CMOS图像传感器

什么是CMOS图像传感器？

CMOS图像传感器是一种采用互补金属氧化物半导体 (CMOS) 技术的半导体器件，旨在将入射光转换为数字图像。与大多数数码相机一样，它通过半导体芯片表面的数千个光子探测器检测入射光。每个探测器通过将光子的能量转换为电流来测量所吸收光子的频率（颜色）和数量（亮度）。然后，连接到每个探测器的晶体管将电流放大。这种类型的图像传感器称为有源像素传感器 (APS)。

由于CMOS图像传感器采用标准半导体制造技术，其芯片通常包含信号处理、模数转换器和片上数字逻辑电路。这使得完整的摄像头集成在一个芯片上。这项技术已经实现了众多成像应用，包括智能手机上的微型数码相机、高清高速专业摄像机以及卫星上的地球观测传感器。

CMOS 与 CCD 图像传感器

两种主流图像传感器技术——电荷耦合器件 (CCD) 和 CMOS 传感器——是在 20 世纪 60 年代末同时开发的。两者都利用了光电效应，即光粒子[1]（光子）被原子吸收并将能量传递给原子中的电子。

如果吸收了足够的能量，原子就会释放电子，从而在半导体材料中产生负电荷。图像传感器中吸收光并产生电子的区域称为光电二极管。光电二极管排列成阵列，可以测量聚焦在其表面的光的颜色和强度。

在CCD传感器中，光电二极管发出的电子被捕获到一系列电容器中，然后被放大。在CMOS传感器中，电子直接被馈送到晶体管中，并在探测器处被放大。CCD方法的一大优势在于电容器位于光电二极管后方，从而为每个像素提供更大的吸光面积。CMOS传感器中的晶体管位于光电二极管旁边，仅留下30%的表面积（称为填充因子）用于光检测。

CMOS技术是一种成熟的半导体制造工艺，因此CMOS传感器的制造成本远低于CCD相机。最初，CCD传感器的使用更为频繁，因为它们能够生成更高质量、噪点更低的图像；而CMOS传感器则用于需要更节能或更经济的解决方案。

随着时间的推移，半导体制造技术的进步使得CMOS图像传感器的像素尺寸更小，片上数字信号处理技术也能够解决质量问题。这些改进使图像质量与CCD传感器相当，同时保留了成本更低、能效更高的优势。因此，到2010年代末，低功耗、高分辨率的CMOS图像传感器已成为大多数应用的首选。

如今，CCD 器件主要用于需要低噪声和高灵敏度的高端应用，例如摄影天文学、机器视觉系统和显微镜相机。然而，CMOS 图像传感器也正在逐渐进入这些应用领域。

CCD与CMOS技术比较

CMOS图像传感器的几何形状

CMOS图像传感器由像素阵列构成，每个像素由四个光电探测器捕获，一个用于红色，一个用于蓝色，两个用于绿色。由于每个像素都是一个2x2阵列，并且只有三种颜色需要过滤，因此必须重复一种颜色。选择绿色作为重复颜色，是因为它的频率是人眼最敏感的颜色。这种颜色排列称为拜耳滤光模式，在奇数行上重复蓝绿色，在偶数行上重复绿红色。

2x2 像素光电探测器在拜耳阵列中的排列方式

每个光电探测器都构建在硅基板上，包含一个用于收集光子的光电二极管和三个晶体管：一个行选择器、一个放大器和一个复位晶体管。光电探测器顶部有一个彩色滤光片和一个微透镜，用于将光聚焦到光电二极管上。 

单个光电探测器的几何形状

每个光电探测器由硅衬底、势阱和用于测量入射光子的光电二极管组成。彩色滤光片和微透镜聚焦并过滤光线，晶体管和总线放大并传输产生的电流。

该光电探测器阵列位于芯片中心，作为透镜组件的焦面。该阵列周围还环绕着用于组装和输出数字图像的模拟和数字电路。

CMOS图像传感器的设计考虑因素

CMOS图像传感器是一个复杂的系统，它涉及从原子级到封装到器件组件的机械要求等各种物理问题。设计新型CMOS传感器的团队应考虑以下几个方面：

光子设计

光电二极管的特性对CMOS传感器的性能至关重要。设计人员必须考虑光子学参数，例如光学效率、量子效率、暗电流和产生的电荷。设计还必须考虑被检测光的波长，从红外到可见光再到紫外。

光学设计

CMOS图像传感器的精度和效率取决于投射到传感器阵列上的图像质量。光学工程师必须开发优化的镜头组件，以便在表面提供清晰、更平整的投影。为了获得更精确的传感器响应，还应考虑从镜头到传感器表面的空间变化非法向入射光的影响。他们还需要设计每个光电传感器顶部的微透镜，以便将尽可能多的光线传送到光电二极管，并了解入射光对传感器的影响。

模拟和数字电路设计

有源像素传感器的优势之一是将所有必要的模拟和数字电路集成到与传感器相同的芯片上，从而打造片上摄像头。电路设计人员需要考虑电源、时序、信号完整性和其他因素，同时在尽可能小的尺寸内容纳尽可能多的像素。他们还需要在芯片上配备高效的模数转换器 (ADC) 和数字图像处理功能。

包装

芯片设计完成后，需要对其进行保护，并与使用图像的电子设备进行连接。封装必须解决热、应力和振动问题，同时降低成本。光学芯片通常与使用或支持摄像系统的其他组件一起封装。

CMOS图像传感器的未来

半导体制造技术的进步对图像传感器的性能有着直接的影响。随着特征尺寸的减小，架构师可以在更小的面积内容纳更多像素。消费者最常看到的是，手机摄像头的像素数不断增加，但体积却保持不变甚至更小。

采用CMOS图像传感器的摄像头的速度也在不断提升。另一个增长领域是百万像素摄像头在汽车应用中的普及，它能够帮助驾驶员更好地了解周围环境，并为自动驾驶系统提供信息。

专家预测，传感器芯片上的数字图像处理将得到进一步改进，以生成更优质的数字图像。此外，研究人员还在研究光电二极管的不同几何结构，将光电探测器上的红绿蓝 (RGB) 滤光片替换为青黄品红 (CYM) 滤光片，以提高灵敏度和增强电信号。此外，研究人员还在进一步研究如何提高近红外 (NIR) 成像的低光灵敏度和性能。