圖像傳感器的定義及分類

圖像傳感器是一種將光學圖像轉換成電子信號的設備，它被廣泛地應用于數(shù)碼相機和其他電子光學設備中。早期的圖像傳感器采用模擬信號，如攝像管，隨著數(shù)碼技術、半導體制造技術以及網(wǎng)絡的迅速發(fā)展，市場和業(yè)界都面臨著跨越各平臺的視訊、影音、通訊大整合時代的到來，勾劃著未來人類的日常生活的美景。

圖像傳感器上有許多感光單元，它們可以將光線轉換成電荷，從而形成對應于景物的電子圖像。而在傳感器中，每一個感光單元對應一個像素(Pixels)，像素越多，代表著它能夠感測到更多的物體細節(jié)，從而圖像就越清晰，像素越高，意味著成像效果越清晰。圖像傳感器是利用光電器件的光電轉換功能將感光面上的光像轉換為與光像成相應比例關系的電信號。與光敏二極管，光敏三極管等“點”光源的光敏元件相比，圖像傳感器是將其受光面上的光像，分成許多小單元，將其轉換成可用的電信號的一種功能器件。

圖像傳感器產(chǎn)品主要分為CCD、CMOS傳感器兩種。

高性能CCD圖像傳感器

1969年，沃勒德?保爾(Willard Boyle)與喬治?艾沃德?史密斯(George E. Smith)于美國電報電話公司的貝爾實驗室(AT&T Bell Labs)發(fā)明了電荷耦合組件(Charge Coupled Device，CCD)。1970年，二人把記述CCD發(fā)明的技術文章提交到《貝爾系統(tǒng)技術期刊》(Bell System Technical Journal)。他們開發(fā)CCD的原意是把它用于建構內存裝置。不過，保爾和史密斯1970年的研究出版后，其它科研人員開始把有關技術試作于其它方面的應用。天文學家發(fā)現(xiàn)CCD具有相較攝影膠片高100倍的感光能力，因而可以用于拍攝高分辨率的遙距圖像。

CCD圖像傳感器是按一定規(guī)律排列的MOS（金屬—氧化物—半導體）電容器組成的陣列。在P型或N型硅襯底生長一層很薄（約120NM）的二氧化硅，再在二氧化硅薄層上依次序沉積金屬或摻雜多晶硅電極（柵極），形成規(guī)則的MOS電容器陣列，再加上兩端的輸入及輸出二極管就構成了CCD芯片。

【基本結構】

CCD基本結構分為兩部分：

1.MOS（金屬—氧化物—半導體）光敏元陣列

電荷耦合器件是在半導體硅片上制作成百上千（萬）個光敏元，一個光敏元又稱一個像素，在半導體硅平面上光敏元按線陣或面陣有規(guī)則地排列。MOS電容器是構成CCD的最基本單元。

2.讀出移位寄存器

【電荷耦合器件的工作原理】

【分辨率】

分辨率是指CCD有多少像素，也就是CCD上有多少感光組件，分辨率是圖像傳感器的重要特征。（像素 分辨率長寬數(shù)值相乘，如：640X480=307200，就是30W像素）

CCD分辨率主要取決于CCD芯片的像素數(shù)。

其次，還受到傳輸效率的影響。高度集成的光敏單元可以獲得高分辨率。但光敏單元的尺寸的減少將導致靈敏度的降低。

【CCD圖像器件結構】

CCD作為圖像敏感器使用時，其基本結構及工作方式有以下三種：

1.線陣CCD

圖像從垂直于器件像元排列的方向掃描以記錄在線陣的CCD上，讀出時，每個成像的CCD像元，將電荷包轉移到移位寄存器的一個單元（一個字，而不是一位），沿水平方式快速讀出。

2.面陣幀轉移CCD

成像單元與移位單元整幀地分開。在成像的積分時間內，CCD像元的一半面積記錄圖像，然后，在回掃時間內快速轉移到擋光的另一半面積的像元（位移寄存單元）上。對后一半像元以常規(guī)視頻速率讀出的同時，下一幀圖像的積分開始進行。

3.面陣行轉移CCD

每兩行成像單元之間都夾有一行不透明的移位寄存單元，在成像時間內，傳輸門關閉，電荷包在成像單元上積分，不向寄存單元轉移，已轉移到寄存單元上的前一幀圖像以視頻速率讀出。當傳輸門開啟時，每行成像單元存儲的圖像電荷同時轉移到對應的行間讀出寄存器上。

【信號傳輸原理圖】

線陣CCD信號傳輸：

面陣CCD信號傳輸：

【CCD基本工作原理】

基本功能：電荷的存貯和轉移

特點：以電荷作為信號

1.信號電荷的產(chǎn)生

2.信號電荷的存儲

當金屬電極上加正電壓時，由于電場作用，電極下P型硅區(qū)里空穴被排斥入地成耗盡區(qū)。對電子而言，是勢能很低的區(qū)域，稱“勢阱”。有光線入射到硅片上時，光子作用下產(chǎn)生電子——空穴對空穴被電場作用排斥出耗盡區(qū)，而電子被附近勢阱（俘獲），此時勢阱內吸的光子數(shù)與光強度成正比。

3.電荷轉移原理

CCD電荷耦合器件是以電荷為信號；

讀出位移寄存器也是MOS結構；

有三個十分鄰近的電極組成一個耦合單元，在三個電極上分別施加脈沖波三相時鐘脈沖。

4.電荷耦合信號輸出

CCD信號電荷的輸出的方式主要有電流輸出、電壓輸出兩種，以電壓輸出型為例：有浮置擴散放大器（FDA）、浮置柵放大器（FGA）

讀出

CCD是當今圖像傳感器的主流技術，也是技術最成熟、應用最廣泛的可見光圖像傳感器，以其光譜響應寬、動態(tài)范圍大、靈敏度和幾何精度高、噪聲低、分辨力高、便于進行數(shù)字化處理和與計算機連接等優(yōu)點，應用領域不斷擴展，其在工業(yè)測控中也得到了廣泛應用。

一、CCD的特點

1、高解析度（High Resolution）：像點的大小為m級，可感測及識別精細物體，提高影像品質，從早期1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到現(xiàn)在的1/9寸，像素數(shù)目已從初期的10萬多增加的千萬像素，以后還有急需增加的趨勢。

2、低噪聲（Low Noise）高敏感度：CCD具有很低的讀出噪聲和暗電流噪聲，因此有比較高的信噪比（SNR），同時具有高敏感度0.0003、0.00056LUX甚至0LUX低光度的入射光也能檢測到，其信號不會被噪聲掩蓋，所以CCD的應用基本不受氣候限制。

3、動態(tài)范圍廣（High Dynamic Range）：通過數(shù)字處理的CCD信號，其動態(tài)范圍可達到400%，專業(yè)級可達到600%，可同時適用于強光和弱光，提高系統(tǒng)環(huán)境的使用范圍，不因亮度差異大而造成信號反差現(xiàn)象。

4、良好的線性特性曲線（Linearity）：入射光源強度和輸出信號大小成良好的正比關系，能很好地反應被攝圖像的細節(jié)層次，降低信號補償處理成本。

5、光子轉換效率高（High Quantum Efficiency）：很微弱的入射光照射都能被記錄下來，若配合影響增強管及投光器，即使在黑夜遠處的景物也能拍攝到。

6、大面積感光（Large Field of View）：利用半導體技術已可制造大面積的D晶片，目前于傳統(tǒng)膠片尺寸相當?shù)?5mm的晶片已經(jīng)開始應用在數(shù)碼相機中，成為取代專業(yè)光學相機的關鍵元件。

7、光譜響應廣：從0.4~1.1μm，能檢測很寬波長范圍的光，增加系統(tǒng)使用彈性，擴大系統(tǒng)應用領域；根據(jù)不同應用場合，需用濾色片或復合濾色片。

8、低影像失真：使用CCD感測器，其圖像處理不會有失真的情形，使原物體表面信息忠實的反應出來。

9、體積小、重量輕：CCD具備體積小且重量輕的特性，應用廣泛。

10、低耗能，不受強電磁場影響。

11、電荷傳輸效率佳：該效率系數(shù)影響信噪比、解像率，若電荷傳輸效率不佳，影像將變模糊。

12、可大批量生產(chǎn)，品質穩(wěn)定，堅固，不易老化，使用方便及保養(yǎng)容易。有些燒壞的CCD像素，經(jīng)過一段時間的帶電工作后能自我恢復。

二、CCD在工業(yè)檢測領域的應用

1、可用于對象幾何量的測量。幾何量參數(shù)包括：長、寬、液位、面積等等都可以用CCD傳感器技術來測量。另外，其它如進行多尺寸的檢測和檢查包裝的尺寸、形狀、商標位置與方向是否準確等許多場合也都可以采用CCD技術。

2、在線模式識別。如識別沿自動化生產(chǎn)線傳送的分布離散物件或產(chǎn)品、檢測零件的有無、裝備在機器人上作為視覺系統(tǒng)、以及設備安裝是否符合要求、位置是否準確等。

3、物體表面自動檢測。工業(yè)生產(chǎn)中，表面狀況是物體質量的一個重要因素，采用CCD技術對物體表面狀況進行高精度的檢測，不僅可以省略以往光學機構掃描法中的運動部件，而且檢測色度高，系統(tǒng)結構小，能自動顯示或記錄被檢測物體的表面狀態(tài)等。因而可應用于工業(yè)生產(chǎn)中進行檢測金屬板、塑料、玻璃、紡織等物品的表面缺陷。

