传感器的原始信息,同时记录了由相机拍摄所产生的一些原数据(Metadata,如ISO的设置、快门速度、光圈值、白平衡等)的文件。RAW是未经处理、也未经压缩的格式,可以把RAW概念化为“原始图像编码数据”或更形象的称为“数字底片”。2.RGBRGB565,每个像素用16位表示,RGB分量分别使用5位、6位、5位(常用也就是上说的RGB)。RGB555,每个像素用16位表示,RGB分量都使用5位(剩下1位不用)。RGB24,每个像素用24位表示,RGB分量各使用8位。RGB32,每个像素用32位表示,RGB分量各使用8位(剩下8位不用)。ARGB32,每个像素用32位表示,RGB分量各使用8位(剩下的8位用于表示Alpha通道值)。3.YUVYUV三个字母中,其中”Y”表示明亮度(Luminance或Luma),也就是灰度值。而”U”和”V”表示的则是色度(Chrominance或Chroma),作用是描述影像色彩及饱和度,用于指定像素的颜色。YUV存储格式有两大类,planar(平面格式)和packed(打包格式)(点击链接参考前文《颜色空间概述》)。Max Frame Rate最大帧率帧率指的是单位时间所记录或者播放的图片的数量,连续播放一系列图片就会产生动画效果,根据人类的视觉系统,当图片的播放速度大于15幅/秒的时候,人眼就基本看不出来图片的跳跃。在达到24幅/s~30幅/s时就已经基本觉察不到闪烁现象了。每秒的帧数或者帧率表示CMOS图像传感器在处理图像时每秒钟能够更新的次数。高的帧率可以得到更流畅、更逼真的视觉体验(点击链接参考前文《帧率基础知识》)。Output Interface输出接口MIPI,移动行业处理器接口,是MIPI联盟发起的为移动应用处理器制定的开放标准。串行数据,速度快,抗干扰,主流输出接口(点击链接参考前文《MIPI_D_PHY基础知识概述》)。LVDS,低压差分信号技术接口。DVP,并口传输,速度较慢,传输的带宽低。Parallel,并行数据,含12位数据信号,行场同步信号和时钟信号。HISPI,高速像素接口,串行数据。SLVS-EC,由SONY公司定义,用于高帧率和高分辨率图像采集,它可以将高速串行的数据转化为DC(Digital Camera)时序后传递给下一级模块VICAP(Video Capture)。SLVS-EC串行视频接口可以提供更高的传输带宽,更低的功耗,在组包方式上,数据的冗余度也更低。在应用中SLVS-EC接口提供了更加可靠和稳定的传输(点击链接参考前文《SLVS-EC接口概述》)。CRA主光线角度从镜头的传感器一侧,可以聚焦到像素上的光线的最大角度被定义为主光角(CRA),镜头轴心线附近接近零度,与轴心线的距离越大,角度也随之增大。CRA与像素在传感器的位置是相关的。如果lens的CRA小于CMOS Sensor的CRA,一定会有偏色现象。lens的CRA一般略大于CMOS Sensor的CRA(点击链接参考前文《LENS和SENSOR CRA不匹配造成的品红光班及其测试》)。Sensitivity灵敏度灵敏度是CMOS图像传感器的重要参数之一。它具有两种物理意义,一种是光器件的光电转换能力,与响应率的意义相同,即芯片的灵敏度,指在一定的光谱范围内,单位曝光量的输出信号电压(电流),单位可以为nA/Lux(纳安/勒克斯)、V/W(伏/瓦)、V/Lux(伏/勒克斯)、V/lm(伏/流明)。另一种是指器件所能传感的对地辐射功率(或照度),与探测率的意义相同,单位可用W(瓦)或Lux(勒克斯)表示。Sensitivity常作为sensor暗光表现的常用指标(点击链接参考前文《图像传感器之QE》)。Dynamic Range动态范围动态范围由CMOS图像传感器的信号处理能力和噪声决定,反映了CMOS图像传感器的工作范围。FWC(Full-Well Capacity),光电二极管的电容能够积累的最大电荷量称为满阱容量。上式主要指的是Sensor本身的动态范围,最终成像的动态范围要涉及到ISP等处理过程,公式更复杂(点击链接参考前文《宽动态图像传感器的技术流派》)。SNR信噪比噪声是影响CMOS传感器性能的首要问题。SNR是用来衡量sensor某一时刻输出的图片质量,并不是表达sensor能力。噪声包括固定图形噪声FPN(Fixed pattern noise)、暗电流噪声、热噪声等。固定图形噪声产生的原因是一束同样的光照射到两个不同的像素上产生的输出信号不完全相同。对付固定图形噪声可以应用双采样或相关双采样技术。