技術(shù)前沿：CCD、COMS圖像傳感器——機(jī)器視覺(jué)之眼

圖像傳感器的定義及分類

圖像傳感器是一種將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)的設(shè)備，它被廣泛地應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)和其他電子光學(xué)設(shè)備中。早期的圖像傳感器采用模擬信號(hào)，如攝像管，隨著數(shù)碼技術(shù)、半導(dǎo)體制造技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，市場(chǎng)和業(yè)界都面臨著跨越各平臺(tái)的視訊、影音、通訊大整合時(shí)代的到來(lái)，勾劃著未來(lái)人類的日常生活的美景。

圖像傳感器上有許多感光單元，它們可以將光線轉(zhuǎn)換成電荷，從而形成對(duì)應(yīng)于景物的電子圖像。而在傳感器中，每一個(gè)感光單元對(duì)應(yīng)一個(gè)像素(Pixels)，像素越多，代表著它能夠感測(cè)到更多的物體細(xì)節(jié)，從而圖像就越清晰，像素越高，意味著成像效果越清晰。圖像傳感器是利用光電器件的光電轉(zhuǎn)換功能將感光面上的光像轉(zhuǎn)換為與光像成相應(yīng)比例關(guān)系的電信號(hào)。與光敏二極管，光敏三極管等“點(diǎn)”光源的光敏元件相比，圖像傳感器是將其受光面上的光像，分成許多小單元，將其轉(zhuǎn)換成可用的電信號(hào)的一種功能器件。

圖像傳感器產(chǎn)品主要分為CCD、CMOS傳感器兩種。

高性能CCD圖像傳感器

1969年，沃勒德?保爾(Willard Boyle)與喬治?艾沃德?史密斯(George E. Smith)于美國(guó)電報(bào)電話公司的貝爾實(shí)驗(yàn)室(AT&T Bell Labs)發(fā)明了電荷耦合組件(Charge Coupled Device，CCD)。1970年，二人把記述CCD發(fā)明的技術(shù)文章提交到《貝爾系統(tǒng)技術(shù)期刊》(Bell System Technical Journal)。他們開(kāi)發(fā)CCD的原意是把它用于建構(gòu)內(nèi)存裝置。不過(guò)，保爾和史密斯1970年的研究出版后，其它科研人員開(kāi)始把有關(guān)技術(shù)試作于其它方面的應(yīng)用。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)CCD具有相較攝影膠片高100倍的感光能力，因而可以用于拍攝高分辨率的遙距圖像。

CCD圖像傳感器是按一定規(guī)律排列的MOS（金屬—氧化物—半導(dǎo)體）電容器組成的陣列。在P型或N型硅襯底生長(zhǎng)一層很薄（約120NM）的二氧化硅，再在二氧化硅薄層上依次序沉積金屬或摻雜多晶硅電極（柵極），形成規(guī)則的MOS電容器陣列，再加上兩端的輸入及輸出二極管就構(gòu)成了CCD芯片。

【基本結(jié)構(gòu)】

CCD基本結(jié)構(gòu)分為兩部分：

1.MOS（金屬—氧化物—半導(dǎo)體）光敏元陣列

電荷耦合器件是在半導(dǎo)體硅片上制作成百上千（萬(wàn)）個(gè)光敏元，一個(gè)光敏元又稱一個(gè)像素，在半導(dǎo)體硅平面上光敏元按線陣或面陣有規(guī)則地排列。MOS電容器是構(gòu)成CCD的最基本單元。

2.讀出移位寄存器

【電荷耦合器件的工作原理】

【分辨率】

分辨率是指CCD有多少像素，也就是CCD上有多少感光組件，分辨率是圖像傳感器的重要特征。（像素 分辨率長(zhǎng)寬數(shù)值相乘，如：640X480=307200，就是30W像素）

CCD分辨率主要取決于CCD芯片的像素?cái)?shù)。

其次，還受到傳輸效率的影響。高度集成的光敏單元可以獲得高分辨率。但光敏單元的尺寸的減少將導(dǎo)致靈敏度的降低。

【CCD圖像器件結(jié)構(gòu)】

CCD作為圖像敏感器使用時(shí)，其基本結(jié)構(gòu)及工作方式有以下三種：

1.線陣CCD

圖像從垂直于器件像元排列的方向掃描以記錄在線陣的CCD上，讀出時(shí)，每個(gè)成像的CCD像元，將電荷包轉(zhuǎn)移到移位寄存器的一個(gè)單元（一個(gè)字，而不是一位），沿水平方式快速讀出。

2.面陣幀轉(zhuǎn)移CCD

成像單元與移位單元整幀地分開(kāi)。在成像的積分時(shí)間內(nèi)，CCD像元的一半面積記錄圖像，然后，在回掃時(shí)間內(nèi)快速轉(zhuǎn)移到擋光的另一半面積的像元（位移寄存單元）上。對(duì)后一半像元以常規(guī)視頻速率讀出的同時(shí)，下一幀圖像的積分開(kāi)始進(jìn)行。

3.面陣行轉(zhuǎn)移CCD

每?jī)尚谐上駟卧g都夾有一行不透明的移位寄存單元，在成像時(shí)間內(nèi)，傳輸門(mén)關(guān)閉，電荷包在成像單元上積分，不向寄存單元轉(zhuǎn)移，已轉(zhuǎn)移到寄存單元上的前一幀圖像以視頻速率讀出。當(dāng)傳輸門(mén)開(kāi)啟時(shí)，每行成像單元存儲(chǔ)的圖像電荷同時(shí)轉(zhuǎn)移到對(duì)應(yīng)的行間讀出寄存器上。

【信號(hào)傳輸原理圖】

線陣CCD信號(hào)傳輸：

面陣CCD信號(hào)傳輸：

【CCD基本工作原理】

基本功能：電荷的存貯和轉(zhuǎn)移

特點(diǎn)：以電荷作為信號(hào)

1.信號(hào)電荷的產(chǎn)生

2.信號(hào)電荷的存儲(chǔ)

當(dāng)金屬電極上加正電壓時(shí)，由于電場(chǎng)作用，電極下P型硅區(qū)里空穴被排斥入地成耗盡區(qū)。對(duì)電子而言，是勢(shì)能很低的區(qū)域，稱“勢(shì)阱”。有光線入射到硅片上時(shí)，光子作用下產(chǎn)生電子——空穴對(duì)空穴被電場(chǎng)作用排斥出耗盡區(qū)，而電子被附近勢(shì)阱（俘獲），此時(shí)勢(shì)阱內(nèi)吸的光子數(shù)與光強(qiáng)度成正比。

3.電荷轉(zhuǎn)移原理

CCD電荷耦合器件是以電荷為信號(hào)；

讀出位移寄存器也是MOS結(jié)構(gòu)；

有三個(gè)十分鄰近的電極組成一個(gè)耦合單元，在三個(gè)電極上分別施加脈沖波三相時(shí)鐘脈沖。

4.電荷耦合信號(hào)輸出

CCD信號(hào)電荷的輸出的方式主要有電流輸出、電壓輸出兩種，以電壓輸出型為例：有浮置擴(kuò)散放大器（FDA）、浮置柵放大器（FGA）

讀出

CCD是當(dāng)今圖像傳感器的主流技術(shù)，也是技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的可見(jiàn)光圖像傳感器，以其光譜響應(yīng)寬、動(dòng)態(tài)范圍大、靈敏度和幾何精度高、噪聲低、分辨力高、便于進(jìn)行數(shù)字化處理和與計(jì)算機(jī)連接等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，其在工業(yè)測(cè)控中也得到了廣泛應(yīng)用。

一、CCD的特點(diǎn)

1、高解析度（High Resolution）：像點(diǎn)的大小為m級(jí)，可感測(cè)及識(shí)別精細(xì)物體，提高影像品質(zhì)，從早期1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到現(xiàn)在的1/9寸，像素?cái)?shù)目已從初期的10萬(wàn)多增加的千萬(wàn)像素，以后還有急需增加的趨勢(shì)。

2、低噪聲（Low Noise）高敏感度：CCD具有很低的讀出噪聲和暗電流噪聲，因此有比較高的信噪比（SNR），同時(shí)具有高敏感度0.0003、0.00056LUX甚至0LUX低光度的入射光也能檢測(cè)到，其信號(hào)不會(huì)被噪聲掩蓋，所以CCD的應(yīng)用基本不受氣候限制。

3、動(dòng)態(tài)范圍廣（High Dynamic Range）：通過(guò)數(shù)字處理的CCD信號(hào)，其動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)到400%，專業(yè)級(jí)可達(dá)到600%，可同時(shí)適用于強(qiáng)光和弱光，提高系統(tǒng)環(huán)境的使用范圍，不因亮度差異大而造成信號(hào)反差現(xiàn)象。

4、良好的線性特性曲線（Linearity）：入射光源強(qiáng)度和輸出信號(hào)大小成良好的正比關(guān)系，能很好地反應(yīng)被攝圖像的細(xì)節(jié)層次，降低信號(hào)補(bǔ)償處理成本。

5、光子轉(zhuǎn)換效率高（High Quantum Efficiency）：很微弱的入射光照射都能被記錄下來(lái)，若配合影響增強(qiáng)管及投光器，即使在黑夜遠(yuǎn)處的景物也能拍攝到。

6、大面積感光（Large Field of View）：利用半導(dǎo)體技術(shù)已可制造大面積的D晶片，目前于傳統(tǒng)膠片尺寸相當(dāng)?shù)?5mm的晶片已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用在數(shù)碼相機(jī)中，成為取代專業(yè)光學(xué)相機(jī)的關(guān)鍵元件。

7、光譜響應(yīng)廣：從0.4~1.1μm，能檢測(cè)很寬波長(zhǎng)范圍的光，增加系統(tǒng)使用彈性，擴(kuò)大系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域；根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合，需用濾色片或復(fù)合濾色片。

8、低影像失真：使用CCD感測(cè)器，其圖像處理不會(huì)有失真的情形，使原物體表面信息忠實(shí)的反應(yīng)出來(lái)。

9、體積小、重量輕：CCD具備體積小且重量輕的特性，應(yīng)用廣泛。

10、低耗能，不受強(qiáng)電磁場(chǎng)影響。

11、電荷傳輸效率佳：該效率系數(shù)影響信噪比、解像率，若電荷傳輸效率不佳，影像將變模糊。

12、可大批量生產(chǎn)，品質(zhì)穩(wěn)定，堅(jiān)固，不易老化，使用方便及保養(yǎng)容易。有些燒壞的CCD像素，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的帶電工作后能自我恢復(fù)。

二、CCD在工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

1、可用于對(duì)象幾何量的測(cè)量。幾何量參數(shù)包括：長(zhǎng)、寬、液位、面積等等都可以用CCD傳感器技術(shù)來(lái)測(cè)量。另外，其它如進(jìn)行多尺寸的檢測(cè)和檢查包裝的尺寸、形狀、商標(biāo)位置與方向是否準(zhǔn)確等許多場(chǎng)合也都可以采用CCD技術(shù)。

2、在線模式識(shí)別。如識(shí)別沿自動(dòng)化生產(chǎn)線傳送的分布離散物件或產(chǎn)品、檢測(cè)零件的有無(wú)、裝備在機(jī)器人上作為視覺(jué)系統(tǒng)、以及設(shè)備安裝是否符合要求、位置是否準(zhǔn)確等。

3、物體表面自動(dòng)檢測(cè)。工業(yè)生產(chǎn)中，表面狀況是物體質(zhì)量的一個(gè)重要因素，采用CCD技術(shù)對(duì)物體表面狀況進(jìn)行高精度的檢測(cè)，不僅可以省略以往光學(xué)機(jī)構(gòu)掃描法中的運(yùn)動(dòng)部件，而且檢測(cè)色度高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)小，能自動(dòng)顯示或記錄被檢測(cè)物體的表面狀態(tài)等。因而可應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行檢測(cè)金屬板、塑料、玻璃、紡織等物品的表面缺陷。