4、加工過程檢測。因為CCD具有高速讀出能力，因而也可以用于加工業(yè)過程中的檢測，如機床加工中的位置測定是閉環(huán)控制不可缺少的一個環(huán)節(jié)，應用CCD技術能夠實現(xiàn)加工設備位置高精度的實時控制。

主要CCD 參數(shù)

三種CCD圖像傳感器

CCD的中文全稱是電荷耦合元件，是一種半導體成像器件。通過被攝物體的圖像經(jīng)過鏡頭聚焦至CCD芯片上的原理制成了CCD攝像機，其中的核心原件就是CCD圖像傳感器。

CCD圖像傳感器作為一種新型光電轉換器現(xiàn)已被廣泛應用于攝像、圖像采集、掃描儀以及工業(yè)測量等領域。作為攝像器件，與攝像管相比，CCD圖像傳感器有體積小、重量輕、分辨率高、靈敏度高、動態(tài)范圍寬、光敏元的幾何精度高、光譜響應范圍寬、工作電壓低、功耗小、壽命長、抗震性和抗沖擊性好、不受電磁場干擾和可靠性高等一系列優(yōu)點。

CCD是數(shù)碼相機的電子眼，它革新了攝影術，光可以被電子化地記錄下來，取代了膠片。這一數(shù)字形式極大地方便了對圖像的處理和發(fā)送，”諾貝爾獎評選委員會稱贊說，“無論是我們大海中深邃之地，還是宇宙中的遙遠之處，它都能給我們帶來水晶般清晰的影像?！?/p>

CCD圖像傳感器發(fā)展歷程

CCD圖像傳感器于1969年在貝爾試驗室研制成功，之后由日商等公司開始量產(chǎn)，其發(fā)展歷程已經(jīng)將近30多年，從初期的10多萬像素已經(jīng)發(fā)展至目前主流應用的500萬像素。CCD又可分為線型(Linear)與面型(Area)兩種，其中線型應用于影像掃瞄器及傳真機上，而面型主要應用于數(shù)碼相機(DSC)、攝錄影機、監(jiān)視攝影機等多項影像輸入產(chǎn)品上。

發(fā)明：

伴隨著數(shù)碼相機、帶有攝像頭的手機等電子設備風靡全球，人類已經(jīng)進入了全民數(shù)碼影像的時代，每一個人都可以隨時、隨地、隨意地用影像記錄每一瞬間。帶領我們進入如此五彩斑斕世界的，就是美國科學家威拉德·博伊爾和喬治·史密斯發(fā)明的CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器。

百多年來，伴隨著暗箱、鏡頭和感光材料制作不斷取得突破，以及精密機械、化學技術的發(fā)展，照相機的功能越來越強大，使用越來越方便。但是，直到幾十年前，人們依然只能將影像記錄在膠片上。拍攝影像慢慢普及，但即時欣賞、分享、傳遞影像還非常困難。1969年，博伊爾和史密斯極富創(chuàng)意地發(fā)明了一種半導體裝置，可以把光學影像轉化為數(shù)字信號，這一裝置，就是CCD圖像傳感器。

發(fā)展歷程：

CCD圖像傳感器的發(fā)明，實際上是應用愛因斯坦有關光電效應理論的結果，即光照射到某些物質上，能夠引起物質的電性質發(fā)生變化。但是從理論到實踐，道路卻并不平坦?？茖W家遇到的最大挑戰(zhàn)，在于如何在很短的時間內，將每一個點上因為光照而產(chǎn)生改變的大量電信號采集并且辨別出來。經(jīng)過多次試驗，博伊爾和史密斯終于解決了上述難題。他們采用一種高感光度的半導體材料，將光線照射導致的電信號變化轉換成數(shù)字信號，使得其高效存儲、編輯、傳輸都成為可能。簡單地說，CCD圖像傳感器就像是膠片一樣，有了它，人們就再不用耗時費力地去沖洗膠片了。

三種CCD圖像傳感器的優(yōu)缺點

CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器體系可分為全幀(FF)、幀傳輸(FT)和行間傳輸(IT)三種CCD架構。

全幀(Full-Frame)CCD

半導體區(qū)域既可以作為光電元件，也可以作為電荷轉移器件，這有點違反直覺，但這正是FF CCD中發(fā)生的事情。在集成過程中，像素位置響應入射光子積累電荷，在集成之后，電荷包垂直地通過像素位置向水平移位寄存器移動。

一般情況下，我們通過應用精心定時的時鐘信號來獲得CCD像素數(shù)據(jù)，這些時鐘信號依次在器件的電荷傳輸結構中產(chǎn)生電位阱和電位屏障。在全幀CCD中，我們需要能夠將這些控制電壓應用到同樣起光電探測器作用的區(qū)域，因此，柵極電極由透明多晶硅制成。

全幀CCD相對而言比較簡單且易于制造，并且它們允許整個CCD表面具有光敏性。這使硅的給定區(qū)域中可以包含的像素數(shù)量最大化，同時也使每個像素中實際上能夠將光子轉換為電子的部分最大化。

然而，一個主要的限制是需要一個機械快門(或一個同步的、短時間的光源稱為頻閃)。CCD的光激活區(qū)并不會因為你已經(jīng)決定是時候執(zhí)行讀出而停止光激活。如果沒有在曝光周期完成后阻擋入射光的機械快門，則在(有意)集成期間生成的電荷包將被讀出期間到達的光損壞。

這是全幀CCD的基本架構

幀傳輸(Frame-Transfer)CCD

一般來說，我們更喜歡用電子方式控制曝光，快門(像任何其他快速移動的高精度機械設備一樣)使設計更加復雜，最終產(chǎn)品更加昂貴，整個系統(tǒng)更容易出現(xiàn)故障。在電池供電的應用中，驅動物理物體所需的額外能量也是不可取的。

FT-CCD允許我們保持FF-CCD的一些優(yōu)點，同時(幾乎)不需要快門。這是通過將FF CCD分成兩個大小相等的部分來實現(xiàn)的。其中一個部分是普通的光敏成像陣列，另一個部分是屏蔽入射光的存儲陣列。

在集成之后，用于所有像素的電荷包被快速地傳輸?shù)酱鎯﹃嚵?，然后在存儲陣列中發(fā)生讀出。當讀取存儲位置時，活動像素可以為下一圖像累積電荷，這使得幀傳輸CCD能夠獲得比全幀CCD更高的幀速率。

說FT架構幾乎消除了快門，因為無快門設計會遇到一個稱為垂直涂抹的問題。電荷包從活動像素到存儲位置的傳輸很快，但不是瞬間發(fā)生的，因此在垂直傳輸期間到達傳感器的光可以改變圖像信息。

FT架構的主要缺點是成本較高，并且相對于圖像質量而言面積增大，因為基本上是使用FF傳感器，然后將像素數(shù)減少兩倍。

幀傳輸CCD在全幀架構中增加了一個存儲陣列

線間傳輸(Interline-Transfer)CCD

我們需要的最后一個主要的架構改進是將集成電荷快速轉移到存儲區(qū)域，從而將污跡降低到可以忽略的程度。線間傳輸CCD通過提供與每個光活動位置相鄰的存儲(和傳輸)區(qū)域的網(wǎng)絡來實現(xiàn)這一點。曝光完成后，傳感器中的每個電荷包同時傳輸?shù)椒枪饷舸怪币莆患拇嫫髦小?/p>

因此，它的CCD能夠以最小的拖影實現(xiàn)電子快門，并且像FT-ccd一樣，它們可以在讀出期間集成，從而保持較高的幀速率能力。然而，如果光生電荷在讀出過程中從光活性柱泄漏到相鄰的垂直移位寄存器中，則可能發(fā)生一些涂抹。如果應用程序不需要高幀速率，則可以通過延遲積分直到讀出完成來消除此問題。

線間CCD不需要幀傳輸CCD中使用的大存儲部分，但它們引入了一個新的缺點：傳感器成為將光子轉換為電子的效率較低的手段，因為每個像素位置現(xiàn)在都由光電二極管和垂直移位寄存器的一部分組成。換言之，部分像素對光不敏感，因此相對于落在像素區(qū)域上的光的量產(chǎn)生較少的電荷。這種靈敏度的損失通過在傳感器上添加將入射光集中到每個像素的光活動區(qū)域的微小透鏡而大大減輕，但是這些“微透鏡”有其自身的一系列困難。

在行間傳輸架構中，存儲(和垂直傳輸)區(qū)域位于光活性柱之間。

全幀CCD可能看起來是最“原始”的類型，但它們仍然是不需要高幀速率的系統(tǒng)中的首選，并且可以容忍閃光燈或機械快門的使用。幀傳輸CCD和線間傳輸CCD具有更多的用途，在某些應用中具有關鍵的優(yōu)勢。

