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CMOS图像传感器的过去,现在和未来

2017-06-20 10:21
科技潮人
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在过去的十年里,CMOS图像传感器(CIS)技术取得了令人瞩目的进展,图像传感器的性能也得到了极大的改善。自从在手机中引入相机以来,CIS技术取得了巨大的商业成功。

包括科学家和市场营销专家在内的许多人,早在15年前就预言,CMOS图像传感器将完全取代CCD成像设备,就像20世纪80年代中期CCD设备取代了视频采集管一样。尽管CMOS在成像领域占有牢固的地位,但它并没有完全取代CCD设备。

另一方面,对CMOS技术的驱动极大地提升了整个成像市场。CMOS图像传感器不仅创建了新的产品应用程序,而且还提高了CCD成像设备的性能。本文介绍了CMOS图像传感器技术中最先进的技术,并对未来的发展前景进行了展望。

图像传感器的定义和用途

图像传感器是一种将光学图像转换成电子信号的电子设备。转换的方法因图像传感器的类型而异

? “模拟”CCD执行光子到电子的转换。

? “数字”CMOS图像传感器(CIS)执行光子到电压的转换

图像传感器用于数码相机和成像设备,将相机或成像设备接收到的光线转换为数字图像。

CIS vs. CCD

今天,有两种不同的技术用于数字图像采集(图1):

? 电荷耦合器件(CCD)是线性传感器,其输出与接收到的光子数量直接相关。

? 互补金属氧化物半导体(CMOS,或CMOS图像传感器CIS)是一种较新的并行读出技术。

这两种类型的成像设备都将光转化为电子(或电荷),随后即可处理成电子信号。CCD的设计目的是将电荷逐个像素地移动,直到它们到达专用读出区域放大器。CMOS图像传感器直接在像素上进行放大。更高级的CIS技术提供了一个并行读出架构,其中每个像素都可以单独寻址,或者作为一个组并行地读出(参见图1)。

CMOS图像传感器的过去,现在和未来

CMOS传感器的制造成本远低于CCD传感器。由于新型图像传感器的价格下降,数码相机已经变得非常便宜和普及。

在表1中,我们展示了CCD和CMOS架构的主要区别。 每个都有独特的优点和缺点,在不同的应用中各显其能(用绿色表示)。

CMOS图像传感器的过去,现在和未来

表1:CCD与CMOS架构比较(来源:e2V)

CIS中的关键组件

CMOS图像传感器有四个主要组件(见图2):

1光电二极管(PD)

2 像素设计

3 彩色滤光片(CF)

4 微透镜

光电二极管(PD)用于捕捉光,一般用于实现这一功能的是PIN二极管或PN结器件。最广泛实现的像素设计被称为“有源像素传感器”(APS)。通常使用3—6个晶体管,它们可以从大型电容阵列中获得或缓冲像素。彩色滤光片用于分离反射光的红、绿、蓝(RGB)成分。最后,微透镜从CIS的非活性部分收集光,并将其聚焦到光电二极管。微透镜通常具有球形表面和网状透镜。

CMOS图像传感器的过去,现在和未来

图2:CIS中的关键组件(来源:IBM,FSI)


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