早期的CMOS圖像傳感器在光線昏暗的環(huán)境下成像噪點大，清晰度也不及CCD，但是CCD傳感器讀取速度緩慢，難于滿足日益高清化的視頻監(jiān)控圖像采集的需要。隨著技術(shù)革新發(fā)展，CMOS圖像傳感器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，清晰度不斷提升，各種功能性能，比如寬動態(tài)，信噪比，低照，智能功能等不斷發(fā)展改進，CMOS取代CCD逐漸成為主流。這篇文章綜合SONY，OV，Smartsens等幾個常見CIS產(chǎn)品品牌，對CMOS圖像傳感器技術(shù)及發(fā)展做個總結(jié)。

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結(jié)構(gòu)

CMOS傳感器應(yīng)該是人體仿生學(xué)的作品，根據(jù)人眼的結(jié)構(gòu)設(shè)計的1。下圖是人眼的結(jié)構(gòu)，光線通過晶狀體映射在眼球后部的視網(wǎng)膜上（視網(wǎng)膜上有很多感光細胞），此時視神經(jīng)會將這個信號傳遞給大腦，人就會感知到物體的光。

前照式

與人眼類似，CMOS 也是一個多層結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)前照式（FrontSide lllumination，縮寫為FSI）結(jié)構(gòu)中，自上至下依次為片上透鏡（Micro-lens）、彩色濾光鏡（Color Filter）、電路層（Wiring Layers）和光電二極管（Photodiodes）。

當(dāng)光線射入，經(jīng)過了片上透鏡和彩色濾光片后，先通過電路層（金屬排線層），最后光線才被光電二極管接收。

在金屬排線這層光線會被部分阻擋和反射，光電二極管吸收的光線就會減少，而且反射還有可能串?dāng)_旁邊的像素，導(dǎo)致顏色失真。

人眼的視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)圖中，我們可以看見支持纖維，神經(jīng)纖維層，神經(jīng)節(jié)細胞層，還有血管全都是分布在各種感光細胞之上的，這與FSI CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)完全一樣，從結(jié)構(gòu)上看人眼是屬于前照式的。

背照式

背照式CMOS（Back-Illuminated CMOS或者BackSide Illumination，BSI）的金屬排線和光電二極管的位置和前照式正好相反。自上至下依次為片上透鏡（Micro-lens）、彩色濾光片（Color Filter）、光電二極管（Photodiodes）和電路層（Wiring Layers）。

在背照式結(jié)構(gòu)中，光線幾乎沒有被阻擋和干擾就能照射到光電二極管，而且照射距離更短（相比FSI），因此光線利用率極高。背照式CMOS傳感器能更好的利用照射入的光線，在低照度環(huán)境下成像質(zhì)量更好。

但是前照式CMOS生產(chǎn)工藝簡單，良品率高（相對于背照式），另外如果尺寸大不會有光線被金屬層線路阻擋的問題（因為尺寸大，射入的光線足夠多，被阻擋的光線可以忽略不計）。所以在一些領(lǐng)域，比如單反，前照式CMOS產(chǎn)品應(yīng)用仍然很廣泛。而在手機，安防等領(lǐng)域，因為對圖像傳感器的尺寸大小特別敏感，所以背照式產(chǎn)品居多。

堆疊式

CMOS 的制作和 CPU 的制作類似，需要特殊的光刻機對硅晶圓進行蝕刻，形成像素區(qū)域和處理回路區(qū)域（電路區(qū)域）。像素區(qū)域使用65nm工藝制作完全足夠，但電路區(qū)域65nm遠遠不夠，需要使用30nm制程。但傳統(tǒng)CMOS中，像素區(qū)域和電路區(qū)域在同一塊晶圓上，需要在同一個制程下制作，選擇多少納米工藝是個問題。

另一方面，蝕刻過程中，硅晶圓和像素區(qū)域會有損傷，此時則要進行一個叫做“退火（annealing process）”的熱處理步驟，讓硅晶圓和像素區(qū)域從損傷中恢復(fù)回來，這時候需要將整塊 CMOS 加熱。這么一熱，同在一塊晶圓上的電路區(qū)域肯定有一定的損傷了，原先已經(jīng)“打造”好了的電容電阻值，經(jīng)過退火后肯定改變了，這種損傷必定會對電信號讀出有一定影響。

針對這兩個問題，解決辦法也呼之欲出了。將像素單元和電路單元分別是作為獨立芯片構(gòu)建，使用30nm制程打造電路單元，65nm打造像素單元，并單獨“退火”，然后將兩個單元堆疊到一起，這就是堆疊式CMOS，也叫堆棧式，積層式（stacked CMOS）。

堆疊式不僅繼承了背照式的優(yōu)點（像素區(qū)域依然是背照式），還克服了其在制作上的限制與缺陷。由于處理回路的改善和進步，攝像頭也將能提供更多的功能，比如說硬件 HDR，慢動作拍攝等等，同時因為像素區(qū)域和電路區(qū)域分開，CMOS的尺寸變小。另一方面，相同CMOS尺寸下，像素區(qū)域能更大。以上， 堆疊式CMOS具有了高畫質(zhì)，多功能，小型化的特點。