CMOS圖像傳感器基礎知識和參數(shù)理解

CMOS圖像傳感器的工作原理：每一個 CMOS 像素都包括感光二極管(Photodiode)、浮動式擴散層(Floating diffusion layer)、傳輸電極門 (Transfer gate)、起放大作用的MOSFET、起像素選擇開關作用的M0SFET.在 CMOS 的曝光階段，感光二極管完成光電轉換，產(chǎn)生信號電荷，曝光結束后，傳輸電極門打開，信號電荷被傳送到浮動式擴散層，由起放大作用的MOSFET電極門來拾取，電荷信號轉換為電壓信號。所以這樣的 CMOS 也就完成了光電轉換、電荷電壓轉換、模擬數(shù)字轉換的三大作用，通過它我們就能把光信號轉化為電信號，最終得到數(shù)字信號被計算機讀取，這樣，我們就已經(jīng)擁有了記錄光線明暗的能力，但這還不夠，因為我們需要色彩。現(xiàn)代彩色CMOS 的原理也很簡單，直接在黑白圖像傳感器的基礎上增加色彩濾波陣列(CFA)，從而實現(xiàn)從黑白到彩色的成像。很著名的一種設計就是Bayer CFA（拜耳色彩濾波陣列）。

一個很有趣的事就是，我們用來記錄光影的 CMOS, 和我們用來輸出光影的顯示器，原理也剛好是向相反的，CMOS 把光轉化為電信號最后以數(shù)字格式記錄，顯示器把解碼的數(shù)字格式從電信號重新轉化為光。光電之間的轉換也就構成了我們人類數(shù)字影像的基礎。

DVP：并口傳輸，速度較慢，傳輸?shù)膸挼汀?/section>

Parallel：并行數(shù)據(jù)，含12位數(shù)據(jù)信號，行場同步信號和時鐘信號。

HISPI:高速像素接口，串行數(shù)據(jù)。

SLVS-EC: 由 SONY 公司定義，用于高幀率和高分辨率圖像采集，它可以將高速串行的數(shù)據(jù)轉化為 DC（Digital Camera）時序后傳遞給下一級模塊 VICAP（Video Capture）。SLVS-EC 串行視頻接口可以提供更高的傳輸帶寬，更低的功耗，在組包方式上，數(shù)據(jù)的冗余度也更低。在應用中 SLVS-EC 接口提供了更加可靠和穩(wěn)定的傳輸。

15、封裝

BGA: 球形觸點陳列，表面貼裝型封裝。球柵網(wǎng)格陣列封裝.

LGA: 平面網(wǎng)格陣列封裝.

PGA: 插針網(wǎng)格陣列封裝.

CSP: 芯片級封裝的意思.

COB: 將裸芯片用導電或非導電膠粘附在互連基板上，然后進行引線鍵合實現(xiàn)其電連接。

Fan-out：扇出晶圓級封裝。

PLCC：帶引線的塑料芯片載體.表面貼裝型封裝。

TSV: TSV技術本質上并不是一種封裝技術方案，而只是一種重要的工具，它允許半導體裸片和晶圓以較高的密度互連在一起。

CMOS圖像傳感器的五大工藝技術

作者：In-Chul Jeong, SK海力士CIS工藝團隊負責人

CMOS圖像傳感器（CIS）技術的創(chuàng)新不斷拓展數(shù)字成像的發(fā)展前景，那么，如何才能確保CIS技術滿足更高級應用的需求呢？本文首先讓我們快速了解一下CIS技術的工作原理，然后再重點介紹CIS獨有的五種制造工藝技術。

CMOS圖像傳感器（CIS）技術的創(chuàng)新不斷拓展數(shù)字成像的發(fā)展前景，其需求最初由智能手機廠商推動，因為增強的照相功能可以讓他們的設備區(qū)別于競爭對手?，F(xiàn)在，CIS在汽車、安全、醫(yī)療和制造領域的市場也在不斷增長。

微型CMOS圖像傳感器的功能可與人眼視網(wǎng)膜媲美，如今更可以與大型昂貴的照相設備競爭。相比智能手機，新的應用更加強調對先進CIS技術的需求。

CIS技術不僅可以捕獲人眼能看到的圖像，而且還可以捕獲數(shù)據(jù)以支持許多新用例，從自動駕駛車輛和虛擬現(xiàn)實（VR），到下一代醫(yī)學成像和高科技監(jiān)視系統(tǒng)。

圖1：對先進CIS技術的需求來自多種應用。（來源：SK Hynix）

那么，如何才能確保CIS技術滿足更高級應用的需求呢？首先，讓我們快速了解一下CIS技術的工作原理，然后再重點介紹CIS獨有的五種制造工藝技術，這些技術均需要不斷地改進。

CIS工作原理

從最基本的層面上講，CIS用來將相機鏡頭的光轉換為數(shù)字數(shù)據(jù)，以創(chuàng)建可見的圖像。當波長范圍為400至700nm的可見光光能被聚集在硅襯底的光電二極管（PD）上時，CMOS圖像傳感器的硅表面將接收該光能，從而形成電子-空穴對。

在此過程中生成的電子通過浮動擴散（FD）轉換為電壓，然后再通過模數(shù)轉換器（ADC）轉換為數(shù)字數(shù)據(jù)。最后，數(shù)據(jù)被發(fā)送到處理器，以創(chuàng)建可視的數(shù)字描述，通常為圖像。

CIS制造技術

生產(chǎn)這種復雜傳感器需要特定的制造技術，通常分為五類。

1.  深光電二極管形成工藝技術

由于消費者對圖像質量不斷提出更高的需求，導致了業(yè)界的競爭加劇，各廠商爭相提高移動CIS中的像素密度和分辨率，這種競爭反過來又進一步加速了CIS工藝技術的發(fā)展。為實現(xiàn)更高的圖像質量，像素尺寸需要進一步減小，以便在相同大小的芯片上容納更多的像素。

圖2：光電二極管結構變化以及像素尺寸不斷減小的示意圖。（來源：SK Hynix）

為了避免圖像質量的下降，深光電二極管的作用極為關鍵。為了在小像素中確保有足夠的滿阱容量（FWC），它的構圖和實施技術難度級別遠超現(xiàn)有的半導體存儲器。為此，必須遵循高寬比率不斷提高的行業(yè)趨勢，確保掩模工藝技術達到超過15：1的高寬比，以阻止高能離子注入。

2.  像素-像素隔離工藝技術

對高清CIS來說，像素間彼此隔離的技術至關重要。不同的芯片制造商會采用不同的隔離技術，但如果隔離技術不佳，將可能導致圖像缺陷，例如混色和散色。

越來越高的像素密度和分辨率成為普遍的需求，隔離便成為CIS市場中圖像質量的重要標準。除此之外，隔離工藝還會出現(xiàn)一些問題。因此，業(yè)界正在努力選擇更好的設備，并開發(fā)新的解決方案以提高良品率和產(chǎn)品質量。

3. 彩色濾光片陣列（CFA）工藝技術

彩色濾光片陣列（CFA）是CIS領域獨有的一種工藝，它在半導體存儲工藝中并不常見。CFA工藝通常包括一個彩色濾光片（CF）和一個微透鏡（ML），濾光片將入射光根據(jù)各自波長范圍過濾為紅色、綠色和藍色，而微透鏡則提高聚光效率。為了獲得穩(wěn)定的圖像質量，需要評估R/G/B彩色材料，并研究出可以優(yōu)化形狀和厚度等參數(shù)的技術。

最近，一系列高質量且功能強大的CIS產(chǎn)品出現(xiàn)在市場上。它們基于Quad Bayer等技術，且輔以CFA的基本形式。

圖3：彩色濾光片陣列由彩色濾光片和微透鏡組成。（來源：SK Hynix）

4.晶圓堆疊工藝技術

晶圓堆疊（即將兩個晶圓粘貼在一起）是生產(chǎn)高像素和高清晰度CIS產(chǎn)品的一項重要技術。對于高像素CIS產(chǎn)品，像素陣列和邏輯電路分別在單個晶圓上形成，然后在處理過程中采用晶圓鍵合技術將它們連接起來。

圖4：晶圓堆疊極大地提升了CIS的性能。（來源：SK Hynix）

大多數(shù)CIS芯片制造商已經(jīng)采用了晶圓堆疊技術，這項技術的各個方面仍在持續(xù)改進中。

5. CIS良率和質量控制技術

CIS產(chǎn)品開發(fā)和批量生產(chǎn)過程中最基本的要求之一是對金屬污染的控制。由于CIS產(chǎn)品對污染的敏感度是存儲產(chǎn)品的幾倍，而且污染直接影響產(chǎn)品良率與質量，因此必須采用各種污染控制技術。

除此之外，等離子體損傷控制也很重要。由于在工藝過程中造成的損壞會導致圖像性能下降（如熱像素），因此有必要對關鍵工藝進行精確管理。

CIS的未來前景

毫不夸張地說，對于由CIS驅動的應用，其有效性將取決于工藝技術。而且，各種工藝相互交互的方式也有很大影響。僅僅優(yōu)化制造工藝的某一方面是不夠的，各種工藝必須全部優(yōu)化才能實現(xiàn)有機互補。

不過，回報是巨大的。從制造業(yè)到醫(yī)療保健服務，再到監(jiān)控，幾乎每個領域都可以利用CIS新技術來改善。擁有對這個世界更豐富、更詳盡的視野，各行各業(yè)的公司都將能夠創(chuàng)建更智能、更先進的產(chǎn)品和服務，從而使終端客戶和整個社會受益。

視覺系統(tǒng)CCD和CMOS傳感器原理應用對比，兩者有什么區(qū)別？

作為電子設備的“眼睛”，圖像傳感器近年來成為市場矚目的焦點，成為半導體行業(yè)炙手可熱的一大領域。目前，CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器（CIS）是被普遍采用的兩種圖像傳感器。