4、加工過(guò)程檢測(cè)。因?yàn)镃CD具有高速讀出能力，因而也可以用于加工業(yè)過(guò)程中的檢測(cè)，如機(jī)床加工中的位置測(cè)定是閉環(huán)控制不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)，應(yīng)用CCD技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)加工設(shè)備位置高精度的實(shí)時(shí)控制。

主要CCD 參數(shù)

三種CCD圖像傳感器

CCD的中文全稱是電荷耦合元件，是一種半導(dǎo)體成像器件。通過(guò)被攝物體的圖像經(jīng)過(guò)鏡頭聚焦至CCD芯片上的原理制成了CCD攝像機(jī)，其中的核心原件就是CCD圖像傳感器。

CCD圖像傳感器作為一種新型光電轉(zhuǎn)換器現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于攝像、圖像采集、掃描儀以及工業(yè)測(cè)量等領(lǐng)域。作為攝像器件，與攝像管相比，CCD圖像傳感器有體積小、重量輕、分辨率高、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、光敏元的幾何精度高、光譜響應(yīng)范圍寬、工作電壓低、功耗小、壽命長(zhǎng)、抗震性和抗沖擊性好、不受電磁場(chǎng)干擾和可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)。

CCD是數(shù)碼相機(jī)的電子眼，它革新了攝影術(shù)，光可以被電子化地記錄下來(lái)，取代了膠片。這一數(shù)字形式極大地方便了對(duì)圖像的處理和發(fā)送，”諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)稱贊說(shuō)，“無(wú)論是我們大海中深邃之地，還是宇宙中的遙遠(yuǎn)之處，它都能給我們帶來(lái)水晶般清晰的影像。”

CCD圖像傳感器發(fā)展歷程

CCD圖像傳感器于1969年在貝爾試驗(yàn)室研制成功，之后由日商等公司開(kāi)始量產(chǎn)，其發(fā)展歷程已經(jīng)將近30多年，從初期的10多萬(wàn)像素已經(jīng)發(fā)展至目前主流應(yīng)用的500萬(wàn)像素。CCD又可分為線型(Linear)與面型(Area)兩種，其中線型應(yīng)用于影像掃瞄器及傳真機(jī)上，而面型主要應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)(DSC)、攝錄影機(jī)、監(jiān)視攝影機(jī)等多項(xiàng)影像輸入產(chǎn)品上。

發(fā)明：

伴隨著數(shù)碼相機(jī)、帶有攝像頭的手機(jī)等電子設(shè)備風(fēng)靡全球，人類已經(jīng)進(jìn)入了全民數(shù)碼影像的時(shí)代，每一個(gè)人都可以隨時(shí)、隨地、隨意地用影像記錄每一瞬間。帶領(lǐng)我們進(jìn)入如此五彩斑斕世界的，就是美國(guó)科學(xué)家威拉德·博伊爾和喬治·史密斯發(fā)明的CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器。

百多年來(lái)，伴隨著暗箱、鏡頭和感光材料制作不斷取得突破，以及精密機(jī)械、化學(xué)技術(shù)的發(fā)展，照相機(jī)的功能越來(lái)越強(qiáng)大，使用越來(lái)越方便。但是，直到幾十年前，人們依然只能將影像記錄在膠片上。拍攝影像慢慢普及，但即時(shí)欣賞、分享、傳遞影像還非常困難。1969年，博伊爾和史密斯極富創(chuàng)意地發(fā)明了一種半導(dǎo)體裝置，可以把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，這一裝置，就是CCD圖像傳感器。

發(fā)展歷程：

CCD圖像傳感器的發(fā)明，實(shí)際上是應(yīng)用愛(ài)因斯坦有關(guān)光電效應(yīng)理論的結(jié)果，即光照射到某些物質(zhì)上，能夠引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化。但是從理論到實(shí)踐，道路卻并不平坦。科學(xué)家遇到的最大挑戰(zhàn)，在于如何在很短的時(shí)間內(nèi)，將每一個(gè)點(diǎn)上因?yàn)楣庹斩a(chǎn)生改變的大量電信號(hào)采集并且辨別出來(lái)。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，博伊爾和史密斯終于解決了上述難題。他們采用一種高感光度的半導(dǎo)體材料，將光線照射導(dǎo)致的電信號(hào)變化轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，使得其高效存儲(chǔ)、編輯、傳輸都成為可能。簡(jiǎn)單地說(shuō)，CCD圖像傳感器就像是膠片一樣，有了它，人們就再不用耗時(shí)費(fèi)力地去沖洗膠片了。

三種CCD圖像傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)

CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器體系可分為全幀(FF)、幀傳輸(FT)和行間傳輸(IT)三種CCD架構(gòu)。

全幀(Full-Frame)CCD

半導(dǎo)體區(qū)域既可以作為光電元件，也可以作為電荷轉(zhuǎn)移器件，這有點(diǎn)違反直覺(jué)，但這正是FF CCD中發(fā)生的事情。在集成過(guò)程中，像素位置響應(yīng)入射光子積累電荷，在集成之后，電荷包垂直地通過(guò)像素位置向水平移位寄存器移動(dòng)。

一般情況下，我們通過(guò)應(yīng)用精心定時(shí)的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)獲得CCD像素?cái)?shù)據(jù)，這些時(shí)鐘信號(hào)依次在器件的電荷傳輸結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生電位阱和電位屏障。在全幀CCD中，我們需要能夠?qū)⑦@些控制電壓應(yīng)用到同樣起光電探測(cè)器作用的區(qū)域，因此，柵極電極由透明多晶硅制成。

全幀CCD相對(duì)而言比較簡(jiǎn)單且易于制造，并且它們?cè)试S整個(gè)CCD表面具有光敏性。這使硅的給定區(qū)域中可以包含的像素?cái)?shù)量最大化，同時(shí)也使每個(gè)像素中實(shí)際上能夠?qū)⒐庾愚D(zhuǎn)換為電子的部分最大化。

然而，一個(gè)主要的限制是需要一個(gè)機(jī)械快門(mén)(或一個(gè)同步的、短時(shí)間的光源稱為頻閃)。CCD的光激活區(qū)并不會(huì)因?yàn)槟阋呀?jīng)決定是時(shí)候執(zhí)行讀出而停止光激活。如果沒(méi)有在曝光周期完成后阻擋入射光的機(jī)械快門(mén)，則在(有意)集成期間生成的電荷包將被讀出期間到達(dá)的光損壞。

這是全幀CCD的基本架構(gòu)

幀傳輸(Frame-Transfer)CCD

一般來(lái)說(shuō)，我們更喜歡用電子方式控制曝光，快門(mén)(像任何其他快速移動(dòng)的高精度機(jī)械設(shè)備一樣)使設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，最終產(chǎn)品更加昂貴，整個(gè)系統(tǒng)更容易出現(xiàn)故障。在電池供電的應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)物理物體所需的額外能量也是不可取的。

FT-CCD允許我們保持FF-CCD的一些優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)(幾乎)不需要快門(mén)。這是通過(guò)將FF CCD分成兩個(gè)大小相等的部分來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其中一個(gè)部分是普通的光敏成像陣列，另一個(gè)部分是屏蔽入射光的存儲(chǔ)陣列。

在集成之后，用于所有像素的電荷包被快速地傳輸?shù)酱鎯?chǔ)陣列，然后在存儲(chǔ)陣列中發(fā)生讀出。當(dāng)讀取存儲(chǔ)位置時(shí)，活動(dòng)像素可以為下一圖像累積電荷，這使得幀傳輸CCD能夠獲得比全幀CCD更高的幀速率。

說(shuō)FT架構(gòu)幾乎消除了快門(mén)，因?yàn)闊o(wú)快門(mén)設(shè)計(jì)會(huì)遇到一個(gè)稱為垂直涂抹的問(wèn)題。電荷包從活動(dòng)像素到存儲(chǔ)位置的傳輸很快，但不是瞬間發(fā)生的，因此在垂直傳輸期間到達(dá)傳感器的光可以改變圖像信息。

FT架構(gòu)的主要缺點(diǎn)是成本較高，并且相對(duì)于圖像質(zhì)量而言面積增大，因?yàn)榛旧鲜鞘褂肍F傳感器，然后將像素?cái)?shù)減少兩倍。

幀傳輸CCD在全幀架構(gòu)中增加了一個(gè)存儲(chǔ)陣列

線間傳輸(Interline-Transfer)CCD

我們需要的最后一個(gè)主要的架構(gòu)改進(jìn)是將集成電荷快速轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)區(qū)域，從而將污跡降低到可以忽略的程度。線間傳輸CCD通過(guò)提供與每個(gè)光活動(dòng)位置相鄰的存儲(chǔ)(和傳輸)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。曝光完成后，傳感器中的每個(gè)電荷包同時(shí)傳輸?shù)椒枪饷舸怪币莆患拇嫫髦小?/p>

因此，它的CCD能夠以最小的拖影實(shí)現(xiàn)電子快門(mén)，并且像FT-ccd一樣，它們可以在讀出期間集成，從而保持較高的幀速率能力。然而，如果光生電荷在讀出過(guò)程中從光活性柱泄漏到相鄰的垂直移位寄存器中，則可能發(fā)生一些涂抹。如果應(yīng)用程序不需要高幀速率，則可以通過(guò)延遲積分直到讀出完成來(lái)消除此問(wèn)題。

線間CCD不需要幀傳輸CCD中使用的大存儲(chǔ)部分，但它們引入了一個(gè)新的缺點(diǎn)：傳感器成為將光子轉(zhuǎn)換為電子的效率較低的手段，因?yàn)槊總€(gè)像素位置現(xiàn)在都由光電二極管和垂直移位寄存器的一部分組成。換言之，部分像素對(duì)光不敏感，因此相對(duì)于落在像素區(qū)域上的光的量產(chǎn)生較少的電荷。這種靈敏度的損失通過(guò)在傳感器上添加將入射光集中到每個(gè)像素的光活動(dòng)區(qū)域的微小透鏡而大大減輕，但是這些“微透鏡”有其自身的一系列困難。

在行間傳輸架構(gòu)中，存儲(chǔ)(和垂直傳輸)區(qū)域位于光活性柱之間。

全幀CCD可能看起來(lái)是最“原始”的類型，但它們?nèi)匀皇遣恍枰邘俾实南到y(tǒng)中的首選，并且可以容忍閃光燈或機(jī)械快門(mén)的使用。幀傳輸CCD和線間傳輸CCD具有更多的用途，在某些應(yīng)用中具有關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)。

CMOS圖像傳感器基礎(chǔ)知識(shí)和參數(shù)理解

CMOS圖像傳感器的工作原理：每一個(gè) CMOS 像素都包括感光二極管(Photodiode)、浮動(dòng)式擴(kuò)散層(Floating diffusion layer)、傳輸電極門(mén) (Transfer gate)、起放大作用的MOSFET、起像素選擇開(kāi)關(guān)作用的M0SFET.在 CMOS 的曝光階段，感光二極管完成光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生信號(hào)電荷，曝光結(jié)束后，傳輸電極門(mén)打開(kāi)，信號(hào)電荷被傳送到浮動(dòng)式擴(kuò)散層，由起放大作用的MOSFET電極門(mén)來(lái)拾取，電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。所以這樣的 CMOS 也就完成了光電轉(zhuǎn)換、電荷電壓轉(zhuǎn)換、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換的三大作用，通過(guò)它我們就能把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，最終得到數(shù)字信號(hào)被計(jì)算機(jī)讀取，這樣，我們就已經(jīng)擁有了記錄光線明暗的能力，但這還不夠，因?yàn)槲覀冃枰省，F(xiàn)代彩色CMOS 的原理也很簡(jiǎn)單，直接在黑白圖像傳感器的基礎(chǔ)上增加色彩濾波陣列(CFA)，從而實(shí)現(xiàn)從黑白到彩色的成像。很著名的一種設(shè)計(jì)就是Bayer CFA（拜耳色彩濾波陣列）。