雙層晶體管像素堆疊

一切都可以堆疊。CMOS的像素芯片內(nèi)，用于將光轉(zhuǎn)換為電信號的光電二極管和用于控制信號的像素晶體管原本在同一基片層并列排列。本著一切都可以堆疊的理念，2021年12月SONY全球首發(fā)了雙層晶體管像素堆疊的CMOS圖像傳感器技術(shù)3 ，即將光電二極管和像素晶體管分開堆疊，從而可以獨立優(yōu)化光電二極管和像素晶體管。

優(yōu)化光電二極管，使飽和信號量相比于傳統(tǒng)圖像傳感器增加約一倍，進而擴大動態(tài)范圍。增加像素晶體管中放大晶體管尺寸，能大幅降低夜間和其他昏暗場景下圖像容易產(chǎn)生的噪點問題。雙層晶體管像素堆疊式技術(shù)使動態(tài)范圍擴大并降低了噪點，將避免在有明暗差（例如背光）的場景下曝光不足和過度曝光的問題，即使在光線不充足（例如室內(nèi)、夜間）的場景下也能拍攝高質(zhì)量低噪點的圖像。

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應(yīng)用范圍

除了傳統(tǒng)的相機，安防，移動設(shè)備，CMOS圖像傳感器還廣泛應(yīng)用于汽車，機器視覺，物聯(lián)網(wǎng)智慧產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域，這里重點介紹一些CMOS圖像傳感器新用途，新市場。

距離圖像傳感器

距離圖像傳感器，也叫ToF式距離圖像傳感器，ToF即Time of Flight。ToF方式的原理是利用激光、LED等發(fā)光源產(chǎn)生的光照射到被攝物上，通過計算反射光到傳感器表面的時間差，測定圖像傳感器到對象物的距離。ToF方式大致可分為2種，即簡單測量反射光檢測時間差的Direct ToF 方式（dToF）和積存反射光、檢測與光源的相位差，從而測定距離的Indirect ToF方式（iToF）。

ToF式距離圖像傳感器可檢測各像素的距離信息，獲取高精度的距離圖像。在工業(yè)領(lǐng)域，生產(chǎn)，物流，農(nóng)業(yè)畜牧業(yè)等多種應(yīng)用場景中，小型且能夠即時獲取3D信息的ToF式距離圖像傳感器，可以滿足不斷上漲的識別、測量、自動化等需求。同時，AR/VR、自動駕駛，機器人及無人機等領(lǐng)域，ToF圖像傳感器可以用于手勢識別、物體識別、障礙物檢測等。

車用傳感器

專門識別

抑制LED閃爍（拍攝LED標識、信號燈等時發(fā)生的LED閃爍）。提升各種環(huán)境下的識別性能，讓駕駛更安全、更安心。

融合技術(shù)

把相機圖像和LiDAR數(shù)據(jù)、毫米波雷達的Raw數(shù)據(jù)融合，從而對車輛等進行識別。即使在霧靄、逆光、雨夜等難以識別的環(huán)境中，也能更快地做出正確的識別。

偏光傳感器

將偏光元件配置在光電二極管上，構(gòu)建為一個芯片，可實現(xiàn)體積小巧的偏光相機。這樣就能拍攝因太陽光反射而看不清的被攝體，細膩呈現(xiàn)物體表面的凹凸，從而用于包括車載在內(nèi)的各種各樣的用途，比如片劑填充檢測，鏡片變形檢測，玻璃劃痕、臟污檢測等。

SWIR圖像傳感器

SWIR（Short Wavelength Infra-Red）是紅外線的一種，即短波長紅外線。一般，SWIR的波段為0.9μm-2.5μm，是紅外線中接近于可見光的波段。

SWIR波段的光包含表現(xiàn)水分吸收的波段，可檢測出可見光下難以識別的水分，用于果蔬挑選等。SWIR波段的光的吸收特性、反射特性，可以捕捉到可見光下難以捕捉到的物質(zhì)，可用于異物檢測等。SWIR波段的光可透過Si材質(zhì)的性質(zhì)，可用于半導(dǎo)體制造、檢測。SWIR波段的光會對高溫物質(zhì)顯示出高亮度，利用多個波長的亮度差，可推測溫度。利用這一性質(zhì)，可應(yīng)用于焊接部等高溫部的溫推測。SWIR相比可見光，波長更長，因此，不易受空氣中微粒子的影響，還可應(yīng)用于遠距離觀察。

UV圖像傳感器

UV（紫外線）比可見光（400nm～780nm）的波長短，其波長范圍是10nm～400nm。因此可被應(yīng)用于檢測可見光下難以檢測到的細微劃痕、缺陷等領(lǐng)域。另外，像透明塑料、玻璃瓶等在可見光下看起來一樣的物體，但是對UV光吸收率不同，可以明確地將不同物體識別出來，用于材料的揀選。

電力設(shè)備電線的老化，在放電的同時，老化部分會放出紫外線。利用這一特性，對電力設(shè)備進行檢測，能夠很容易地確定老化部位，實現(xiàn)設(shè)備維護的自動化并節(jié)省人力。