我們所拍攝到的畫面由很多個小的點組成，每個點就是一個像素。顯然，像素數(shù)越多，畫面就會越清晰，如果CCD沒有足夠的像素的話，拍攝出來的畫面的清晰度就會大受影響。因此，CCD的像素數(shù)量應該越多越好。但是為了得到更好的畫質而增加了CCD的像素數(shù)后又必定會導致一個問題，那就是CCD制造成本的增加以及成品率下降。

CMOS憑借低成本、設計簡單、尺寸小、功耗低、高集成度等優(yōu)勢，迅速在民用消費電子市場完成對CCD的替代，目前市場份額已超過99%，而CCD僅在衛(wèi)星、醫(yī)療等專業(yè)領域繼續(xù)使用。

CMOS本是計算機系統(tǒng)內一種重要的芯片，保存了系統(tǒng)引導最基本的資料。CMOS的制造技術和一般計算機芯片沒什么差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在CMOS上共存著帶負電的N極和帶正電的P極的半導體，這兩個一正一負互補效應所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片紀錄和轉換成影像。后來發(fā)現(xiàn)CMOS經(jīng)過加工也可以作為數(shù)碼攝影中的圖像傳感器。

CCD是應用在攝影攝像方面的高端技術元件，CMOS則應用于較低影像品質的產(chǎn)品中，它的優(yōu)點是制造成本較CCD更低，功耗也低得多，這也是市場很多采用USB接口的產(chǎn)品無須外接電源且價格便宜的原因。盡管在技術上有較大的不同，但CCD和CMOS兩者性能差距不是很大，只是CMOS攝像頭對光源的要求要高一些，但該問題已經(jīng)基本得到解決。CCD元件的尺寸多為1/3英寸或者1/4英寸，在相同的分辨率下，宜選擇元件尺寸較大的為好。

CMOS在鏡頭中的應用

與CCD相比，CMOS具有體積小，耗電量不到CCD的1/10，售價也比CCD便宜1/3的優(yōu)點。CMOS是標準工藝制程，可利用現(xiàn)有的半導體設備，不需額外的投資設備，且品質可隨著半導體技術的提升而進步。同時，全球晶圓廠的CMOS生產(chǎn)線較多，日后量產(chǎn)時也有利于成本的降低。另外，CMOS傳感器的最大優(yōu)勢，是它具有高度系統(tǒng)整合的條件。理論上，所有圖像傳感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移暫存器、時序控制、CDS、ADC…等，都可放在集成在一顆晶片上，甚至于所有的晶片包括后端晶片（Back-end Chip）、快閃記憶體（Flash RAM）等也可整合成單晶片（SYSTEM-ON-CHIP），以達到降低整機生產(chǎn)成本的目的。

因工作原理不同，CMOS相比于CCD天然在圖像質量方面處于劣勢。原因主要在于兩個方面：首先，CMOS的每個像素都帶有信號放大器，相互之間難以保持一致，因此容易形成噪點，而CCD由于是在器件邊緣出口位置統(tǒng)一放大信號，一致性更強，因此信噪比優(yōu)勢明顯；其次，CMOS每個像素中的信號放大器擠占了感光元件面積，因此靈敏度受限很大，而CCD的像素點中基本全部是感光元件，靈敏度明顯更高。 

CCD與CMOS原理差別

然而，通過硬件結構設計的不斷創(chuàng)新以及圖像處理技術的快速發(fā)展，CMOS相對于CCD在圖像質量上的差距在過去被不斷縮小。具體來看，2008年前后，Omni Vision和索尼相繼發(fā)布背照式CMOS產(chǎn)品，通過將金屬排線層和光電二極管的前后位置調換，擴大了CMOS中單像素點的有效感光面積，帶來器件靈敏度的大幅提升（以SONY的Exmor R系列為例，靈敏度提升至傳統(tǒng)CMOS的兩倍）。

傳統(tǒng)式與背照式的原理區(qū)別

 背照式CMOS靈敏度明顯提升

之后索尼又在 2012 年推出堆棧式CMOS技術，可使整顆組件在同尺寸規(guī)格下得到更多的空間來獲得更大面積的感光范圍。

我們最后總結對比一下：

①傳統(tǒng)CMOS感光元件成像過程：光線先通過最上方的電路，然后再進入感光層進行成像，由于光線先經(jīng)過電路層，部分光線會反射回去，導致進光量減少。 

②背照式感光元件就將部分電路放到了像素層的下面，但仍有部分是在像素層上的，那么這樣光線就首先經(jīng)過像素層再經(jīng)過電路，進光量就大大提升了，而且還能通過在下方的電路進行對照片的的優(yōu)化。 

③堆棧式感光元件完全把電路層放到了像素層的下方，這樣的進光量會更加大，使得在暗的環(huán)境中拍攝到亮度更高的照片。 

傳統(tǒng)式、背照式、堆棧式對比圖

CMOS圖像傳感器產(chǎn)業(yè)鏈主要由上游的芯片設計企業(yè)，中游的晶圓代工廠、封裝企業(yè)和下游的模組廠商及終端客戶組成。CMOS對供應鏈的拉動，在上、下、中游都有體現(xiàn)。 

圖像傳感器產(chǎn)品類型 

圖像傳感器兩種主要的成像技術是CCD（電荷耦合器件）和CMOS。一般來看，CCD具有更低的噪聲，更好的像素間均勻性，并且以較佳的圖像質量而享有盛譽。CMOS傳感器則提供了更高的集成度-降低了電路設計人員的工作復雜度-并降低了功耗。

還有一些其他類型的傳感器，比如NMOS傳感器用于光譜學，微型測光儀提供紅外熱成像的靈敏度，而特殊應用可能會使用連接到定制放大器電路的光電二極管陣列。

產(chǎn)品特點 

CCD圖像傳感器作為攝像器件，與攝像管相比，具有有體積小、重量輕、功耗小、壽命長、工作電壓低、靈敏度高、分辨率高、動態(tài)范圍寬、光敏元的幾何精度高、光譜響應范圍寬、抗震性和抗沖擊性好、不受電磁場干擾等一系列優(yōu)點。 

與CCD相比，CMOS具有體積小、耗電量低、售價較低的優(yōu)點。與CCD產(chǎn)品相比，CMOS是標準工藝制程，可利用現(xiàn)有的半導體設備，不需額外的投資設備，且品質可隨著半導體技術的提升而進步。值得注意的是，全球晶圓廠的CMOS生產(chǎn)線較多，量產(chǎn)時也有利于成本的降低。

應用領域 

CCD又可分為線型（Linear）與面型（Area）兩種，其中線型應用于影像掃瞄器及傳真機上，而面型主要應用于數(shù)碼相機（DSC）、攝錄影機、監(jiān)視攝影機等多項影像輸入產(chǎn)品上。CCD圖像傳感器除了大規(guī)模應用于數(shù)碼相機外，還廣泛應用于攝像機、掃描儀，以及工業(yè)領域等。 

在搭建機器視覺系統(tǒng)時我們首要考慮的是圖像傳感器，如何選擇我們需要了解CCD和CMOS圖像傳感器之間的區(qū)別。 可能你更經(jīng)常聽到CMOS術語。 那么，什么是CCD和CMOS圖像傳感器 ，它們有什么不同呢？

【圖像傳感器CCD和CMOS技術性能對比】

固體圖像傳感器(也稱固體光電成像器件)有CCD與CMOS兩種。CCD是“電荷耦合器件”(Charge Coupled Device)的簡稱，而CMOS是“互補金屬氧化物半導體”(Complementary Metal Oxide Semiconductor)的簡稱。

1.信息讀取方式的對比

CCD光電成像器件存貯的電荷信息，需要在二相或三相或四相時鐘驅動脈沖的控制下，一位一位地實施轉移后逐行順序讀取。

而CMOS光電成像器件的光學圖像信息經(jīng)光電轉換后產(chǎn)生電流或電壓信號，這個電信號不需要像CCD那樣逐行讀取，而是從CMOS晶體管開關陣列中直接讀取的，可增加取像的靈活性。而CCD絕無此功能。

2.速度的對比

由上知，CCD成像器件需在二、三、四相時鐘驅動脈沖的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，所以速度較慢。

而CMOS成像器件在采集光電圖像信號的同時就可取出電信號，它并能同時處理各單元的圖像信息，所以速度比CCD成像器件快得多。由于CMOS成像器件的行、列電極可以被高速地驅動，再加上在同一芯片上做A/D轉換，圖像信號能快速地取出，因此它可在相當高的幀速下動作。如有些設計用來做機器視覺的CMOS，聲稱可以高達每秒1000個畫面的幀速。

3.電源及耗電量的對比

由于CCD的像素由MOS電容構成，讀取電荷信號時需使用電壓相當大(至少12V)的二相或三相或四相時序脈沖信號，才能有效地傳輸電荷。因此CCD的取像系統(tǒng)除了要有多個電源外，其外設電路也會消耗相當大的功率。有的CCD取像系統(tǒng)需消耗2~5W的功率。

而CMOS光電成像器件只需使用一個單電源5V或3V，耗電量非常小，僅為CCD的1/8~1/10，有的CMOS取像系統(tǒng)只消耗20~50mW的功率。

4.成像質量的對比

CCD成像器件制作技術起步早，技術成熟，采用PN結或二氧化硅(sio2)隔離層隔離噪聲，所以噪聲低，成像質量好。

與CCD相比，CMOS的主要缺點是噪聲高及靈敏度低，因為CMOS成像器件集成度高，各光電元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾嚴重，噪聲對圖像質量影響很大，開始很長一段時間無法進入實用。后來，噪聲的問題用有源像素(Active Pixel)設計及噪聲補正線路加以降低。近年，隨著CMOS電路消噪技術的不斷進展，為生產(chǎn)高密度優(yōu)質的CMOS成像器件提供了良好的條件。已有廠商聲稱，所開發(fā)出的技術，成像質量已不比CCD差。