一個(gè)很有趣的事就是，我們用來(lái)記錄光影的 CMOS, 和我們用來(lái)輸出光影的顯示器，原理也剛好是向相反的，CMOS 把光轉(zhuǎn)化為電信號(hào)最后以數(shù)字格式記錄，顯示器把解碼的數(shù)字格式從電信號(hào)重新轉(zhuǎn)化為光。光電之間的轉(zhuǎn)換也就構(gòu)成了我們?nèi)祟悢?shù)字影像的基礎(chǔ)。

DVP：并口傳輸，速度較慢，傳輸?shù)膸挼汀?/section>

Parallel：并行數(shù)據(jù)，含12位數(shù)據(jù)信號(hào)，行場(chǎng)同步信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)。

HISPI:高速像素接口，串行數(shù)據(jù)。

SLVS-EC: 由 SONY 公司定義，用于高幀率和高分辨率圖像采集，它可以將高速串行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為 DC（Digital Camera）時(shí)序后傳遞給下一級(jí)模塊 VICAP（Video Capture）。SLVS-EC 串行視頻接口可以提供更高的傳輸帶寬，更低的功耗，在組包方式上，數(shù)據(jù)的冗余度也更低。在應(yīng)用中 SLVS-EC 接口提供了更加可靠和穩(wěn)定的傳輸。

15、封裝

BGA: 球形觸點(diǎn)陳列，表面貼裝型封裝。球柵網(wǎng)格陣列封裝.

LGA: 平面網(wǎng)格陣列封裝.

PGA: 插針網(wǎng)格陣列封裝.

CSP: 芯片級(jí)封裝的意思.

COB: 將裸芯片用導(dǎo)電或非導(dǎo)電膠粘附在互連基板上，然后進(jìn)行引線鍵合實(shí)現(xiàn)其電連接。

Fan-out：扇出晶圓級(jí)封裝。

PLCC：帶引線的塑料芯片載體.表面貼裝型封裝。

TSV: TSV技術(shù)本質(zhì)上并不是一種封裝技術(shù)方案，而只是一種重要的工具，它允許半導(dǎo)體裸片和晶圓以較高的密度互連在一起。

CMOS圖像傳感器的五大工藝技術(shù)

作者：In-Chul Jeong, SK海力士CIS工藝團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人

CMOS圖像傳感器（CIS）技術(shù)的創(chuàng)新不斷拓展數(shù)字成像的發(fā)展前景，那么，如何才能確保CIS技術(shù)滿足更高級(jí)應(yīng)用的需求呢？本文首先讓我們快速了解一下CIS技術(shù)的工作原理，然后再重點(diǎn)介紹CIS獨(dú)有的五種制造工藝技術(shù)。

CMOS圖像傳感器（CIS）技術(shù)的創(chuàng)新不斷拓展數(shù)字成像的發(fā)展前景，其需求最初由智能手機(jī)廠商推動(dòng)，因?yàn)樵鰪?qiáng)的照相功能可以讓他們的設(shè)備區(qū)別于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。現(xiàn)在，CIS在汽車、安全、醫(yī)療和制造領(lǐng)域的市場(chǎng)也在不斷增長(zhǎng)。

微型CMOS圖像傳感器的功能可與人眼視網(wǎng)膜媲美，如今更可以與大型昂貴的照相設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)。相比智能手機(jī)，新的應(yīng)用更加強(qiáng)調(diào)對(duì)先進(jìn)CIS技術(shù)的需求。

CIS技術(shù)不僅可以捕獲人眼能看到的圖像，而且還可以捕獲數(shù)據(jù)以支持許多新用例，從自動(dòng)駕駛車輛和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR），到下一代醫(yī)學(xué)成像和高科技監(jiān)視系統(tǒng)。

圖1：對(duì)先進(jìn)CIS技術(shù)的需求來(lái)自多種應(yīng)用。（來(lái)源：SK Hynix）

那么，如何才能確保CIS技術(shù)滿足更高級(jí)應(yīng)用的需求呢？首先，讓我們快速了解一下CIS技術(shù)的工作原理，然后再重點(diǎn)介紹CIS獨(dú)有的五種制造工藝技術(shù)，這些技術(shù)均需要不斷地改進(jìn)。

CIS工作原理

從最基本的層面上講，CIS用來(lái)將相機(jī)鏡頭的光轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，以創(chuàng)建可見(jiàn)的圖像。當(dāng)波長(zhǎng)范圍為400至700nm的可見(jiàn)光光能被聚集在硅襯底的光電二極管（PD）上時(shí)，CMOS圖像傳感器的硅表面將接收該光能，從而形成電子-空穴對(duì)。

在此過(guò)程中生成的電子通過(guò)浮動(dòng)擴(kuò)散（FD）轉(zhuǎn)換為電壓，然后再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。最后，數(shù)據(jù)被發(fā)送到處理器，以創(chuàng)建可視的數(shù)字描述，通常為圖像。

CIS制造技術(shù)

生產(chǎn)這種復(fù)雜傳感器需要特定的制造技術(shù)，通常分為五類。

1.  深光電二極管形成工藝技術(shù)

由于消費(fèi)者對(duì)圖像質(zhì)量不斷提出更高的需求，導(dǎo)致了業(yè)界的競(jìng)爭(zhēng)加劇，各廠商爭(zhēng)相提高移動(dòng)CIS中的像素密度和分辨率，這種競(jìng)爭(zhēng)反過(guò)來(lái)又進(jìn)一步加速了CIS工藝技術(shù)的發(fā)展。為實(shí)現(xiàn)更高的圖像質(zhì)量，像素尺寸需要進(jìn)一步減小，以便在相同大小的芯片上容納更多的像素。

圖2：光電二極管結(jié)構(gòu)變化以及像素尺寸不斷減小的示意圖。（來(lái)源：SK Hynix）

為了避免圖像質(zhì)量的下降，深光電二極管的作用極為關(guān)鍵。為了在小像素中確保有足夠的滿阱容量（FWC），它的構(gòu)圖和實(shí)施技術(shù)難度級(jí)別遠(yuǎn)超現(xiàn)有的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。為此，必須遵循高寬比率不斷提高的行業(yè)趨勢(shì)，確保掩模工藝技術(shù)達(dá)到超過(guò)15：1的高寬比，以阻止高能離子注入。

2.  像素-像素隔離工藝技術(shù)

對(duì)高清CIS來(lái)說(shuō)，像素間彼此隔離的技術(shù)至關(guān)重要。不同的芯片制造商會(huì)采用不同的隔離技術(shù)，但如果隔離技術(shù)不佳，將可能導(dǎo)致圖像缺陷，例如混色和散色。

越來(lái)越高的像素密度和分辨率成為普遍的需求，隔離便成為CIS市場(chǎng)中圖像質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)。除此之外，隔離工藝還會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題。因此，業(yè)界正在努力選擇更好的設(shè)備，并開(kāi)發(fā)新的解決方案以提高良品率和產(chǎn)品質(zhì)量。

3. 彩色濾光片陣列（CFA）工藝技術(shù)

彩色濾光片陣列（CFA）是CIS領(lǐng)域獨(dú)有的一種工藝，它在半導(dǎo)體存儲(chǔ)工藝中并不常見(jiàn)。CFA工藝通常包括一個(gè)彩色濾光片（CF）和一個(gè)微透鏡（ML），濾光片將入射光根據(jù)各自波長(zhǎng)范圍過(guò)濾為紅色、綠色和藍(lán)色，而微透鏡則提高聚光效率。為了獲得穩(wěn)定的圖像質(zhì)量，需要評(píng)估R/G/B彩色材料，并研究出可以優(yōu)化形狀和厚度等參數(shù)的技術(shù)。

最近，一系列高質(zhì)量且功能強(qiáng)大的CIS產(chǎn)品出現(xiàn)在市場(chǎng)上。它們基于Quad Bayer等技術(shù)，且輔以CFA的基本形式。

圖3：彩色濾光片陣列由彩色濾光片和微透鏡組成。（來(lái)源：SK Hynix）

4.晶圓堆疊工藝技術(shù)

晶圓堆疊（即將兩個(gè)晶圓粘貼在一起）是生產(chǎn)高像素和高清晰度CIS產(chǎn)品的一項(xiàng)重要技術(shù)。對(duì)于高像素CIS產(chǎn)品，像素陣列和邏輯電路分別在單個(gè)晶圓上形成，然后在處理過(guò)程中采用晶圓鍵合技術(shù)將它們連接起來(lái)。

圖4：晶圓堆疊極大地提升了CIS的性能。（來(lái)源：SK Hynix）

大多數(shù)CIS芯片制造商已經(jīng)采用了晶圓堆疊技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)的各個(gè)方面仍在持續(xù)改進(jìn)中。

5. CIS良率和質(zhì)量控制技術(shù)

CIS產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和批量生產(chǎn)過(guò)程中最基本的要求之一是對(duì)金屬污染的控制。由于CIS產(chǎn)品對(duì)污染的敏感度是存儲(chǔ)產(chǎn)品的幾倍，而且污染直接影響產(chǎn)品良率與質(zhì)量，因此必須采用各種污染控制技術(shù)。

除此之外，等離子體損傷控制也很重要。由于在工藝過(guò)程中造成的損壞會(huì)導(dǎo)致圖像性能下降（如熱像素），因此有必要對(duì)關(guān)鍵工藝進(jìn)行精確管理。

CIS的未來(lái)前景

毫不夸張地說(shuō)，對(duì)于由CIS驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用，其有效性將取決于工藝技術(shù)。而且，各種工藝相互交互的方式也有很大影響。僅僅優(yōu)化制造工藝的某一方面是不夠的，各種工藝必須全部?jī)?yōu)化才能實(shí)現(xiàn)有機(jī)互補(bǔ)。

不過(guò)，回報(bào)是巨大的。從制造業(yè)到醫(yī)療保健服務(wù)，再到監(jiān)控，幾乎每個(gè)領(lǐng)域都可以利用CIS新技術(shù)來(lái)改善。擁有對(duì)這個(gè)世界更豐富、更詳盡的視野，各行各業(yè)的公司都將能夠創(chuàng)建更智能、更先進(jìn)的產(chǎn)品和服務(wù)，從而使終端客戶和整個(gè)社會(huì)受益。

視覺(jué)系統(tǒng)CCD和CMOS傳感器原理應(yīng)用對(duì)比，兩者有什么區(qū)別？

作為電子設(shè)備的“眼睛”，圖像傳感器近年來(lái)成為市場(chǎng)矚目的焦點(diǎn)，成為半導(dǎo)體行業(yè)炙手可熱的一大領(lǐng)域。目前，CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器（CIS）是被普遍采用的兩種圖像傳感器。

我們所拍攝到的畫(huà)面由很多個(gè)小的點(diǎn)組成，每個(gè)點(diǎn)就是一個(gè)像素。顯然，像素?cái)?shù)越多，畫(huà)面就會(huì)越清晰，如果CCD沒(méi)有足夠的像素的話，拍攝出來(lái)的畫(huà)面的清晰度就會(huì)大受影響。因此，CCD的像素?cái)?shù)量應(yīng)該越多越好。但是為了得到更好的畫(huà)質(zhì)而增加了CCD的像素?cái)?shù)后又必定會(huì)導(dǎo)致一個(gè)問(wèn)題，那就是CCD制造成本的增加以及成品率下降。