AI功能的圖像傳感器

進行高速邊緣AI處理，僅抽取必要數(shù)據(jù)，從而縮短使用云端服務(wù)時數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t時間，保護隱私，降低電力消耗和通信成本等。

圖像傳感器搭載針對AI進行信號處理的DSP和可寫入AI模型的存儲器（用戶可將任意AI模型寫入存儲器，并根據(jù)使用環(huán)境和條件進行改寫和升級。），無需高性能處理器和外部存儲器，就能實現(xiàn)邊緣AI系統(tǒng)。

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主要技術(shù)功能

衡量CMOS圖像傳感器性能優(yōu)劣的核心技術(shù)主要有以下這些：（以安防領(lǐng)域應(yīng)用為主，排除了諸如分辨率，尺寸等這些最基本的性能指標）

靈敏度

pixel sensitivity，圖像傳感器的感光度，靈敏度，單位：mV/lux·s。

量子效率

QE（quantum efficiency），量子效率。量子效率是描述光電器件（比如CMOS圖像傳感器）光電轉(zhuǎn)換能力的一個重要參數(shù)，它是在某一特定波長（比如520nm）下單位時間內(nèi)產(chǎn)生的平均光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比。傳感器的光電轉(zhuǎn)換效率越高，其感光度就越高，圖像能夠提供的信息也更多。

近紅外感光度

普通相機的拍攝以可見光照明為前提，但在安防應(yīng)用中，有時需要在近紅外領(lǐng)域（NIR，Near Infra-red。850nm-940nm）良好的拍攝感光性能，在完全暗處，可以憑借近紅外光的照射，實現(xiàn)更高品質(zhì)的NIR成像。

低照度

光線昏暗，低照度條件下的清晰拍攝技術(shù)對于監(jiān)控攝像頭而言是不可或缺的。超越人眼的感光度，不僅能捕捉暗處被攝體的形狀，連質(zhì)感也能真實再現(xiàn)。

寬動態(tài)

固定設(shè)置的監(jiān)控攝像頭需要配合因時間段、狀況而變化的光線條件，使攝像頭始終適應(yīng)照明的變化。有時會出現(xiàn)過亮與過暗部分同時存在的情況，此時，過亮處可能會過度曝光，而過暗處會出現(xiàn)暗部模糊。為了在明暗兩種場景中都能清晰拍攝被攝體，調(diào)整曝光時間或增益，拍攝沒有過度曝光和暗部模糊的圖像的方法就是高動態(tài)范圍功能（寬動態(tài)）。

全局快門

全局快門（Global Shutter）CMOS圖像傳感器可給高速運動的目標提供高質(zhì)量的圖像，不會因物體高速運動產(chǎn)生失真。

圖像信噪比

圖像信噪比（Signal-to-Noise Ratio，簡稱 SNR），為了獲得較高的圖像信噪比，我們需要增加信號項和降低噪聲項，而這些項主要取決于滿阱容量、靈敏度、像素暗噪聲、讀出電路噪聲和像素串?dāng)_等像素性能指標。

在明亮條件下，滿阱容量和像素串?dāng)_是影響圖像信噪比的主要因素；而在黑暗條件下，靈敏度、像素暗噪聲、讀出電路噪聲和像素串?dāng)_則是影響圖像信噪比的主要因素。因此，從技術(shù)角度來看，在黑暗條件下獲得較為理想的圖像信噪比，即更佳的圖像質(zhì)量，就更為困難。

滿阱容量

Full Well Capacity，F(xiàn)WC，將一個像元想象成一個阱，那么滿阱容量就是阱中可以儲存的最大電子數(shù)，與之相對應(yīng)的是產(chǎn)生這些電子的最大光子數(shù)（即飽和照度）。飽和容量通過不同的相機圖像直接測得，實際上用于描述相機特性。飽和容量通常小于滿阱容量。如果對比圖像傳感器數(shù)據(jù)和相機數(shù)據(jù)，上述差異可能會造成爭議。高飽和容量可實現(xiàn)更長的曝光時間。如果某個像元過曝，像元的DN值被設(shè)置成最大并且不包含有用信息。

暗電流

即便傳感器處于沒有光照的情況下，每個像元也能生成一個（暗）信號（電流）。暗電流與光照產(chǎn)生的電荷很難進行區(qū)分。

白點/壞點

圖像傳感器上的像素點有問題，缺陷，在視頻監(jiān)控畫面上呈現(xiàn)為黑色或者白色，稱為壞點，一般英文表述為bad pixel，不過或許dead pixel描述更準確。參考

光學(xué)串?dāng)_

crosstalk，當(dāng)落在一個像素上的光子被周圍的其他像素“錯誤地”感知到時，就會發(fā)生串?dāng)_。例如，如果我們只在紅色像素上照射高度聚焦的光，而藍色像素顯示響應(yīng)，我們稱之為串?dāng)_。在這種極端情況下，藍色通道響應(yīng)會太高，并且會扭曲真實像素顏色。因此，減少小像素中的串?dāng)_已成為傳感器設(shè)計中最困難和最耗時的任務(wù)之一。