CMOS成像器件的靈敏度低，是因為像素部分面積被用來制作放大器等線路。在固定的芯片面積上，除非采用更精細的制造工藝，否則為了維持相當水準的靈敏度，成像器件的分辨率不能做得太高(反過來說，固定分辯率的傳感器，芯片尺寸無法做得太小)。但目前，利用0.18μm 制造技術己開發(fā)出了4096×4096超高分辨率的CMOS圖像傳感器。

總結:

什么是CCD成像傳感器？ 

CCD代表電荷耦合器件。 它是數(shù)字和機器視覺相機中用于捕捉靜止和移動物體的一種傳感器。 CCD傳感器捕捉光線，并將其轉換為數(shù)字數(shù)據(jù)以轉換成圖像。 在CMOS圖像傳感器引入之前，CCD傳感器被工業(yè)機器視覺系統(tǒng)廣泛用于質量檢查，檢查和控制。 

什么是CMOS成像傳感器？ 

CMOS代表互補金屬氧化物半導體，這是一種為集成電路供電的技術。 CMOS技術為當今的許多電子設備提供動力，包括電池，微處理器，數(shù)字和智能手機相機。 與CCD傳感器不同，CMOS傳感器不需要特殊的制造技術。 

CCD和CMOS圖像傳感器的區(qū)別 

與較新的CMOS傳感器不同，CCD傳感器需要特殊的制造，而這通常更昂貴。 因此，CCD傳感器通常具有非常高的質量和光敏感性，能夠以較低的噪音提供清晰的圖像。 

CMOS傳感器制造和使用大多數(shù)微處理器使用的傳統(tǒng)制造技術便宜。 他們也被認為是更好的能源效率。 根據(jù)Jacob Fraden的“現(xiàn)代傳感器手冊”，CCD傳感器可以消耗高達100倍的相對CMOS圖像傳感器的功率。 

簡而言之，您很可能會找到一款配備CCD成像傳感器的相機，其中光敏度是一個重要的因素，或者高質量，高分辨率的圖像使所有的差異。

區(qū)分 CCD與CMOS圖像傳感器 

由于其功率效率和成本效益，目前大多數(shù)生產(chǎn)環(huán)境使用CMOS傳感器驅動的機器視覺相機。 隨著時間的推移，技術也在不斷發(fā)展，CMOS圖像傳感器現(xiàn)在可以生成噪聲較小的圖像。 CMOS傳感器上的每個像素都有自己的C2V（電荷 - 電壓）轉換，因此每個電荷都以數(shù)字方式輸出。 正因為如此，CMOS傳感器在處理速度和功率效率方面遠遠超過。 

CCD傳感器具有有限數(shù)量的節(jié)點來轉換傳感器上的每個像素電荷。 這會導致處理速度變慢。 但是，由于所有的像素都可以用于CCD結構上的光線捕捉，因此整體輸出更加清晰明亮。 

對于機器視覺而言，重要的KPI指處理速度和圖像噪聲。 CMOS傳感器允許每個像素進行數(shù)字轉換，從而帶寬更低。 或者，高速CCD傳感器不像高速CMOS成像器那樣大規(guī)模并行。 結果，每個CCD放大器具有更高的帶寬，導致產(chǎn)生的圖像上更大的噪聲。 這就是為什么大多數(shù)工業(yè)應用都使用最新的CMOS傳感器，這種傳感器可以被設計成產(chǎn)生噪聲少得多的圖像。 

CMOS傳感器和GigE Vision 

由于機器視覺和自動化高度依賴于速度，EMVA引入了符合成像系統(tǒng)的機器視覺標準，以確保使用最新技術加快處理速度。 GigE Vision是機器視覺系統(tǒng)的最新標準，可確保在極高速度下實現(xiàn)最佳成像。 

然而，CMOS圖像傳感器已經(jīng)進一步遵從10 GigE機器視覺技術。 10 GigE Vision是最先進的通信協(xié)議，比前一代處理速度高出十倍。 各種CMOS傳感器已被用于制造10 GigE機器視覺系統(tǒng)，包括最新的Sony Pregius CMOS圖像傳感器

結合CMOS成像器的低噪聲，高速度和高功效性能，10 GigE機器視覺系統(tǒng)是旨在滿足超高速和快速移動環(huán)境中的成像要求的性能強大的設備。 

雖然CCD圖像傳感器在市場上已經(jīng)有了更長的時間，而且成熟得多，但CMOS傳感器快速發(fā)展使其成為現(xiàn)代工業(yè)機器視覺的首選。

CMOS傳感器的應用范圍也越來越廣泛，包括手機、數(shù)碼相機、視頻會議、電腦攝像頭、智能型安保系統(tǒng)、汽車倒車視像雷達等。拿工業(yè)生產(chǎn)來講，紅外圖像傳感器正在成為許多生產(chǎn)流程中的關鍵部分。隨著紅外圖像傳感器成本的降低以及各類新技術的誕生，采用了新架構和新算法的傳感器在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮的作用越來越大，既能節(jié)約成本，又能實現(xiàn)自動化。 

近年來對于CMOS圖像傳感器大的拉動，莫過于智能手機的普及。隨著CMOS圖像傳感器技術的進步，包括背照式、堆棧式等技術的興起，以及雙攝像頭設計陸續(xù)出現(xiàn)并成為智能手機的新賣點。 

今后，CMOS圖像傳感器的市場銷售額有望進一步增長。從產(chǎn)品的技術發(fā)展趨勢來看，無論是CCD還是CMOS，其體積小型化、智能化、高像素化仍是業(yè)界積極研發(fā)的目標。將圖像傳感器 激光雷達組合來提供解決方案，有望贏得更多汽車廠商的青睞。 

相機視覺系統(tǒng)中，最重要的莫過于將檢測目標的光學圖像，聚焦于獲得所有圖像信息的處理與分析。無論是CCD還是CMOS圖像傳感器，作為視覺系統(tǒng)中光電轉換的核心部件，鏡頭的質量直接決定著視覺系統(tǒng)的整體性能，因此，選擇合適的鏡頭、設計成像光路是做好視覺系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)之一。

圖像傳感器科普

來源：馭勢資本

1873年，科學家約瑟·美(Joseph May)及偉洛比·史密夫(WilloughbySmith)就發(fā)現(xiàn)了硒元素結晶體感光后能產(chǎn)生電流，由此，電子影像發(fā)展開始，隨著技術演進，圖像傳感器性能逐步提升。

1.20世紀50年代——光學倍增管(Photo Multiplier Tube，簡稱PMT)出現(xiàn)。

2.1965年-1970年，IBM、Fairchild等企業(yè)開發(fā)光電以及雙極二極管陣列。

3.1970年，CCD圖像傳感器在Bell實驗室發(fā)明，依靠其高量子效率、高靈敏度、低暗電流、高一致性、低噪音等性能，成為圖像傳感器市場的主導。

4.90年代末，步入CMOS時代。

圖像傳感器的歷史沿革——PMT

1.光電倍增管（簡稱光電倍增管或PMT），真空光電管的一種。工作原理是：由光電效應引起，在PMT入射窗處撞擊光電陰極的光子產(chǎn)生電子，然后由高壓場加速，并在二次加工過程中在倍增電極鏈中倍增發(fā)射。

2.光電倍增管是一種極其靈敏的光檢測器，可探測電磁波譜紫外，可見和近紅外范圍內光源，提供與光強度成比例的電流輸出，廣泛應用于驗血，醫(yī)學成像，電影膠片掃描（電視電影），雷達干擾和高端圖像掃描儀鼓掃描儀中。

圖像傳感器的歷史沿革——CCD

1.數(shù)字成像始于1969年，由Willard Boyle和George E. Smith于AT＆T貝爾實驗室發(fā)明。

2.最初致力于內存→“充電'氣泡'設備”，可以被用作移位寄存器和區(qū)域成像設備。

3.CCD是電子設備，CCD在硅芯片（IC）中進行光信號與電信號之間的轉換，從而實現(xiàn)數(shù)字化，并存儲 為計算機上的圖像文件。

4.2009年， Willard Boyle和George E. Smith獲得諾貝爾物理學獎。

國際空間站使用CCD相機

1.1997年，卡西尼國際空間站使用CCD相機（廣角和窄角）

2.美國宇航局局長丹尼爾戈爾丁稱贊CCD相機“更快，更好，更便宜”；聲稱在未來的航天器上減少質量，功率，成本，都需要小型化相機。而電子集成便是小型化的良好途徑，而基于MOS的圖像傳感器便擁有無源像素和有源像素（3T）的配置。