CMOS憑借低成本、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、尺寸小、功耗低、高集成度等優(yōu)勢(shì)，迅速在民用消費(fèi)電子市場(chǎng)完成對(duì)CCD的替代，目前市場(chǎng)份額已超過(guò)99%，而CCD僅在衛(wèi)星、醫(yī)療等專業(yè)領(lǐng)域繼續(xù)使用。

CMOS本是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)一種重要的芯片，保存了系統(tǒng)引導(dǎo)最基本的資料。CMOS的制造技術(shù)和一般計(jì)算機(jī)芯片沒(méi)什么差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導(dǎo)體，使其在CMOS上共存著帶負(fù)電的N極和帶正電的P極的半導(dǎo)體，這兩個(gè)一正一負(fù)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片紀(jì)錄和轉(zhuǎn)換成影像。后來(lái)發(fā)現(xiàn)CMOS經(jīng)過(guò)加工也可以作為數(shù)碼攝影中的圖像傳感器。

CCD是應(yīng)用在攝影攝像方面的高端技術(shù)元件，CMOS則應(yīng)用于較低影像品質(zhì)的產(chǎn)品中，它的優(yōu)點(diǎn)是制造成本較CCD更低，功耗也低得多，這也是市場(chǎng)很多采用USB接口的產(chǎn)品無(wú)須外接電源且價(jià)格便宜的原因。盡管在技術(shù)上有較大的不同，但CCD和CMOS兩者性能差距不是很大，只是CMOS攝像頭對(duì)光源的要求要高一些，但該問(wèn)題已經(jīng)基本得到解決。CCD元件的尺寸多為1/3英寸或者1/4英寸，在相同的分辨率下，宜選擇元件尺寸較大的為好。

CMOS在鏡頭中的應(yīng)用

與CCD相比，CMOS具有體積小，耗電量不到CCD的1/10，售價(jià)也比CCD便宜1/3的優(yōu)點(diǎn)。CMOS是標(biāo)準(zhǔn)工藝制程，可利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體設(shè)備，不需額外的投資設(shè)備，且品質(zhì)可隨著半導(dǎo)體技術(shù)的提升而進(jìn)步。同時(shí)，全球晶圓廠的CMOS生產(chǎn)線較多，日后量產(chǎn)時(shí)也有利于成本的降低。另外，CMOS傳感器的最大優(yōu)勢(shì)，是它具有高度系統(tǒng)整合的條件。理論上，所有圖像傳感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移暫存器、時(shí)序控制、CDS、ADC…等，都可放在集成在一顆晶片上，甚至于所有的晶片包括后端晶片（Back-end Chip）、快閃記憶體（Flash RAM）等也可整合成單晶片（SYSTEM-ON-CHIP），以達(dá)到降低整機(jī)生產(chǎn)成本的目的。

因工作原理不同，CMOS相比于CCD天然在圖像質(zhì)量方面處于劣勢(shì)。原因主要在于兩個(gè)方面：首先，CMOS的每個(gè)像素都帶有信號(hào)放大器，相互之間難以保持一致，因此容易形成噪點(diǎn)，而CCD由于是在器件邊緣出口位置統(tǒng)一放大信號(hào)，一致性更強(qiáng)，因此信噪比優(yōu)勢(shì)明顯；其次，CMOS每個(gè)像素中的信號(hào)放大器擠占了感光元件面積，因此靈敏度受限很大，而CCD的像素點(diǎn)中基本全部是感光元件，靈敏度明顯更高。 

CCD與CMOS原理差別

然而，通過(guò)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不斷創(chuàng)新以及圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，CMOS相對(duì)于CCD在圖像質(zhì)量上的差距在過(guò)去被不斷縮小。具體來(lái)看，2008年前后，Omni Vision和索尼相繼發(fā)布背照式CMOS產(chǎn)品，通過(guò)將金屬排線層和光電二極管的前后位置調(diào)換，擴(kuò)大了CMOS中單像素點(diǎn)的有效感光面積，帶來(lái)器件靈敏度的大幅提升（以SONY的Exmor R系列為例，靈敏度提升至傳統(tǒng)CMOS的兩倍）。

傳統(tǒng)式與背照式的原理區(qū)別

 背照式CMOS靈敏度明顯提升

之后索尼又在 2012 年推出堆棧式CMOS技術(shù)，可使整顆組件在同尺寸規(guī)格下得到更多的空間來(lái)獲得更大面積的感光范圍。

我們最后總結(jié)對(duì)比一下：

①傳統(tǒng)CMOS感光元件成像過(guò)程：光線先通過(guò)最上方的電路，然后再進(jìn)入感光層進(jìn)行成像，由于光線先經(jīng)過(guò)電路層，部分光線會(huì)反射回去，導(dǎo)致進(jìn)光量減少。 

②背照式感光元件就將部分電路放到了像素層的下面，但仍有部分是在像素層上的，那么這樣光線就首先經(jīng)過(guò)像素層再經(jīng)過(guò)電路，進(jìn)光量就大大提升了，而且還能通過(guò)在下方的電路進(jìn)行對(duì)照片的的優(yōu)化。 

③堆棧式感光元件完全把電路層放到了像素層的下方，這樣的進(jìn)光量會(huì)更加大，使得在暗的環(huán)境中拍攝到亮度更高的照片。 

傳統(tǒng)式、背照式、堆棧式對(duì)比圖

CMOS圖像傳感器產(chǎn)業(yè)鏈主要由上游的芯片設(shè)計(jì)企業(yè)，中游的晶圓代工廠、封裝企業(yè)和下游的模組廠商及終端客戶組成。CMOS對(duì)供應(yīng)鏈的拉動(dòng)，在上、下、中游都有體現(xiàn)。 

圖像傳感器產(chǎn)品類型 

圖像傳感器兩種主要的成像技術(shù)是CCD（電荷耦合器件）和CMOS。一般來(lái)看，CCD具有更低的噪聲，更好的像素間均勻性，并且以較佳的圖像質(zhì)量而享有盛譽(yù)。CMOS傳感器則提供了更高的集成度-降低了電路設(shè)計(jì)人員的工作復(fù)雜度-并降低了功耗。

還有一些其他類型的傳感器，比如NMOS傳感器用于光譜學(xué)，微型測(cè)光儀提供紅外熱成像的靈敏度，而特殊應(yīng)用可能會(huì)使用連接到定制放大器電路的光電二極管陣列。

產(chǎn)品特點(diǎn) 

CCD圖像傳感器作為攝像器件，與攝像管相比，具有有體積小、重量輕、功耗小、壽命長(zhǎng)、工作電壓低、靈敏度高、分辨率高、動(dòng)態(tài)范圍寬、光敏元的幾何精度高、光譜響應(yīng)范圍寬、抗震性和抗沖擊性好、不受電磁場(chǎng)干擾等一系列優(yōu)點(diǎn)。 

與CCD相比，CMOS具有體積小、耗電量低、售價(jià)較低的優(yōu)點(diǎn)。與CCD產(chǎn)品相比，CMOS是標(biāo)準(zhǔn)工藝制程，可利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體設(shè)備，不需額外的投資設(shè)備，且品質(zhì)可隨著半導(dǎo)體技術(shù)的提升而進(jìn)步。值得注意的是，全球晶圓廠的CMOS生產(chǎn)線較多，量產(chǎn)時(shí)也有利于成本的降低。

應(yīng)用領(lǐng)域 

CCD又可分為線型（Linear）與面型（Area）兩種，其中線型應(yīng)用于影像掃瞄器及傳真機(jī)上，而面型主要應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)（DSC）、攝錄影機(jī)、監(jiān)視攝影機(jī)等多項(xiàng)影像輸入產(chǎn)品上。CCD圖像傳感器除了大規(guī)模應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)外，還廣泛應(yīng)用于攝像機(jī)、掃描儀，以及工業(yè)領(lǐng)域等。 

在搭建機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)時(shí)我們首要考慮的是圖像傳感器，如何選擇我們需要了解CCD和CMOS圖像傳感器之間的區(qū)別。 可能你更經(jīng)常聽(tīng)到CMOS術(shù)語(yǔ)。 那么，什么是CCD和CMOS圖像傳感器 ，它們有什么不同呢？

【圖像傳感器CCD和CMOS技術(shù)性能對(duì)比】

固體圖像傳感器(也稱固體光電成像器件)有CCD與CMOS兩種。CCD是“電荷耦合器件”(Charge Coupled Device)的簡(jiǎn)稱，而CMOS是“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”(Complementary Metal Oxide Semiconductor)的簡(jiǎn)稱。

1.信息讀取方式的對(duì)比

CCD光電成像器件存貯的電荷信息，需要在二相或三相或四相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)脈沖的控制下，一位一位地實(shí)施轉(zhuǎn)移后逐行順序讀取。

而CMOS光電成像器件的光學(xué)圖像信息經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生電流或電壓信號(hào)，這個(gè)電信號(hào)不需要像CCD那樣逐行讀取，而是從CMOS晶體管開(kāi)關(guān)陣列中直接讀取的，可增加取像的靈活性。而CCD絕無(wú)此功能。

2.速度的對(duì)比

由上知，CCD成像器件需在二、三、四相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)脈沖的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，所以速度較慢。

而CMOS成像器件在采集光電圖像信號(hào)的同時(shí)就可取出電信號(hào)，它并能同時(shí)處理各單元的圖像信息，所以速度比CCD成像器件快得多。由于CMOS成像器件的行、列電極可以被高速地驅(qū)動(dòng)，再加上在同一芯片上做A/D轉(zhuǎn)換，圖像信號(hào)能快速地取出，因此它可在相當(dāng)高的幀速下動(dòng)作。如有些設(shè)計(jì)用來(lái)做機(jī)器視覺(jué)的CMOS，聲稱可以高達(dá)每秒1000個(gè)畫(huà)面的幀速。

3.電源及耗電量的對(duì)比

由于CCD的像素由MOS電容構(gòu)成，讀取電荷信號(hào)時(shí)需使用電壓相當(dāng)大(至少12V)的二相或三相或四相時(shí)序脈沖信號(hào)，才能有效地傳輸電荷。因此CCD的取像系統(tǒng)除了要有多個(gè)電源外，其外設(shè)電路也會(huì)消耗相當(dāng)大的功率。有的CCD取像系統(tǒng)需消耗2~5W的功率。

而CMOS光電成像器件只需使用一個(gè)單電源5V或3V，耗電量非常小，僅為CCD的1/8~1/10，有的CMOS取像系統(tǒng)只消耗20~50mW的功率。

4.成像質(zhì)量的對(duì)比

CCD成像器件制作技術(shù)起步早，技術(shù)成熟，采用PN結(jié)或二氧化硅(sio2)隔離層隔離噪聲，所以噪聲低，成像質(zhì)量好。

與CCD相比，CMOS的主要缺點(diǎn)是噪聲高及靈敏度低，因?yàn)镃MOS成像器件集成度高，各光電元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾嚴(yán)重，噪聲對(duì)圖像質(zhì)量影響很大，開(kāi)始很長(zhǎng)一段時(shí)間無(wú)法進(jìn)入實(shí)用。后來(lái)，噪聲的問(wèn)題用有源像素(Active Pixel)設(shè)計(jì)及噪聲補(bǔ)正線路加以降低。近年，隨著CMOS電路消噪技術(shù)的不斷進(jìn)展，為生產(chǎn)高密度優(yōu)質(zhì)的CMOS成像器件提供了良好的條件。已有廠商聲稱，所開(kāi)發(fā)出的技術(shù)，成像質(zhì)量已不比CCD差。