动态范围和信噪比是最容易被误解和误用的参数。动态范围是最大势阱容量和最低读出噪声的比值,它之所以引起误解,是因为读出噪声经常不是在典型的运行速度下测得的,而且暗电流散粒噪声也常常没有被计算在内。信噪比主要决定于入射光的亮度级(事实上,在亮度很低的情况下,噪声可能比信号还要大)。所以,信噪比应该将所有的噪声源都考虑在内,有些资料中常常忽略散粒噪声,而它恰恰是中、高信号电平的主要噪声来源(点击链接参考前文《图像噪声概述》)。Spectral Response Characteristic光谱响应特性CMOS图像传感器的信号电压Vs和信号电流Is是入射光波长λ的函数。光谱响应特性就是指CMOS图像传感器的响应能力随波长的变化关系,它决定了CMOS图像传感器的光谱范围。Chroma色彩滤波阵列RGGB,一个红光、一个蓝光、两个绿光滤波器。每个像素只能感应一种颜色的光,但是当对外输出的时候,需要知道这个像素的RGB值,就只能通过周围像素去计算,这个计算和转换是靠ISP去完成的,进而得出这个像素的RGB的值。这样每个像素虽然只感应了一种光,但是每个像素经过处理后传输到外面后就是有RGB的信息了。这些原始的感光数据成为RAWdata。RCCC,75%为透射,其余25%为只感受红光的滤波器。RCCC的优点是光灵敏度高,适用于弱光环境。由于RCCC只有红色光滤波器,因此主要用在对于红色标识敏感的场合,比如交通灯检测。RCCB,50%为透射,其余红光蓝光滤波器各占25%。RCCB的弱光敏感性比RCCC稍差,但分辨色彩的能力更好,采集的图像既可以用于机器分析,也可以用于人眼观察。Mono,100%透射。Mono不能分辨色彩。Mono配置的弱光灵敏度最高,仅用于对颜色无识别要求的场合,如驾驶员状态检测等。RGB NIR,把RGGB中的一个G换成了NIR。Shutter快门Global Shutter(全局快门)与Rolling Shutter(卷帘快门)对应全局曝光和卷帘曝光模式。卷帘快门逐行曝光的方式,全局快门是全部像素同时曝光,所以全局快门能够拍运动的物体而不产生形变,因为全局快门在每一个像素上添加了一个存储单元(点击链接参考前文《图像传感器分类》)。Package封装CSP,芯片级封装,芯片感光面被一层玻璃保护,CSP对灰尘点要求相对低点sensor表面如果还有灰尘点可以返工修复,制程设备成本较低、制程时间短,但是光线穿透率不佳、价格较贵、高度较高、背光穿透鬼影现象。COB,将裸芯片用导电或非导电胶粘附在互连基板上,然后进行引线键合实现其电连接。COB可将镜片、感光芯片、ISP以及软板整合在一起,封装测试后可直接交给组装厂,但是制作过程中容易遭受污染,对环境要求较高,制程设备成本较高、良品率变动大、制程时间长,无法维修等。BGA,球形触点陈列,表面贴装型封装。球柵网格阵列封装。LGA,平面网格阵列封装。PGA,插针网格阵列封装。Fan-out,扇出晶圆级封装。PLCC,带引线的塑料芯片载体.表面贴装型封装。Pixel Technology像素技术FSI(Front side illumination),前照式,光是从前面的金属控制线之间进入,然后再聚焦在光电检测器上。BSI(Back side illumination),背照式,光线从背面入射进入感光区,无需穿过金属互连层。BSI在低照条件下的成像亮度和清晰度都比FSI有更大的优势。传统的CMOS图像传感器是FSI,自上而下分别是透镜层、滤色片层、线路层、感光元件层。采取这个结构时,光线到达感光元件层时必须经过线路层的开口,这里易造成光线损失。而BSI把感光元件层换到线路层的上面,感光层只保留了感光元件的部分逻辑电路,这样使光线直接的进入感光元件层,减少了光线损失。因此在同一单位时间内,单像素能获取的光能量更大,对画质有明显的提升。不过BSI的芯片生产工艺难度加大,良率下降,成本相对高一点。堆栈式(stack),堆栈式是在背照式上的一种改良,是将所有的线路层挪到感光元件的底层,使开口面积得以最大化,同时缩小了芯片的整体面积。对产品小型化有帮助。另外,感光元件周边的逻辑电路移到底部之后,理论上看逻辑电路对感光元件产生的效果影响就更小,电路噪声抑制得以优化,整体效果应该更优。相同像素的堆栈式芯片的物理尺寸是比背照式芯片的要小的。但堆栈式的生产工艺更大,良率更低,成本更高。Quad Bayer阵列(四合一像素技术),就是将四个同色像素排列在一起,形成一个大的像素。
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