解析CMOS圖像傳感器技術及未來發展

在過去的十年里，CMOS圖像傳感器（CIS）技術取得了令人矚目的進展，圖像傳感器的性能也得到了極大的改善。自從在手機中引入相機以來，CIS技術取得了巨大的商業成功。

包括科學家和市場營銷專家在內的許多人，早在15年前就預言，CMOS圖像傳感器將完全取代CCD成像設備，就像20世紀80年代中期CCD設備取代了視頻采集管一樣。盡管CMOS在成像領域占有牢固的地位，但它并沒有完全取代CCD設備。

另一方面，對CMOS技術的驅動極大地提升了整個成像市場。CMOS圖像傳感器不僅創建了新的產品應用程序，而且還提高了CCD成像設備的性能。本文介紹了CMOS圖像傳感器技術中最先進的技術，并對未來的發展前景進行了展望。

圖像傳感器的定義和用途

圖像傳感器是一種將光學圖像轉換成電子信號的電子設備。轉換的方法因圖像傳感器的類型而異：

“模擬”CCD執行光子到電子的轉換。

“數字”CMOS圖像傳感器（CIS）執行光子到電壓的轉換

圖像傳感器用于數碼相機和成像設備，將相機或成像設備接收到的光線轉換為數字圖像。

CIS vs. CCD

今天，有兩種不同的技術用于數字圖像采集（圖1）：

電荷耦合器件（CCD）是線性傳感器，其輸出與接收到的光子數量直接相關。

互補金屬氧化物半導體（CMOS，或CMOS圖像傳感器CIS）是一種較新的并行讀出技術。

這兩種類型的成像設備都將光轉化為電子（或電荷），隨后即可處理成電子信號。CCD的設計目的是將電荷逐個像素地移動，直到它們到達專用讀出區域放大器。CMOS圖像傳感器直接在像素上進行放大。更高級的CIS技術提供了一個并行讀出架構，其中每個像素都可以單獨尋址，或者作為一個組并行地讀出（參見圖1）。

CMOS傳感器的制造成本遠低于CCD傳感器。由于新型圖像傳感器的價格下降，數碼相機已經變得非常便宜和普及。

在表1中，我們展示了CCD和CMOS架構的主要區別。每個都有獨特的優點和缺點，在不同的應用中各顯其能（用綠色表示）。

表1：CCD與CMOS架構比較（來源：e2V）