CMOS成像器件的靈敏度低，是因?yàn)橄袼夭糠置娣e被用來(lái)制作放大器等線路。在固定的芯片面積上，除非采用更精細(xì)的制造工藝，否則為了維持相當(dāng)水準(zhǔn)的靈敏度，成像器件的分辨率不能做得太高(反過(guò)來(lái)說(shuō)，固定分辯率的傳感器，芯片尺寸無(wú)法做得太小)。但目前，利用0.18μm 制造技術(shù)己開(kāi)發(fā)出了4096×4096超高分辨率的CMOS圖像傳感器。

總結(jié):

什么是CCD成像傳感器？ 

CCD代表電荷耦合器件。 它是數(shù)字和機(jī)器視覺(jué)相機(jī)中用于捕捉靜止和移動(dòng)物體的一種傳感器。 CCD傳感器捕捉光線，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以轉(zhuǎn)換成圖像。 在CMOS圖像傳感器引入之前，CCD傳感器被工業(yè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)廣泛用于質(zhì)量檢查，檢查和控制。 

什么是CMOS成像傳感器？ 

CMOS代表互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，這是一種為集成電路供電的技術(shù)。 CMOS技術(shù)為當(dāng)今的許多電子設(shè)備提供動(dòng)力，包括電池，微處理器，數(shù)字和智能手機(jī)相機(jī)。 與CCD傳感器不同，CMOS傳感器不需要特殊的制造技術(shù)。 

CCD和CMOS圖像傳感器的區(qū)別 

與較新的CMOS傳感器不同，CCD傳感器需要特殊的制造，而這通常更昂貴。 因此，CCD傳感器通常具有非常高的質(zhì)量和光敏感性，能夠以較低的噪音提供清晰的圖像。 

CMOS傳感器制造和使用大多數(shù)微處理器使用的傳統(tǒng)制造技術(shù)便宜。 他們也被認(rèn)為是更好的能源效率。 根據(jù)Jacob Fraden的“現(xiàn)代傳感器手冊(cè)”，CCD傳感器可以消耗高達(dá)100倍的相對(duì)CMOS圖像傳感器的功率。 

簡(jiǎn)而言之，您很可能會(huì)找到一款配備CCD成像傳感器的相機(jī)，其中光敏度是一個(gè)重要的因素，或者高質(zhì)量，高分辨率的圖像使所有的差異。

區(qū)分 CCD與CMOS圖像傳感器 

由于其功率效率和成本效益，目前大多數(shù)生產(chǎn)環(huán)境使用CMOS傳感器驅(qū)動(dòng)的機(jī)器視覺(jué)相機(jī)。 隨著時(shí)間的推移，技術(shù)也在不斷發(fā)展，CMOS圖像傳感器現(xiàn)在可以生成噪聲較小的圖像。 CMOS傳感器上的每個(gè)像素都有自己的C2V（電荷 - 電壓）轉(zhuǎn)換，因此每個(gè)電荷都以數(shù)字方式輸出。 正因?yàn)槿绱耍珻MOS傳感器在處理速度和功率效率方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)。 

CCD傳感器具有有限數(shù)量的節(jié)點(diǎn)來(lái)轉(zhuǎn)換傳感器上的每個(gè)像素電荷。 這會(huì)導(dǎo)致處理速度變慢。 但是，由于所有的像素都可以用于CCD結(jié)構(gòu)上的光線捕捉，因此整體輸出更加清晰明亮。 

對(duì)于機(jī)器視覺(jué)而言，重要的KPI指處理速度和圖像噪聲。 CMOS傳感器允許每個(gè)像素進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，從而帶寬更低。 或者，高速CCD傳感器不像高速CMOS成像器那樣大規(guī)模并行。 結(jié)果，每個(gè)CCD放大器具有更高的帶寬，導(dǎo)致產(chǎn)生的圖像上更大的噪聲。 這就是為什么大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用都使用最新的CMOS傳感器，這種傳感器可以被設(shè)計(jì)成產(chǎn)生噪聲少得多的圖像。 

CMOS傳感器和GigE Vision 

由于機(jī)器視覺(jué)和自動(dòng)化高度依賴于速度，EMVA引入了符合成像系統(tǒng)的機(jī)器視覺(jué)標(biāo)準(zhǔn)，以確保使用最新技術(shù)加快處理速度。 GigE Vision是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的最新標(biāo)準(zhǔn)，可確保在極高速度下實(shí)現(xiàn)最佳成像。 

然而，CMOS圖像傳感器已經(jīng)進(jìn)一步遵從10 GigE機(jī)器視覺(jué)技術(shù)。 10 GigE Vision是最先進(jìn)的通信協(xié)議，比前一代處理速度高出十倍。 各種CMOS傳感器已被用于制造10 GigE機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，包括最新的Sony Pregius CMOS圖像傳感器

結(jié)合CMOS成像器的低噪聲，高速度和高功效性能，10 GigE機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是旨在滿足超高速和快速移動(dòng)環(huán)境中的成像要求的性能強(qiáng)大的設(shè)備。 

雖然CCD圖像傳感器在市場(chǎng)上已經(jīng)有了更長(zhǎng)的時(shí)間，而且成熟得多，但CMOS傳感器快速發(fā)展使其成為現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器視覺(jué)的首選。

CMOS傳感器的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛，包括手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、視頻會(huì)議、電腦攝像頭、智能型安保系統(tǒng)、汽車倒車視像雷達(dá)等。拿工業(yè)生產(chǎn)來(lái)講，紅外圖像傳感器正在成為許多生產(chǎn)流程中的關(guān)鍵部分。隨著紅外圖像傳感器成本的降低以及各類新技術(shù)的誕生，采用了新架構(gòu)和新算法的傳感器在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮的作用越來(lái)越大，既能節(jié)約成本，又能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 

近年來(lái)對(duì)于CMOS圖像傳感器大的拉動(dòng)，莫過(guò)于智能手機(jī)的普及。隨著CMOS圖像傳感器技術(shù)的進(jìn)步，包括背照式、堆棧式等技術(shù)的興起，以及雙攝像頭設(shè)計(jì)陸續(xù)出現(xiàn)并成為智能手機(jī)的新賣點(diǎn)。 

今后，CMOS圖像傳感器的市場(chǎng)銷售額有望進(jìn)一步增長(zhǎng)。從產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，無(wú)論是CCD還是CMOS，其體積小型化、智能化、高像素化仍是業(yè)界積極研發(fā)的目標(biāo)。將圖像傳感器 激光雷達(dá)組合來(lái)提供解決方案，有望贏得更多汽車廠商的青睞。 

相機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)中，最重要的莫過(guò)于將檢測(cè)目標(biāo)的光學(xué)圖像，聚焦于獲得所有圖像信息的處理與分析。無(wú)論是CCD還是CMOS圖像傳感器，作為視覺(jué)系統(tǒng)中光電轉(zhuǎn)換的核心部件，鏡頭的質(zhì)量直接決定著視覺(jué)系統(tǒng)的整體性能，因此，選擇合適的鏡頭、設(shè)計(jì)成像光路是做好視覺(jué)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)之一。

圖像傳感器科普

來(lái)源：馭勢(shì)資本

1873年，科學(xué)家約瑟·美(Joseph May)及偉洛比·史密夫(WilloughbySmith)就發(fā)現(xiàn)了硒元素結(jié)晶體感光后能產(chǎn)生電流，由此，電子影像發(fā)展開(kāi)始，隨著技術(shù)演進(jìn)，圖像傳感器性能逐步提升。

1.20世紀(jì)50年代——光學(xué)倍增管(Photo Multiplier Tube，簡(jiǎn)稱PMT)出現(xiàn)。

2.1965年-1970年，IBM、Fairchild等企業(yè)開(kāi)發(fā)光電以及雙極二極管陣列。

3.1970年，CCD圖像傳感器在Bell實(shí)驗(yàn)室發(fā)明，依靠其高量子效率、高靈敏度、低暗電流、高一致性、低噪音等性能，成為圖像傳感器市場(chǎng)的主導(dǎo)。

4.90年代末，步入CMOS時(shí)代。

圖像傳感器的歷史沿革——PMT

1.光電倍增管（簡(jiǎn)稱光電倍增管或PMT），真空光電管的一種。工作原理是：由光電效應(yīng)引起，在PMT入射窗處撞擊光電陰極的光子產(chǎn)生電子，然后由高壓場(chǎng)加速，并在二次加工過(guò)程中在倍增電極鏈中倍增發(fā)射。

2.光電倍增管是一種極其靈敏的光檢測(cè)器，可探測(cè)電磁波譜紫外，可見(jiàn)和近紅外范圍內(nèi)光源，提供與光強(qiáng)度成比例的電流輸出，廣泛應(yīng)用于驗(yàn)血，醫(yī)學(xué)成像，電影膠片掃描（電視電影），雷達(dá)干擾和高端圖像掃描儀鼓掃描儀中。

圖像傳感器的歷史沿革——CCD

1.數(shù)字成像始于1969年，由Willard Boyle和George E. Smith于AT＆T貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明。

2.最初致力于內(nèi)存→“充電'氣泡'設(shè)備”，可以被用作移位寄存器和區(qū)域成像設(shè)備。

3.CCD是電子設(shè)備，CCD在硅芯片（IC）中進(jìn)行光信號(hào)與電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，并存儲(chǔ) 為計(jì)算機(jī)上的圖像文件。

4.2009年， Willard Boyle和George E. Smith獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

國(guó)際空間站使用CCD相機(jī)

1.1997年，卡西尼國(guó)際空間站使用CCD相機(jī)（廣角和窄角）

2.美國(guó)宇航局局長(zhǎng)丹尼爾戈?duì)柖》Q贊CCD相機(jī)“更快，更好，更便宜”；聲稱在未來(lái)的航天器上減少質(zhì)量，功率，成本，都需要小型化相機(jī)。而電子集成便是小型化的良好途徑，而基于MOS的圖像傳感器便擁有無(wú)源像素和有源像素（3T）的配置。

圖像傳感器的歷史沿革——CMOS圖像傳感器

1.CMOS圖像傳感器使得“芯片相機(jī)”成為可能，相機(jī)小型化趨勢(shì)明顯。

2.2007年，Siimpel AF相機(jī)模型的出現(xiàn)標(biāo)志著相機(jī)小型化重大突破。

3.芯片相機(jī)的崛起為多個(gè)領(lǐng)域（車載，軍工航天、醫(yī)療、工業(yè)制造、移動(dòng)攝影、安防）等領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新提供了新機(jī)遇。

CMOS圖像傳感器走向商業(yè)化

1.1995年2月，Photobit公司成立，將CMOS圖像傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

2.1995-2001年間，Photobit增長(zhǎng)到約135人，主要包括：私營(yíng)企業(yè)自籌資金的定制設(shè)計(jì)合同、SBIR計(jì)劃的重要支持（NASA/DoD）、戰(zhàn)略業(yè)務(wù)合作伙伴的投資，這期間共提交了100多項(xiàng)新專利申請(qǐng)。

3.CMOS圖像傳感器經(jīng)商業(yè)化后，發(fā)展迅猛，應(yīng)用前景廣闊，逐步取代CCD成為新潮流。

CMOS圖像傳感器的廣泛應(yīng)用

2001年11月，Photobit被美光科技公司收購(gòu)并獲得許可回歸加州理工學(xué)院。與此同時(shí)，到2001年，已有數(shù)十家競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手嶄露頭角，例如Toshiba，STMicro，Omnivision，CMOS圖像傳感器業(yè)務(wù)部分歸功于早期的努力促進(jìn)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化。后來(lái)，索尼和三星分別成為了現(xiàn)在全球市場(chǎng)排名第一，第二。后來(lái)，Micron剝離了Aptina，Aptina被ON Semi收購(gòu)，目前排名第4。CMOS傳感器逐漸成為攝影領(lǐng)域主流，并廣泛應(yīng)用于多種場(chǎng)合。