圖像傳感器的歷史沿革——CMOS圖像傳感器

1.CMOS圖像傳感器使得“芯片相機”成為可能，相機小型化趨勢明顯。

2.2007年，Siimpel AF相機模型的出現(xiàn)標志著相機小型化重大突破。

3.芯片相機的崛起為多個領域（車載，軍工航天、醫(yī)療、工業(yè)制造、移動攝影、安防）等領域的技術創(chuàng)新提供了新機遇。

CMOS圖像傳感器走向商業(yè)化

1.1995年2月，Photobit公司成立，將CMOS圖像傳感器技術實現(xiàn)商業(yè)化。

2.1995-2001年間，Photobit增長到約135人，主要包括：私營企業(yè)自籌資金的定制設計合同、SBIR計劃的重要支持（NASA/DoD）、戰(zhàn)略業(yè)務合作伙伴的投資，這期間共提交了100多項新專利申請。

3.CMOS圖像傳感器經(jīng)商業(yè)化后，發(fā)展迅猛，應用前景廣闊，逐步取代CCD成為新潮流。

CMOS圖像傳感器的廣泛應用

2001年11月，Photobit被美光科技公司收購并獲得許可回歸加州理工學院。與此同時，到2001年，已有數(shù)十家競爭對手嶄露頭角，例如Toshiba，STMicro，Omnivision，CMOS圖像傳感器業(yè)務部分歸功于早期的努力促進技術成果轉化。后來，索尼和三星分別成為了現(xiàn)在全球市場排名第一，第二。后來，Micron剝離了Aptina，Aptina被ON Semi收購，目前排名第4。CMOS傳感器逐漸成為攝影領域主流，并廣泛應用于多種場合。

CMOS圖像傳感器發(fā)展歷程

70年代：Fairchild

80年代：Hitachi

80年代初期：Sony

1971年：發(fā)明FDA&CDS技術

80年中葉：在消費市場上實現(xiàn)重大突破；

1990年：NHK/Olympus,放大MOS成像儀(AMI)，即CIS

1993年：JPL,CMOS有源像素傳感器，

1998年：單芯片相機，2005年后：CMOS圖像傳感器成為主流。

CMOS圖像傳感器技術簡介

CMOS圖像傳感器

CMOS圖像傳感器（CIS）是模擬電路和數(shù)字電路的集成。主要由四個組件構成：微透鏡、彩色濾光片 （CF）、光電二極管（PD）、像素設計。

1.微透鏡：具有球形表面和網(wǎng)狀透鏡；光通過微透鏡時，CIS的非活性部分負責將光收集起來并將其聚焦到彩色濾光片。

2.彩色濾光片（CF）：拆分反射光中的紅、綠、藍 （RGB）成分，并通過感光元件形成拜爾陣列濾鏡。

3.光電二極管（PD）：作為光電轉換器件，捕捉光并轉換成電流；一般采用PIN二極管或PN結器件制成。

4.像素設計：通過CIS上裝配的有源像素傳感器(APS)實現(xiàn)。APS常由3至6個晶體管構成，可從大型電容陣列中獲得或緩沖像素，并在像素內部將光電流轉換成電壓，具有較完美的靈敏度水平和的噪聲指標。

Bayer陣列濾鏡與像素

1.感光元件上的每個方塊代表一個像素塊，上方附著著一層彩色濾光片（CF），CF拆分完反射光中的RGB成分后，通過感光元件形成拜爾陣列濾鏡。經(jīng)典的Bayer陣列是以2x2共四格分散RGB的方式成像，Quad Bayer陣列擴大到了4x4，并且以2x2的方式將RGB相鄰排列。

2.像素，即亮光或暗光條件下的像素點數(shù)量，是數(shù)碼顯示的基本單位，其實質是一個抽象的取樣，我們用彩色方塊來表示。

3.圖示像素用R（紅）G（綠）B（藍）三原色填充，每個小像素塊的長度指的是像素尺寸，圖示尺寸為0.8μm。

Bayer陣列濾鏡與像素

濾鏡上每個小方塊與感光元件的像素塊對應，也就是在每個像素前覆蓋了一個特定的顏色濾鏡。比如紅色濾鏡塊，只允許紅色光線投到感光元件上，那么對應的這個像素塊就只反映紅色光線的信息。隨后還需要后期色彩還原去猜色，最后形成一張完整的彩色照片。感光元件→Bayer濾鏡→色彩還原，這一整套流程，就叫做Bayer陣列。

前照式（FSI）與背照式（BSI）

早期的CIS采用的是前面照度技術FSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED），拜爾陣列濾鏡與光電二極管（PD）間夾雜著金屬（鋁，銅）區(qū)，大量金屬連線的存在對進入傳感器表面的光線存在較大的干擾，阻礙了相當一部分光線進入到下一層的光電二極管（PD），信噪比較低。技術改進后，在背面照度技術BSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED）的結構下，金屬（鋁，銅）區(qū)轉移到光電二極管（PD）的背面，意味著經(jīng)拜爾陣列濾鏡收集的光線不再眾多金屬連線阻擋，光線得以直接進入光電二極管；BSI不僅可大幅度提高信噪比，且可配合更復雜、更大規(guī)模電路來提升傳感器讀取速度。

CIS參數(shù)——幀率

幀率（Frame rate）：以幀為單位的位圖圖像連續(xù)出現(xiàn)在顯示器上的頻率，即每秒能顯示多少張圖片。而想要實現(xiàn)高像素CIS的設計，很重要的一點就是Analog電路設計，像素上去了，沒有匹配的高速讀出和處理電路，便無辦法以高幀率輸出出來。

索尼早于2007年chuan'gan發(fā)布了首款Exmor傳感器。Exmor傳感器在每列像素下方布有獨立的ADC模數(shù)轉換器，這意味著在CIS芯片上即可完成模數(shù)轉換，有效減少了噪聲，大大提高了讀取速度，也簡化了PCB設計。

CMOS圖像傳感器的應用

CMOS圖像傳感器全球市場規(guī)模

2017年為CMOS圖像傳感器高增長點，同比增長達到20%。2018年，全球CIS市場規(guī)模155億美元，預計2019年同比增長10%，達到170億美元。

目前，CIS市場正處于穩(wěn)定增長期，預計2024年市場逐漸飽和，市場規(guī)模達到240億美元。

CIS應用——車載領域

1.車載領域的CIS應用包括：后視攝像(RVC)，全方位視圖系統(tǒng)(SVS)，攝像機監(jiān)控系統(tǒng)（CMS），F(xiàn)V/MV，DMS/IMS系統(tǒng)。

2.汽車圖像傳感器全球銷量呈逐年增長趨勢。

3.后視攝像(RVC)是銷量主力軍，呈穩(wěn)定增長趨勢，2016年全球銷量為5100萬臺，2018年為6000萬臺，2019年預計達到6500萬臺。

4.FV/MV全球銷量增長迅速，2016年為1000萬臺，2018年為3000萬臺，此后，預計FV/MV將依舊保持迅速增長趨勢，預計2019年銷量可達4000萬臺，2021可達7500萬臺，直逼RVC全球銷量。

車載領域——HDR技術方法

1.HDR解決方案，即高動態(tài)范圍成像，是用來實現(xiàn)比普通數(shù)位圖像技術更大曝光動態(tài)范圍。

2.時間復用。相同的像素陣列通過使用多個卷簾（交錯HDR）來描繪多個邊框。好處：HDR方案是與傳統(tǒng)傳感 器兼容的最簡單的像素技術。缺點：不同時間發(fā)生的捕獲導致產(chǎn)生運動偽影。

3.空間復用。單個像素陣列幀被分解為多個，通過不同的方法捕獲：1.像素或行級別的獨立曝光控制。優(yōu)點：單幀中的運動偽影比交錯的運動偽影少。缺點：分辨率損失，且運動偽影仍然存在邊緣。2.每個像素共用同一微透鏡的多個光電二極管。優(yōu)點：在單個多捕獲幀中沒有運動偽影；缺點：從等效像素區(qū)域降低靈敏度。

4.非常大的全井產(chǎn)能。

車載領域——閃變抑制技術

1.多個集成周期（時間多路傳輸）。在每個整合期內對光電二極管充電進行多次進行采樣，樣品光電二極管比LED源頻率更高。

2.多個光電二極管（空間多路復用）。使用較大的光電二極管捕捉較低的輕松的場景；使用較小的不靈敏光電二極管在整個幀時間內集成（減輕LED閃爍）。

3.每個像素由兩個光電二極管構成。其中包含一個大的靈敏光電二極管和一個小的不靈敏光電二極管，小型不靈敏光電二極管可在整幀中合并，從而減輕LED閃爍。優(yōu)勢在于有出色的閃變抑制、計算復雜度低；劣勢在于更大更復雜的像素架構、更復雜的讀數(shù)和電路定時、大型光電二極管和小型光電二極管和之間的光譜靈敏度不匹配。

車載領域——陣列攝像機

1.陣列攝像機是一種新興的攝像機技術，是指紅外燈的內核為LED IR Array的高效長壽的紅外夜視設備，可能是可行的LED檢測解決方案。

2.用于LED檢測的低靈敏度攝像頭可以實現(xiàn)圖像融合的組合輸出，并能夠實現(xiàn)單獨輸出，或同時輸出。主要優(yōu)勢在于亮度高、體積小、壽命長，效率高，光線勻。

3.目前，陣列攝像機還面臨著諸多挑戰(zhàn)。首先，汽車光學對準誤差難以保持溫度范圍；其次，圖像融合面向應用和復雜的計算；最后，高靈敏度和低靈敏度圖像之間難以融合.

