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。与大多数数字摄像头一样，其通过半导体芯片表面的数千个光子探测器来检测入射光。每个探测器通过将光子的能量转换为电流来测量吸收的光子的频率（颜色）和数量（亮度）。然后，连接在每个探测器上的晶体管将电流放大。这种类型的图像传感器被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制成，因此芯片通常包括信号处理、模数转换器和片上数字逻辑。这就构成了一个完整的芯片摄像头。该技术支持众多成像应用，包括智能手机上的微型数字摄像头、高清高速专业摄像机以及卫星上的地球观测传感器。

20世纪60年代末，两大主导图像传感技术——感光耦合元件（CCD）和CMOS传感器，几乎同时得到开发。两者都利用了光电效应，当光粒子[1]/光子被原子吸收并将能量传递给原子中的电子时，就会发生光电效应。

如果吸收了足够的能量，原子就会发射出电子，从而在半导体材料中产生负电荷。图像传感器中吸收光、产生电子的区域被称为光电二极管。光电二极管被排列成一个阵列，可以测量聚焦在其表面的光的颜色和强度。

在CCD传感器中，来自光电二极管的电子被捕获到一系列电容器中，然后进行放大。在CMOS传感器中，电子被直接输入到晶体管中，并在探测器处放大。CCD方法的最大优势是电容器位于光电二极管后面，可为每个像素提供更大的光吸收区域。CMOS传感器中的晶体管紧邻光电二极管，仅留下30%的表面区域（被称为填充因子）用于光探测。

CMOS技术是一种成熟的半导体制造工艺，因此与CCD摄像头相比，CMOS传感器的制造成本要低得多。最初，CCD传感器的使用频率更高，因为其能够生成噪点更少、质量更高的图像，而CMOS传感器则在需要更节能或更低成本的解决方案时被采用。

随着时间的推移，半导体制造技术的改进使CMOS图像传感器中的像素尺寸得以缩小，并且片上数字信号处理可以解决质量问题。这些改进使其图像质量与CCD传感器不相上下，同时保持了更低成本和更高能效的优势。因此，到2010年代末，低功耗、高分辨率CMOS图像传感器成为大多数应用的首选。

如今，CCD设备主要用于需要低噪点和更高敏感度的高端应用，如摄影天文学、机器视觉系统和显微镜摄像头。但是，CMOS图像传感器也正在进入这些应用领域。

CCD与CMOS技术比较

CMOS图像传感器由像素阵列组成，每个像素由四个光电探测器捕获，其中一个用于红色，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，而要过滤的颜色只有三种，因此有一种颜色须重复出现。绿色被选作了重复颜色，是因为其是人眼最敏感的颜色。这种颜色排列被称为Bayer滤波模式，在奇数列上重复蓝色和绿色，在偶数列上则是绿色和红色。

如何在Bayer中排列2x2像素的光电探测器

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

单个光电探测器的几何结构

每个光电探测器都由硅基板、势阱和测量入射光子的光电二极管组成。彩色滤光片和微透镜对光进行过滤和聚焦，晶体管和总线放大并传输产生的电流。

该光电探测器阵列以芯片为中心，装配在透镜的焦平面。此外，该阵列还被用于装配和输出数字图像的模拟和数字电路所包围。

CMOS图像传感器是一个复杂的系统，其能够处理各种问题——从原子级的物理一直到将其封装到设备装配体中的机械要求。设计新型CMOS传感器的团队应考虑以下方面：

光子设计

光电二极管的行为对于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等。此外，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图像传感器的准确性和效率取决于投影到传感器阵列上的图像质量。光学工程师必须开发一种优化的透镜装配体，以便在表面上呈现清晰、平整的投影。为了获得更准确的传感器响应，还应考虑从透镜到传感器表面空间变化的非正常入射光的影响。此外，他们还需要设计每个光电传感器顶部的微透镜，以向光电二极管输送尽可能多的光，并了解入射光对传感器的影响。

模拟与数字电路设计

有源像素传感器的优势之一在于，将所有必要的模拟和数字电路作为集成电路放置在与传感器相同的芯片上，从而打造出一款芯片摄像头。电路设计人员需要考虑功率问题，还有时序、信号完整性以及其他因素，同时在尽可能小的外形尺寸中放置尽可能多的像素。此外，他们还需要高效的模数转换器（ADC）和芯片本身的数字图像处理功能。

封装

芯片设计完成后，需要对其进行保护，并为将要使用图像的电子设备提供连接。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头系统的其他组件一起封装。

半导体制造技术的改进对图像传感器功能具有直接影响。随着特征尺寸的减小，架构师可以将更多像素放置到更小的区域中。因此，消费者最常见到的情况是，手机摄像头的像素数不断增加，而体积不变或更小。

采用CMOS图像传感器的摄像头的速度也在不断提高。另一个增长领域是百万像素摄像头在汽车应用中的普及，其能够使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工作将进一步加强，以产生更优质的数字图像。人们也正在研究光电二极管的不同几何结构，从光电探测器上的红绿蓝（RGB）滤光片切换到青黄品红（CYM）滤光片，以获得更高的敏感度和更强的电信号。此外，业内也还在努力提升近红外（NIR）成像中的弱光敏感度和性能。

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