CMOS圖像傳感器發(fā)展歷程

70年代：Fairchild

80年代：Hitachi

80年代初期：Sony

1971年：發(fā)明FDA&CDS技術(shù)

80年中葉：在消費(fèi)市場(chǎng)上實(shí)現(xiàn)重大突破；

1990年：NHK/Olympus,放大MOS成像儀(AMI)，即CIS

1993年：JPL,CMOS有源像素傳感器，

1998年：?jiǎn)涡酒鄼C(jī)，2005年后：CMOS圖像傳感器成為主流。

CMOS圖像傳感器技術(shù)簡(jiǎn)介

CMOS圖像傳感器

CMOS圖像傳感器（CIS）是模擬電路和數(shù)字電路的集成。主要由四個(gè)組件構(gòu)成：微透鏡、彩色濾光片 （CF）、光電二極管（PD）、像素設(shè)計(jì)。

1.微透鏡：具有球形表面和網(wǎng)狀透鏡；光通過(guò)微透鏡時(shí)，CIS的非活性部分負(fù)責(zé)將光收集起來(lái)并將其聚焦到彩色濾光片。

2.彩色濾光片（CF）：拆分反射光中的紅、綠、藍(lán) （RGB）成分，并通過(guò)感光元件形成拜爾陣列濾鏡。

3.光電二極管（PD）：作為光電轉(zhuǎn)換器件，捕捉光并轉(zhuǎn)換成電流；一般采用PIN二極管或PN結(jié)器件制成。

4.像素設(shè)計(jì)：通過(guò)CIS上裝配的有源像素傳感器(APS)實(shí)現(xiàn)。APS常由3至6個(gè)晶體管構(gòu)成，可從大型電容陣列中獲得或緩沖像素，并在像素內(nèi)部將光電流轉(zhuǎn)換成電壓，具有較完美的靈敏度水平和的噪聲指標(biāo)。

Bayer陣列濾鏡與像素

1.感光元件上的每個(gè)方塊代表一個(gè)像素塊，上方附著著一層彩色濾光片（CF），CF拆分完反射光中的RGB成分后，通過(guò)感光元件形成拜爾陣列濾鏡。經(jīng)典的Bayer陣列是以2x2共四格分散RGB的方式成像，Quad Bayer陣列擴(kuò)大到了4x4，并且以2x2的方式將RGB相鄰排列。

2.像素，即亮光或暗光條件下的像素點(diǎn)數(shù)量，是數(shù)碼顯示的基本單位，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)抽象的取樣，我們用彩色方塊來(lái)表示。

3.圖示像素用R（紅）G（綠）B（藍(lán)）三原色填充，每個(gè)小像素塊的長(zhǎng)度指的是像素尺寸，圖示尺寸為0.8μm。

Bayer陣列濾鏡與像素

濾鏡上每個(gè)小方塊與感光元件的像素塊對(duì)應(yīng)，也就是在每個(gè)像素前覆蓋了一個(gè)特定的顏色濾鏡。比如紅色濾鏡塊，只允許紅色光線投到感光元件上，那么對(duì)應(yīng)的這個(gè)像素塊就只反映紅色光線的信息。隨后還需要后期色彩還原去猜色，最后形成一張完整的彩色照片。感光元件→Bayer濾鏡→色彩還原，這一整套流程，就叫做Bayer陣列。

前照式（FSI）與背照式（BSI）

早期的CIS采用的是前面照度技術(shù)FSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED），拜爾陣列濾鏡與光電二極管（PD）間夾雜著金屬（鋁，銅）區(qū)，大量金屬連線的存在對(duì)進(jìn)入傳感器表面的光線存在較大的干擾，阻礙了相當(dāng)一部分光線進(jìn)入到下一層的光電二極管（PD），信噪比較低。技術(shù)改進(jìn)后，在背面照度技術(shù)BSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED）的結(jié)構(gòu)下，金屬（鋁，銅）區(qū)轉(zhuǎn)移到光電二極管（PD）的背面，意味著經(jīng)拜爾陣列濾鏡收集的光線不再眾多金屬連線阻擋，光線得以直接進(jìn)入光電二極管；BSI不僅可大幅度提高信噪比，且可配合更復(fù)雜、更大規(guī)模電路來(lái)提升傳感器讀取速度。

CIS參數(shù)——幀率

幀率（Frame rate）：以幀為單位的位圖圖像連續(xù)出現(xiàn)在顯示器上的頻率，即每秒能顯示多少?gòu)垐D片。而想要實(shí)現(xiàn)高像素CIS的設(shè)計(jì)，很重要的一點(diǎn)就是Analog電路設(shè)計(jì)，像素上去了，沒(méi)有匹配的高速讀出和處理電路，便無(wú)辦法以高幀率輸出出來(lái)。

索尼早于2007年chuan'gan發(fā)布了首款Exmor傳感器。Exmor傳感器在每列像素下方布有獨(dú)立的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，這意味著在CIS芯片上即可完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，有效減少了噪聲，大大提高了讀取速度，也簡(jiǎn)化了PCB設(shè)計(jì)。

CMOS圖像傳感器的應(yīng)用

CMOS圖像傳感器全球市場(chǎng)規(guī)模

2017年為CMOS圖像傳感器高增長(zhǎng)點(diǎn)，同比增長(zhǎng)達(dá)到20%。2018年，全球CIS市場(chǎng)規(guī)模155億美元，預(yù)計(jì)2019年同比增長(zhǎng)10%，達(dá)到170億美元。

目前，CIS市場(chǎng)正處于穩(wěn)定增長(zhǎng)期，預(yù)計(jì)2024年市場(chǎng)逐漸飽和，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到240億美元。

CIS應(yīng)用——車載領(lǐng)域

1.車載領(lǐng)域的CIS應(yīng)用包括：后視攝像(RVC)，全方位視圖系統(tǒng)(SVS)，攝像機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（CMS），F(xiàn)V/MV，DMS/IMS系統(tǒng)。

2.汽車圖像傳感器全球銷量呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)。

3.后視攝像(RVC)是銷量主力軍，呈穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)，2016年全球銷量為5100萬(wàn)臺(tái)，2018年為6000萬(wàn)臺(tái)，2019年預(yù)計(jì)達(dá)到6500萬(wàn)臺(tái)。

4.FV/MV全球銷量增長(zhǎng)迅速，2016年為1000萬(wàn)臺(tái)，2018年為3000萬(wàn)臺(tái)，此后，預(yù)計(jì)FV/MV將依舊保持迅速增長(zhǎng)趨勢(shì)，預(yù)計(jì)2019年銷量可達(dá)4000萬(wàn)臺(tái)，2021可達(dá)7500萬(wàn)臺(tái)，直逼RVC全球銷量。

車載領(lǐng)域——HDR技術(shù)方法

1.HDR解決方案，即高動(dòng)態(tài)范圍成像，是用來(lái)實(shí)現(xiàn)比普通數(shù)位圖像技術(shù)更大曝光動(dòng)態(tài)范圍。

2.時(shí)間復(fù)用。相同的像素陣列通過(guò)使用多個(gè)卷簾（交錯(cuò)HDR）來(lái)描繪多個(gè)邊框。好處：HDR方案是與傳統(tǒng)傳感 器兼容的最簡(jiǎn)單的像素技術(shù)。缺點(diǎn)：不同時(shí)間發(fā)生的捕獲導(dǎo)致產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽影。

3.空間復(fù)用。單個(gè)像素陣列幀被分解為多個(gè)，通過(guò)不同的方法捕獲：1.像素或行級(jí)別的獨(dú)立曝光控制。優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)螏械倪\(yùn)動(dòng)偽影比交錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)偽影少。缺點(diǎn)：分辨率損失，且運(yùn)動(dòng)偽影仍然存在邊緣。2.每個(gè)像素共用同一微透鏡的多個(gè)光電二極管。優(yōu)點(diǎn)：在單個(gè)多捕獲幀中沒(méi)有運(yùn)動(dòng)偽影；缺點(diǎn)：從等效像素區(qū)域降低靈敏度。

4.非常大的全井產(chǎn)能。

車載領(lǐng)域——閃變抑制技術(shù)

1.多個(gè)集成周期（時(shí)間多路傳輸）。在每個(gè)整合期內(nèi)對(duì)光電二極管充電進(jìn)行多次進(jìn)行采樣，樣品光電二極管比LED源頻率更高。

2.多個(gè)光電二極管（空間多路復(fù)用）。使用較大的光電二極管捕捉較低的輕松的場(chǎng)景；使用較小的不靈敏光電二極管在整個(gè)幀時(shí)間內(nèi)集成（減輕LED閃爍）。

3.每個(gè)像素由兩個(gè)光電二極管構(gòu)成。其中包含一個(gè)大的靈敏光電二極管和一個(gè)小的不靈敏光電二極管，小型不靈敏光電二極管可在整幀中合并，從而減輕LED閃爍。優(yōu)勢(shì)在于有出色的閃變抑制、計(jì)算復(fù)雜度低；劣勢(shì)在于更大更復(fù)雜的像素架構(gòu)、更復(fù)雜的讀數(shù)和電路定時(shí)、大型光電二極管和小型光電二極管和之間的光譜靈敏度不匹配。

車載領(lǐng)域——陣列攝像機(jī)

1.陣列攝像機(jī)是一種新興的攝像機(jī)技術(shù)，是指紅外燈的內(nèi)核為L(zhǎng)ED IR Array的高效長(zhǎng)壽的紅外夜視設(shè)備，可能是可行的LED檢測(cè)解決方案。

2.用于LED檢測(cè)的低靈敏度攝像頭可以實(shí)現(xiàn)圖像融合的組合輸出，并能夠?qū)崿F(xiàn)單獨(dú)輸出，或同時(shí)輸出。主要優(yōu)勢(shì)在于亮度高、體積小、壽命長(zhǎng)，效率高，光線勻。

3.目前，陣列攝像機(jī)還面臨著諸多挑戰(zhàn)。首先，汽車光學(xué)對(duì)準(zhǔn)誤差難以保持溫度范圍；其次，圖像融合面向應(yīng)用和復(fù)雜的計(jì)算；最后，高靈敏度和低靈敏度圖像之間難以融合.