車載領域——機器視覺傳感器技術趨勢

全局快門。CMOS傳感器有兩種快門方式，卷簾快門和全局快門。卷簾快門通過對每列像素使用A/D來提高讀取速度，每列像素數(shù)量可達數(shù)千。任何一個轉換器數(shù)字化的像素總數(shù)顯著減少，從而縮短了讀取時間，提高了幀速率。但整個傳感器陣列仍必須轉換為一個一次排，這導致每行讀出之間的時間延遲很小。和機械式焦平面快門一樣，卷簾快門對高速運動的物體會產(chǎn)生明顯的變形。而且因為其掃描速度比機械式焦平面快門慢，變形會更加明顯；全局快門則大大改善了應用于高度運動對象時的變形問題。

改進的近紅外（NIR）響應、高靈敏度濾色片陣列（RCCB）、數(shù)據(jù)加密處理、更高的幀速率、集成傳感和 處理、3D成像。

CIS應用——手機領域

盡管2019智能手機銷量低迷，手機圖像傳感器的銷售也可實現(xiàn)約20％的增長。

隨著多鏡頭相機變得越來越普及，以及傳感器尺寸的增加。未來所有智能手機制造商都會發(fā)布具有比以往更具價值的傳感器型號。

手機領域——手機攝像頭發(fā)展史

主攝像頭：第一部拍照手機——智能手機——雙攝/多攝：2000年，夏普首次推出可拍照的手機；隨后智能手機時代到來，主攝像頭素質不斷提升；目前，雙攝/多攝已成為主流。

前置攝像頭：自拍——3D-sensing：前置攝像頭素質同步提升，目前越來越多廠商加入人臉識別功能。

手機領域——手機攝像模組

攝像模組構成:

CMOS——決定照片質量的關鍵因素

手機領域——主攝像素升級

手機領域——CMOS迭代升級

1.隨著技術的發(fā)展，越來越多的手機開始注重拍照的硬件升級。攝像頭和CMOS成為了產(chǎn)品突出差異性的賣點之一。拋開鏡頭差異，成像質量與CMOS大小成正比，主攝像素提升推動CMOS迭代升級。

2.隨著技術的發(fā)展，手機的CMOS也在日益增大，1/1.7英寸級的CMOS如今成為手機攝像頭傳感器的新選擇。而更多手機也用上了1/2.3英寸級的傳感器。

3.作為手機CMOS最大的上游供應商，也研發(fā)出了堆棧結構的CMOS。它在傳統(tǒng)的感光層與底部電路之間增加了一層DRAM動態(tài)存儲器，從而讓感光元件具備短時間拍攝大數(shù)據(jù)量影像的能力。

手機領域——光學變焦趨勢

手機攝像頭過去以像素升級為主；受CMOS尺寸限制，手機攝像開始注重變焦能力。

變焦有光學變焦與數(shù)碼變焦兩種。光學變焦通過光學原理調整焦距，成像畫質無損。數(shù)碼變焦就是通過軟件算法來放大/縮小，通過插值計算，成像有損，有較多噪點。

為了進一步提升手機成像素質，注重變焦能力；而傳統(tǒng)專業(yè)相機的光學系統(tǒng)無法移植到手機上。手機變焦往往會采用“雙攝變焦”，采用兩個定焦鏡頭，利用其物理焦距的不同，實現(xiàn)變焦效果；顯然，單攝已經(jīng)無法滿足對光學變焦的需求了。

手機領域——第四個攝像頭：3D-sensing

目前主流的3D深度攝像主流有兩種種方案：結構光、TOF。iPhone采用前者，華為采用后置。

結構光（Structured Light）：結構光投射特定的光信息到物體表面后，由攝像頭采集。根據(jù)物體造成的光信號的變化來計算物體的位置和深度等信息，進而復原整個三維空間。

TOF（Time Of Flight）：TOF系統(tǒng)是一種光雷達系統(tǒng)，可從發(fā)射極向對象發(fā)射光脈沖，接收器則可通過計算光脈沖從發(fā)射器到對象，再以像素格式返回到接收器的運行時間來確定被測量對象的距離。

手機領域——手機攝像模組數(shù)量

單只手機攝像模組需求量增加

從傳統(tǒng)的單攝，到雙攝市場滲透率逐漸成為市場主流，再到三攝、全隱藏式攝像頭、3D攝像頭的創(chuàng)新式開拓，單只手機攝像模組的需求看漲。

iPhone X、小米8、OPPO FIND X、三星Galaxy S9 單 只攝像模組需求量均為4,；此外，華為P20 Pro和Mate20  Pro均配備5組攝像模組。

手機領域——多攝帶動CMOS用量提升

根據(jù)Yole的統(tǒng)計顯示，平均每部智能手機CMOS圖像傳感器數(shù)量在2024年將達到3.4個，年復合增長率達到6.2%。

手機攝像頭數(shù)量增加，CIS出貨量成倍增長。為了提高照相畫質，手機引入了雙攝、甚至三攝、四攝。

安防領域——視頻監(jiān)視技術發(fā)展歷程

閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展歷程：錄像帶錄像機（VCR）→數(shù)字視頻錄像機（DVR）→網(wǎng)絡視頻錄像機（NVR）。視頻監(jiān)控系統(tǒng)越來越復雜，性能也不斷升級。

安防領域——當前監(jiān)控攝像機類型

高清攝像頭中使用的圖像傳感器對分辨率的要求較高，在60幀/秒等高幀率下能夠實現(xiàn)720P或1080P的清晰度。

寬動態(tài)范圍攝像機的芯片上集成寬動態(tài)范圍攝像技術以及圖像處理技術，能在極暗和極亮環(huán)境下拍攝。

3D立體攝像級具有在動態(tài)光環(huán)境中保持追蹤精度的能力，可與視頻分析技術配合使用。

3D立體攝像級具有在動態(tài)光環(huán)境中保持追蹤精度的能力，可與視頻分析技術配合使用。

安防領域——紅外線攝像技術

紅外線攝像技術分為被動和主動兩種類型。

被動型：拍攝對象自身發(fā)射紅外光被攝像機接受以成像。這類設備昂貴并且對周圍環(huán)境不能良好反映，所以在夜視系統(tǒng)中基本不采用。

主動型：配置有紅外燈主動向外發(fā)射紅外輻射，使紅外攝像機接收反射回來的紅外光，增強夜視能力。目前紅外攝像機基本都配置LED紅外發(fā)光二級管。

主動型紅外攝像機包含攝像機、防護罩、紅外燈、供電散熱單元。它貼切的名稱為紅外線增強攝像機。感光元件的頻譜足夠寬時能對紅外線到可見光的連續(xù)譜產(chǎn)生感應，形成包括紅外線在內的光敏感。在普通可見光強下，寬范圍感光元件增加了紅外頻段，在弱光條件下，也能獲得清楚的圖像。

安防領域——紅外光成像

紅外線攝影術以成像為目標。伴隨著電子與化學科技的進 展，紅外線攝像技術逐漸演化出三個方向。

1.近紅外線底片：感應范圍為波長700nm～900nm。在成像乳劑中加入特殊染料，利用光化學反應，使這一波域的光變化轉為化學變化從而形成影像。

2.近紅外線電子感光材料：感應范圍為波長700nm～2,000nm。利用含硅化合物晶體的光電反應形成電子信號， 進過進一步處產(chǎn)生影像。

3.中、遠紅外線線感應材料：感應范圍為波長3,000nm～14,000nm。需要 使用冷卻技術和特殊的光學感應器， 加工處理形成電子影像。

安防領域——全球市場規(guī)模

全球紅外攝像機設備市場規(guī)模在2017年近30億美元，其中商用攝像機市場規(guī)模20億美元，軍用攝像機市場規(guī)模10億美元。預計2016-2022年商用領域紅外攝像機市場規(guī)模年均復合增長率為5.6%，軍用領域的年均復合增長率為 8.8%。2022年市場總規(guī)模將近43億美元。

全球安防攝像機市場銷量在2015年約28萬件，其中監(jiān)視攝像機約8萬件，安保系統(tǒng)攝像機約20萬個。預計到2021年安防攝像機市場銷量約64萬件，其中監(jiān)視攝像機約22萬件，年均復合增長率為18%，安保系統(tǒng)攝像機約42萬個，年均復合增長率約13%。

圖像傳感器應用——醫(yī)療影像

與其他具有更高產(chǎn)量和更高成本敏感性的市場相比，圖像傳感器在醫(yī)療影像市場應用有其鮮明的特點：其封裝步驟通常由設備制造商控制。

圖像傳感器技術正逐漸在行業(yè)中創(chuàng)造顛覆性力量，從2014年開始，市場發(fā)展迅速，行業(yè)競爭加劇：韓國和中國出現(xiàn)更多新參與者，成為現(xiàn)有大型企業(yè)的潛在障礙，行業(yè)完全整合的可能性降低。

圖像傳感器在醫(yī)療影像市場具有多元應用場景：X-ray、內窺鏡、分子成像、光學相干斷層掃描以及超聲成像。

醫(yī)療影像——市場規(guī)模

醫(yī)療成像設備行業(yè)是一個巨大的350億美元的市場，2016-2022年預計復合年增長率達5.5％。

2016年，醫(yī)療傳感器市場規(guī)模3.5億美元，預計2016-2022年復合增長率8.3％，到2022年將達6億美元。

根據(jù)應用技術不同，醫(yī)療圖像傳感器可分為CCD， CIS，a-Si FPD（非晶硅薄膜晶體管平面探測器），a-Se FPD（非晶硒薄膜晶體管平板探測器），SiPM（硅光電倍增管）、cMUT（電容微機械超聲換能器）和pMUT（壓電微機械超聲換能器）。