車載領(lǐng)域——機(jī)器視覺(jué)傳感器技術(shù)趨勢(shì)

全局快門(mén)。CMOS傳感器有兩種快門(mén)方式，卷簾快門(mén)和全局快門(mén)。卷簾快門(mén)通過(guò)對(duì)每列像素使用A/D來(lái)提高讀取速度，每列像素?cái)?shù)量可達(dá)數(shù)千。任何一個(gè)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化的像素總數(shù)顯著減少，從而縮短了讀取時(shí)間，提高了幀速率。但整個(gè)傳感器陣列仍必須轉(zhuǎn)換為一個(gè)一次排，這導(dǎo)致每行讀出之間的時(shí)間延遲很小。和機(jī)械式焦平面快門(mén)一樣，卷簾快門(mén)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的物體會(huì)產(chǎn)生明顯的變形。而且因?yàn)槠鋻呙杷俣缺葯C(jī)械式焦平面快門(mén)慢，變形會(huì)更加明顯；全局快門(mén)則大大改善了應(yīng)用于高度運(yùn)動(dòng)對(duì)象時(shí)的變形問(wèn)題。

改進(jìn)的近紅外（NIR）響應(yīng)、高靈敏度濾色片陣列（RCCB）、數(shù)據(jù)加密處理、更高的幀速率、集成傳感和 處理、3D成像。

CIS應(yīng)用——手機(jī)領(lǐng)域

盡管2019智能手機(jī)銷量低迷，手機(jī)圖像傳感器的銷售也可實(shí)現(xiàn)約20％的增長(zhǎng)。

隨著多鏡頭相機(jī)變得越來(lái)越普及，以及傳感器尺寸的增加。未來(lái)所有智能手機(jī)制造商都會(huì)發(fā)布具有比以往更具價(jià)值的傳感器型號(hào)。

手機(jī)領(lǐng)域——手機(jī)攝像頭發(fā)展史

主攝像頭：第一部拍照手機(jī)——智能手機(jī)——雙攝/多攝：2000年，夏普首次推出可拍照的手機(jī)；隨后智能手機(jī)時(shí)代到來(lái)，主攝像頭素質(zhì)不斷提升；目前，雙攝/多攝已成為主流。

前置攝像頭：自拍——3D-sensing：前置攝像頭素質(zhì)同步提升，目前越來(lái)越多廠商加入人臉識(shí)別功能。

手機(jī)領(lǐng)域——手機(jī)攝像模組

攝像模組構(gòu)成:

CMOS——決定照片質(zhì)量的關(guān)鍵因素

手機(jī)領(lǐng)域——主攝像素升級(jí)

手機(jī)領(lǐng)域——CMOS迭代升級(jí)

1.隨著技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的手機(jī)開(kāi)始注重拍照的硬件升級(jí)。攝像頭和CMOS成為了產(chǎn)品突出差異性的賣點(diǎn)之一。拋開(kāi)鏡頭差異，成像質(zhì)量與CMOS大小成正比，主攝像素提升推動(dòng)CMOS迭代升級(jí)。

2.隨著技術(shù)的發(fā)展，手機(jī)的CMOS也在日益增大，1/1.7英寸級(jí)的CMOS如今成為手機(jī)攝像頭傳感器的新選擇。而更多手機(jī)也用上了1/2.3英寸級(jí)的傳感器。

3.作為手機(jī)CMOS最大的上游供應(yīng)商，也研發(fā)出了堆棧結(jié)構(gòu)的CMOS。它在傳統(tǒng)的感光層與底部電路之間增加了一層DRAM動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器，從而讓感光元件具備短時(shí)間拍攝大數(shù)據(jù)量影像的能力。

手機(jī)領(lǐng)域——光學(xué)變焦趨勢(shì)

手機(jī)攝像頭過(guò)去以像素升級(jí)為主；受CMOS尺寸限制，手機(jī)攝像開(kāi)始注重變焦能力。

變焦有光學(xué)變焦與數(shù)碼變焦兩種。光學(xué)變焦通過(guò)光學(xué)原理調(diào)整焦距，成像畫(huà)質(zhì)無(wú)損。數(shù)碼變焦就是通過(guò)軟件算法來(lái)放大/縮小，通過(guò)插值計(jì)算，成像有損，有較多噪點(diǎn)。

為了進(jìn)一步提升手機(jī)成像素質(zhì)，注重變焦能力；而傳統(tǒng)專業(yè)相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)無(wú)法移植到手機(jī)上。手機(jī)變焦往往會(huì)采用“雙攝變焦”，采用兩個(gè)定焦鏡頭，利用其物理焦距的不同，實(shí)現(xiàn)變焦效果；顯然，單攝已經(jīng)無(wú)法滿足對(duì)光學(xué)變焦的需求了。

手機(jī)領(lǐng)域——第四個(gè)攝像頭：3D-sensing

目前主流的3D深度攝像主流有兩種種方案：結(jié)構(gòu)光、TOF。iPhone采用前者，華為采用后置。

結(jié)構(gòu)光（Structured Light）：結(jié)構(gòu)光投射特定的光信息到物體表面后，由攝像頭采集。根據(jù)物體造成的光信號(hào)的變化來(lái)計(jì)算物體的位置和深度等信息，進(jìn)而復(fù)原整個(gè)三維空間。

TOF（Time Of Flight）：TOF系統(tǒng)是一種光雷達(dá)系統(tǒng)，可從發(fā)射極向?qū)ο蟀l(fā)射光脈沖，接收器則可通過(guò)計(jì)算光脈沖從發(fā)射器到對(duì)象，再以像素格式返回到接收器的運(yùn)行時(shí)間來(lái)確定被測(cè)量對(duì)象的距離。

手機(jī)領(lǐng)域——手機(jī)攝像模組數(shù)量

單只手機(jī)攝像模組需求量增加

從傳統(tǒng)的單攝，到雙攝市場(chǎng)滲透率逐漸成為市場(chǎng)主流，再到三攝、全隱藏式攝像頭、3D攝像頭的創(chuàng)新式開(kāi)拓，單只手機(jī)攝像模組的需求看漲。

iPhone X、小米8、OPPO FIND X、三星Galaxy S9 單 只攝像模組需求量均為4,；此外，華為P20 Pro和Mate20  Pro均配備5組攝像模組。

手機(jī)領(lǐng)域——多攝帶動(dòng)CMOS用量提升

根據(jù)Yole的統(tǒng)計(jì)顯示，平均每部智能手機(jī)CMOS圖像傳感器數(shù)量在2024年將達(dá)到3.4個(gè)，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到6.2%。

手機(jī)攝像頭數(shù)量增加，CIS出貨量成倍增長(zhǎng)。為了提高照相畫(huà)質(zhì)，手機(jī)引入了雙攝、甚至三攝、四攝。

安防領(lǐng)域——視頻監(jiān)視技術(shù)發(fā)展歷程

閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展歷程：錄像帶錄像機(jī)（VCR）→數(shù)字視頻錄像機(jī)（DVR）→網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)（NVR）。視頻監(jiān)控系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，性能也不斷升級(jí)。

安防領(lǐng)域——當(dāng)前監(jiān)控?cái)z像機(jī)類型

高清攝像頭中使用的圖像傳感器對(duì)分辨率的要求較高，在60幀/秒等高幀率下能夠?qū)崿F(xiàn)720P或1080P的清晰度。

寬動(dòng)態(tài)范圍攝像機(jī)的芯片上集成寬動(dòng)態(tài)范圍攝像技術(shù)以及圖像處理技術(shù)，能在極暗和極亮環(huán)境下拍攝。

3D立體攝像級(jí)具有在動(dòng)態(tài)光環(huán)境中保持追蹤精度的能力，可與視頻分析技術(shù)配合使用。

3D立體攝像級(jí)具有在動(dòng)態(tài)光環(huán)境中保持追蹤精度的能力，可與視頻分析技術(shù)配合使用。

安防領(lǐng)域——紅外線攝像技術(shù)

紅外線攝像技術(shù)分為被動(dòng)和主動(dòng)兩種類型。

被動(dòng)型：拍攝對(duì)象自身發(fā)射紅外光被攝像機(jī)接受以成像。這類設(shè)備昂貴并且對(duì)周圍環(huán)境不能良好反映，所以在夜視系統(tǒng)中基本不采用。

主動(dòng)型：配置有紅外燈主動(dòng)向外發(fā)射紅外輻射，使紅外攝像機(jī)接收反射回來(lái)的紅外光，增強(qiáng)夜視能力。目前紅外攝像機(jī)基本都配置LED紅外發(fā)光二級(jí)管。

主動(dòng)型紅外攝像機(jī)包含攝像機(jī)、防護(hù)罩、紅外燈、供電散熱單元。它貼切的名稱為紅外線增強(qiáng)攝像機(jī)。感光元件的頻譜足夠?qū)挄r(shí)能對(duì)紅外線到可見(jiàn)光的連續(xù)譜產(chǎn)生感應(yīng)，形成包括紅外線在內(nèi)的光敏感。在普通可見(jiàn)光強(qiáng)下，寬范圍感光元件增加了紅外頻段，在弱光條件下，也能獲得清楚的圖像。

安防領(lǐng)域——紅外光成像

紅外線攝影術(shù)以成像為目標(biāo)。伴隨著電子與化學(xué)科技的進(jìn) 展，紅外線攝像技術(shù)逐漸演化出三個(gè)方向。

1.近紅外線底片：感應(yīng)范圍為波長(zhǎng)700nm～900nm。在成像乳劑中加入特殊染料，利用光化學(xué)反應(yīng)，使這一波域的光變化轉(zhuǎn)為化學(xué)變化從而形成影像。

2.近紅外線電子感光材料：感應(yīng)范圍為波長(zhǎng)700nm～2,000nm。利用含硅化合物晶體的光電反應(yīng)形成電子信號(hào)， 進(jìn)過(guò)進(jìn)一步處產(chǎn)生影像。

3.中、遠(yuǎn)紅外線線感應(yīng)材料：感應(yīng)范圍為波長(zhǎng)3,000nm～14,000nm。需要 使用冷卻技術(shù)和特殊的光學(xué)感應(yīng)器， 加工處理形成電子影像。

安防領(lǐng)域——全球市場(chǎng)規(guī)模

全球紅外攝像機(jī)設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模在2017年近30億美元，其中商用攝像機(jī)市場(chǎng)規(guī)模20億美元，軍用攝像機(jī)市場(chǎng)規(guī)模10億美元。預(yù)計(jì)2016-2022年商用領(lǐng)域紅外攝像機(jī)市場(chǎng)規(guī)模年均復(fù)合增長(zhǎng)率為5.6%，軍用領(lǐng)域的年均復(fù)合增長(zhǎng)率為 8.8%。2022年市場(chǎng)總規(guī)模將近43億美元。

全球安防攝像機(jī)市場(chǎng)銷量在2015年約28萬(wàn)件，其中監(jiān)視攝像機(jī)約8萬(wàn)件，安保系統(tǒng)攝像機(jī)約20萬(wàn)個(gè)。預(yù)計(jì)到2021年安防攝像機(jī)市場(chǎng)銷量約64萬(wàn)件，其中監(jiān)視攝像機(jī)約22萬(wàn)件，年均復(fù)合增長(zhǎng)率為18%，安保系統(tǒng)攝像機(jī)約42萬(wàn)個(gè)，年均復(fù)合增長(zhǎng)率約13%。

圖像傳感器應(yīng)用——醫(yī)療影像

與其他具有更高產(chǎn)量和更高成本敏感性的市場(chǎng)相比，圖像傳感器在醫(yī)療影像市場(chǎng)應(yīng)用有其鮮明的特點(diǎn)：其封裝步驟通常由設(shè)備制造商控制。

圖像傳感器技術(shù)正逐漸在行業(yè)中創(chuàng)造顛覆性力量，從2014年開(kāi)始，市場(chǎng)發(fā)展迅速，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)加劇：韓國(guó)和中國(guó)出現(xiàn)更多新參與者，成為現(xiàn)有大型企業(yè)的潛在障礙，行業(yè)完全整合的可能性降低。

圖像傳感器在醫(yī)療影像市場(chǎng)具有多元應(yīng)用場(chǎng)景：X-ray、內(nèi)窺鏡、分子成像、光學(xué)相干斷層掃描以及超聲成像。

醫(yī)療影像——市場(chǎng)規(guī)模

醫(yī)療成像設(shè)備行業(yè)是一個(gè)巨大的350億美元的市場(chǎng)，2016-2022年預(yù)計(jì)復(fù)合年增長(zhǎng)率達(dá)5.5％。

2016年，醫(yī)療傳感器市場(chǎng)規(guī)模3.5億美元，預(yù)計(jì)2016-2022年復(fù)合增長(zhǎng)率8.3％，到2022年將達(dá)6億美元。

根據(jù)應(yīng)用技術(shù)不同，醫(yī)療圖像傳感器可分為CCD， CIS，a-Si FPD（非晶硅薄膜晶體管平面探測(cè)器），a-Se FPD（非晶硒薄膜晶體管平板探測(cè)器），SiPM（硅光電倍增管）、cMUT（電容微機(jī)械超聲換能器）和pMUT（壓電微機(jī)械超聲換能器）。

醫(yī)療影像——市場(chǎng)規(guī)模

CMOS傳感器憑借其在通過(guò)更小的像素尺寸獲得更高分辨率、降低噪聲水平和暗電流以及低成本方面的優(yōu)越性在醫(yī)療影像領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，未來(lái)市場(chǎng)看漲。

CCD市場(chǎng)保持穩(wěn)定。醫(yī)用a-Si FPD因其簡(jiǎn)單性和大面板內(nèi)置能力仍應(yīng)用廣泛；SiPM專用于分子成像；cMUT用于超聲成像，可提供更高分辨率，更高速度和實(shí)時(shí)3D成像。

醫(yī)療影像——產(chǎn)業(yè)鏈

目前，CMOS圖像傳感器主要應(yīng)用于X-Ray以及內(nèi)窺鏡領(lǐng)域。

CIS醫(yī)療影像應(yīng)用——X-Ray

X射線成像的第一次應(yīng)用是在醫(yī)療領(lǐng)域，由Wilhelm于1895年完成。如今，X射線成像技術(shù)應(yīng)用已拓展到工業(yè)無(wú)損檢測(cè)（NDT）以及安全領(lǐng)域。但醫(yī)療市場(chǎng)仍是X-Ray射線成像的主力應(yīng)用場(chǎng)景。

X-Ray探測(cè)設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模

2018年X射線探測(cè)設(shè)備市場(chǎng)價(jià)值20億美元，預(yù)計(jì)2018-2024年復(fù)合年增長(zhǎng)率5.9％，2024年達(dá)到28億美元。

2018年，醫(yī)療領(lǐng)域市值達(dá)14.8億美元，占比約74%，預(yù)計(jì)2017-2024年復(fù)合增長(zhǎng)率4.5%，2024年市值達(dá)19億美元。

目前，X射線成像幾乎完全基于半導(dǎo)體技術(shù)。使用非晶硅（aSi）和CMOS的平板探測(cè)器占據(jù)了市場(chǎng)的最大份額，其次是硅光電二極管陣列探測(cè)器。預(yù)計(jì)銦鎵鋅氧化物（IGZO）平板將于2021年進(jìn)入市場(chǎng)，直接與aSi和CMOS競(jìng)爭(zhēng)，但CMOS仍然是主流應(yīng)用。

2018年，以CMOS X-Ray成像設(shè)備市場(chǎng)收入2.45億美元，預(yù)計(jì)2024年將增長(zhǎng)到5.1億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率13%。

CIS醫(yī)療市場(chǎng)應(yīng)用——內(nèi)窺鏡

內(nèi)窺鏡檢查不但能以最少的傷害，達(dá)成觀察人體內(nèi)部器官的目的，也能切取組織樣本以供切片檢查，或取出體內(nèi)的異物。二十世紀(jì)末微創(chuàng)手術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步促進(jìn)了內(nèi)窺鏡的應(yīng)用。

普通電子內(nèi)窺鏡：將微型圖像傳感器在內(nèi)窺鏡頂部代替光學(xué)鏡頭，通過(guò)電纜或光纖傳輸圖像信息。電子內(nèi)窺鏡與光纖內(nèi)窺鏡類似，有角度調(diào)節(jié)旋鈕、充氣及沖水孔、鉗道孔、吸引孔和活檢孔等。

CMOS電子內(nèi)窺鏡：照明光源通過(guò)濾色片，變成單色光，單色光通過(guò)導(dǎo)光纖維直達(dá)電子內(nèi)窺鏡前部，再通過(guò)照明鏡頭照在受檢體的器官粘膜。器官粘膜反射光信號(hào)至非球面鏡頭，形成受檢部位的光圖像，CMOS圖像傳感器接收光圖像，將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再由信號(hào)線傳至視頻處理系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)去噪、儲(chǔ)存和再生，顯示在監(jiān)控屏幕上。CMOS電子內(nèi)窺鏡可得到高清晰度圖像，無(wú)視野黑點(diǎn)弊端，易于獲得病變觀察區(qū)信息。

CIS模塊的小型化是其應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備的關(guān)鍵，特別是對(duì)于較小的柔性視頻內(nèi)窺鏡。如喉鏡，支氣管鏡，關(guān)節(jié)鏡，膀胱鏡，尿道鏡和宮腔鏡。

小直徑視頻內(nèi)窺鏡發(fā)展歷程

背面照明（BSI）技術(shù)成功地提高了CIS模塊的靈敏度，使得更小像素成為可能。

新開(kāi)發(fā)的圖像傳感器封裝（如硅通孔（TSV）技術(shù)）可最大限度地減少CIS模塊所需的占位面積。

微電子器件微裝配的進(jìn)步也促進(jìn)了CIS的小型化。

索尼圖像傳感器發(fā)展歷程

發(fā)展CIS以來(lái)，索尼相繼開(kāi)發(fā)出背照式CIS，推出2層/3層堆疊技術(shù)，從數(shù)碼相機(jī)市場(chǎng)切入手機(jī)傳感器市場(chǎng)，搶占市場(chǎng)份額。

索尼圖像傳感器

索尼將CCD推向世界后，一直在不斷創(chuàng)新圖像傳感器。索尼公司正在推動(dòng)小型高性能圖像傳感器的進(jìn)一步發(fā)展：高靈敏度背光CMOS圖像傳感器和堆疊式CMOS圖像傳感器。索尼的圖像傳感器有助于提高全球數(shù)碼相機(jī)的吸引力。索尼圖像傳感器應(yīng)用在相機(jī)，移動(dòng)終端，自動(dòng)駕駛，安防，工業(yè)領(lǐng)域等多個(gè)領(lǐng)域。

索尼Exmor——柱并聯(lián)A/D轉(zhuǎn)換電路

Exmor是索尼2007年推出的一項(xiàng)新技術(shù)，用于片上模擬到數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換，即由傳統(tǒng)的外置ADC升級(jí)為內(nèi)置ADC。

外置ADC傳感器傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，每列像素產(chǎn)生的信號(hào)先通過(guò)降噪電路，匯聚后再通過(guò)外部總線傳輸?shù)絾蝹€(gè)或數(shù)個(gè)ADC之中。而Exmor每列像素都內(nèi)置一個(gè)ADC，數(shù)量多，且可在低頻下運(yùn)行，可有效減少噪聲，并實(shí)現(xiàn)高速提取。此外，內(nèi)置ADC使得Exmor輸出的數(shù)字信號(hào)，抗干擾性強(qiáng)，更易于長(zhǎng)距離布線。IMX035是此系列推出的首款產(chǎn)品。

索尼Exmor R——背照式CIS

2008年，索尼推出Exmor R系列，采用BIS（背照式）設(shè)計(jì)，是第一款推出該技術(shù)的傳感器。FIS（FRONT-SIDE ILLUMINATED，前照式）結(jié)構(gòu)下，Bayer陣列濾鏡與光電二極管（Photo-diode）之間存在大量金屬連線，阻隔了大量光線進(jìn)入感光層。而在BIS結(jié)構(gòu)下，金屬連線被轉(zhuǎn)移到光電二極管（Photodiode）的背面，光線不再被阻擋，信噪比大幅度提高，而且可以采用更復(fù)雜、更大規(guī)模電路來(lái)提升傳感器讀取速度。

索尼Exmor RS——CIS堆棧技術(shù)

二堆疊：2012年，索尼推出Exmor RS系列，該系列采用堆疊式結(jié)構(gòu)（Stacked Structure）。BIS結(jié)構(gòu)下，Bayer陣列周圍依然存在大量電路，而此堆疊式結(jié)構(gòu)通過(guò)TSV（Through Silicon Via,硅通孔）技術(shù)連接到另一張芯片，實(shí)現(xiàn)將信號(hào)處理電路疊放于像素區(qū)下方。

三堆疊：2017年2月，索尼宣布推出業(yè)內(nèi)首個(gè)配備DRAM的三層堆疊式CIS，可在失真度最小化的情況下高速讀取靜態(tài)圖片，支持在全高清模式下拍攝幀率最大為1000fps的慢動(dòng)作視頻。新款CIS在傳統(tǒng)兩層堆疊結(jié)構(gòu)中間新加入DRAM層，用于緩存、讀取、處理圖像信息；此外，為了實(shí)現(xiàn)高速讀取，用于將模擬視頻信號(hào)從像素轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的電路已經(jīng)從2層結(jié)構(gòu)倍增到4層結(jié)構(gòu)。

索尼——相機(jī)端CIS

SLVS-EC是索尼與2018年開(kāi)發(fā)的串行總線，單個(gè)通道帶寬較高。但I(xiàn)MX410未采用堆棧技術(shù)，像素也不高。索尼半導(dǎo)體再?zèng)]有提供高像素的全幅CIS，甚至取消了36MP的IMX-094，鑒于Z7、S1R存在，索尼半導(dǎo)體高像素全幅CIS可能改為定制提供。

索尼——相機(jī)端CIS應(yīng)用

介質(zhì)格式傳統(tǒng)上指靜物攝影中的膠片格式以及使用膠片的相關(guān)照相機(jī)和設(shè)備。包括6x4.5厘米（有時(shí)介質(zhì)格式稱為“64格式”），6x6、6x7、6x8、6x12、6x17cm…在數(shù)字?jǐn)z影中，介質(zhì)格式是指根據(jù)介質(zhì)格式膠片攝影使用而改編的照相機(jī)，或者是指使用大于35mm膠片框的傳感器的照相機(jī)。此外，我們還發(fā)布了3.4（44x33毫米）和4.2（53x40毫米）型圖像傳感器，像素為100M或150M。

360度高質(zhì)量成像主要產(chǎn)品為IMX533，9M像素，像素尺寸為3.76μm。

索尼——移動(dòng)端CIS

HDR解決方案有時(shí)間多路傳輸交錯(cuò)HDR方案及空間多路復(fù)用交錯(cuò)HDR方案。當(dāng)不同的捕獲時(shí)刻對(duì)象處于不同的位置時(shí)，時(shí)間復(fù)用交錯(cuò)HDR方案首次了解由于場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)偽影（重影）。圖像偽影的存在是因?yàn)槊總€(gè)捕獲對(duì)象的分辨率的降低。而具有拆分像素（多個(gè)像素，每個(gè)像素即光電二極管分享同樣的東西）可以減輕偽影的影響。

索尼——移動(dòng)端CIS應(yīng)用

穩(wěn)定相機(jī)震動(dòng)。高靈敏度傳感器和短曝光時(shí)間是防止相機(jī)抖動(dòng)和穩(wěn)定圖像的有效方法。背面照明傳感器比正面照明傳感器具有更高靈敏度。同樣，在相同像素結(jié)構(gòu)下具有更大的光學(xué)尺寸。

索尼CMOS圖像傳感器配備了標(biāo)準(zhǔn)的2x2平均模式，相當(dāng)于比像素大四倍的像素大小，有助于在分辨率（圖像大小）降低到1/4時(shí)防止相機(jī)抖動(dòng)。

高速視頻。隨著CIS像素?cái)?shù)和速度的增加，高速視頻拍攝成為現(xiàn)實(shí)。在拍攝快速移動(dòng)物體時(shí)，需要降低幀速率和曝光時(shí)間以避免運(yùn)動(dòng)模糊。索尼通過(guò)4個(gè)像素的計(jì)算處理將其高靈敏度的BI技術(shù)將信噪比提高了兩倍，使其能夠以四倍的速度拍攝。

索尼的800萬(wàn)像素產(chǎn)品能夠以180 fps（720p高清圖像）或240 fps（960x540（Quaterhd）圖像）輕松拍攝高速電影。適用產(chǎn)品：IMX219PQ

附：索尼CMOS傳感器架構(gòu)的演變