醫(yī)療影像——市場規(guī)模

CMOS傳感器憑借其在通過更小的像素尺寸獲得更高分辨率、降低噪聲水平和暗電流以及低成本方面的優(yōu)越性在醫(yī)療影像領域得到越來越廣泛的應用，未來市場看漲。

CCD市場保持穩(wěn)定。醫(yī)用a-Si FPD因其簡單性和大面板內置能力仍應用廣泛；SiPM專用于分子成像；cMUT用于超聲成像，可提供更高分辨率，更高速度和實時3D成像。

醫(yī)療影像——產(chǎn)業(yè)鏈

目前，CMOS圖像傳感器主要應用于X-Ray以及內窺鏡領域。

CIS醫(yī)療影像應用——X-Ray

X射線成像的第一次應用是在醫(yī)療領域，由Wilhelm于1895年完成。如今，X射線成像技術應用已拓展到工業(yè)無損檢測（NDT）以及安全領域。但醫(yī)療市場仍是X-Ray射線成像的主力應用場景。

X-Ray探測設備市場規(guī)模

2018年X射線探測設備市場價值20億美元，預計2018-2024年復合年增長率5.9％，2024年達到28億美元。

2018年，醫(yī)療領域市值達14.8億美元，占比約74%，預計2017-2024年復合增長率4.5%，2024年市值達19億美元。

目前，X射線成像幾乎完全基于半導體技術。使用非晶硅（aSi）和CMOS的平板探測器占據(jù)了市場的最大份額，其次是硅光電二極管陣列探測器。預計銦鎵鋅氧化物（IGZO）平板將于2021年進入市場，直接與aSi和CMOS競爭，但CMOS仍然是主流應用。

2018年，以CMOS X-Ray成像設備市場收入2.45億美元，預計2024年將增長到5.1億美元，年復合增長率13%。

CIS醫(yī)療市場應用——內窺鏡

內窺鏡檢查不但能以最少的傷害，達成觀察人體內部器官的目的，也能切取組織樣本以供切片檢查，或取出體內的異物。二十世紀末微創(chuàng)手術的發(fā)展進一步促進了內窺鏡的應用。

普通電子內窺鏡：將微型圖像傳感器在內窺鏡頂部代替光學鏡頭，通過電纜或光纖傳輸圖像信息。電子內窺鏡與光纖內窺鏡類似，有角度調節(jié)旋鈕、充氣及沖水孔、鉗道孔、吸引孔和活檢孔等。

CMOS電子內窺鏡：照明光源通過濾色片，變成單色光，單色光通過導光纖維直達電子內窺鏡前部，再通過照明鏡頭照在受檢體的器官粘膜。器官粘膜反射光信號至非球面鏡頭，形成受檢部位的光圖像，CMOS圖像傳感器接收光圖像，將其轉換成電信號，再由信號線傳至視頻處理系統(tǒng)，經(jīng)過去噪、儲存和再生，顯示在監(jiān)控屏幕上。CMOS電子內窺鏡可得到高清晰度圖像，無視野黑點弊端，易于獲得病變觀察區(qū)信息。

CIS模塊的小型化是其應用于醫(yī)療設備的關鍵，特別是對于較小的柔性視頻內窺鏡。如喉鏡，支氣管鏡，關節(jié)鏡，膀胱鏡，尿道鏡和宮腔鏡。

小直徑視頻內窺鏡發(fā)展歷程

背面照明（BSI）技術成功地提高了CIS模塊的靈敏度，使得更小像素成為可能。

新開發(fā)的圖像傳感器封裝（如硅通孔（TSV）技術）可最大限度地減少CIS模塊所需的占位面積。

微電子器件微裝配的進步也促進了CIS的小型化。

索尼圖像傳感器發(fā)展歷程

發(fā)展CIS以來，索尼相繼開發(fā)出背照式CIS，推出2層/3層堆疊技術，從數(shù)碼相機市場切入手機傳感器市場，搶占市場份額。

索尼圖像傳感器

索尼將CCD推向世界后，一直在不斷創(chuàng)新圖像傳感器。索尼公司正在推動小型高性能圖像傳感器的進一步發(fā)展：高靈敏度背光CMOS圖像傳感器和堆疊式CMOS圖像傳感器。索尼的圖像傳感器有助于提高全球數(shù)碼相機的吸引力。索尼圖像傳感器應用在相機，移動終端，自動駕駛，安防，工業(yè)領域等多個領域。

索尼Exmor——柱并聯(lián)A/D轉換電路

Exmor是索尼2007年推出的一項新技術，用于片上模擬到數(shù)字信號轉換，即由傳統(tǒng)的外置ADC升級為內置ADC。

外置ADC傳感器傳輸數(shù)據(jù)時，每列像素產(chǎn)生的信號先通過降噪電路，匯聚后再通過外部總線傳輸?shù)絾蝹€或數(shù)個ADC之中。而Exmor每列像素都內置一個ADC，數(shù)量多，且可在低頻下運行，可有效減少噪聲，并實現(xiàn)高速提取。此外，內置ADC使得Exmor輸出的數(shù)字信號，抗干擾性強，更易于長距離布線。IMX035是此系列推出的首款產(chǎn)品。

索尼Exmor R——背照式CIS

2008年，索尼推出Exmor R系列，采用BIS（背照式）設計，是第一款推出該技術的傳感器。FIS（FRONT-SIDE ILLUMINATED，前照式）結構下，Bayer陣列濾鏡與光電二極管（Photo-diode）之間存在大量金屬連線，阻隔了大量光線進入感光層。而在BIS結構下，金屬連線被轉移到光電二極管（Photodiode）的背面，光線不再被阻擋，信噪比大幅度提高，而且可以采用更復雜、更大規(guī)模電路來提升傳感器讀取速度。

索尼Exmor RS——CIS堆棧技術

二堆疊：2012年，索尼推出Exmor RS系列，該系列采用堆疊式結構（Stacked Structure）。BIS結構下，Bayer陣列周圍依然存在大量電路，而此堆疊式結構通過TSV（Through Silicon Via,硅通孔）技術連接到另一張芯片，實現(xiàn)將信號處理電路疊放于像素區(qū)下方。

三堆疊：2017年2月，索尼宣布推出業(yè)內首個配備DRAM的三層堆疊式CIS，可在失真度最小化的情況下高速讀取靜態(tài)圖片，支持在全高清模式下拍攝幀率最大為1000fps的慢動作視頻。新款CIS在傳統(tǒng)兩層堆疊結構中間新加入DRAM層，用于緩存、讀取、處理圖像信息；此外，為了實現(xiàn)高速讀取，用于將模擬視頻信號從像素轉換為數(shù)字信號的電路已經(jīng)從2層結構倍增到4層結構。

索尼——相機端CIS

SLVS-EC是索尼與2018年開發(fā)的串行總線，單個通道帶寬較高。但IMX410未采用堆棧技術，像素也不高。索尼半導體再沒有提供高像素的全幅CIS，甚至取消了36MP的IMX-094，鑒于Z7、S1R存在，索尼半導體高像素全幅CIS可能改為定制提供。

索尼——相機端CIS應用

介質格式傳統(tǒng)上指靜物攝影中的膠片格式以及使用膠片的相關照相機和設備。包括6x4.5厘米（有時介質格式稱為“64格式”），6x6、6x7、6x8、6x12、6x17cm…在數(shù)字攝影中，介質格式是指根據(jù)介質格式膠片攝影使用而改編的照相機，或者是指使用大于35mm膠片框的傳感器的照相機。此外，我們還發(fā)布了3.4（44x33毫米）和4.2（53x40毫米）型圖像傳感器，像素為100M或150M。

360度高質量成像主要產(chǎn)品為IMX533，9M像素，像素尺寸為3.76μm。

索尼——移動端CIS

HDR解決方案有時間多路傳輸交錯HDR方案及空間多路復用交錯HDR方案。當不同的捕獲時刻對象處于不同的位置時，時間復用交錯HDR方案首次了解由于場景中的運動而產(chǎn)生的運動偽影（重影）。圖像偽影的存在是因為每個捕獲對象的分辨率的降低。而具有拆分像素（多個像素，每個像素即光電二極管分享同樣的東西）可以減輕偽影的影響。

索尼——移動端CIS應用

穩(wěn)定相機震動。高靈敏度傳感器和短曝光時間是防止相機抖動和穩(wěn)定圖像的有效方法。背面照明傳感器比正面照明傳感器具有更高靈敏度。同樣，在相同像素結構下具有更大的光學尺寸。

索尼CMOS圖像傳感器配備了標準的2x2平均模式，相當于比像素大四倍的像素大小，有助于在分辨率（圖像大?。┙档偷?/4時防止相機抖動。

高速視頻。隨著CIS像素數(shù)和速度的增加，高速視頻拍攝成為現(xiàn)實。在拍攝快速移動物體時，需要降低幀速率和曝光時間以避免運動模糊。索尼通過4個像素的計算處理將其高靈敏度的BI技術將信噪比提高了兩倍，使其能夠以四倍的速度拍攝。

索尼的800萬像素產(chǎn)品能夠以180 fps（720p高清圖像）或240 fps（960x540（Quaterhd）圖像）輕松拍攝高速電影。適用產(chǎn)品：IMX219PQ

附：索尼CMOS傳感器架構的演變