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CMOS图像传感器的过去,现在和未来

来源: 发布时间:2019-08-23 点击量:120

在历史上,CCD图像传感器和CMOS图像传感器几乎是同时在20世纪60年代出现的。1965年-1970年(20世纪70年代),IBM、Fairchild等企业开发光电以及双极二极管阵列。1970年,CCD图像传感器在Bell实验室发明,并依靠CCD图像传感器的高量子效率、高灵敏度、低暗电流、高一致性、低噪音,一直成为图像传感器市场的主导。

和CCD图像传感器相对比,CMOS图像传感器具有低功耗、低操作电压、片上集成功能、低价格等优势,但是在CMOS图像传感器出现初期由于相对较差的性能和较大的像元尺寸,并没有得到很好的市场,后来随着超大规模集成电路技术(VLSI)和CMOS工艺水平的不断提高,CMOS图像传感器逐渐开始展现出CCD图像传感器不具有的优势,在图像传感器领域的市场份额逐渐扩大。CMOS图像传感器的发展主要有三个阶段,分别是无源像素CMOS图像传感器(PPS,Passive Pixel Sensor)、有源像素CMOS图像传感器(Active Pixel Sensor)和数字像素CMOS图像传感器(DPS,Digital Pixel Sensor)。


在20世纪90年代初,无源像素CMOS图像传感器作为第一代CMOS图像传感器进入市场,相对初期CMOS图像传感器,PPS CMOS图像传感器主要改善了信噪比。之后,APS CMOS图像传感器作为第二代CMOS图像传感器相继出现,和PPS CMOS图像传感器相对比,主要改善了读出噪声、数据读出速度,并在之后很长的一段时间内,APS CMOS图像传感器一度CMOS图像传感器的研究焦点。在20世纪末,美国斯坦福大学提出了DPS CMOS图像传感器,使用像素级模数转换器和存储单元,将捕捉到的光信号直接转换为数字信号输出,旨在解决CCD图像传感器在处理动态范围和色彩真实性上的不足,最大程度地降低信号在排列中的衰减和干扰,提升成像质量。目前,应用在相机的CMOS图像传感器主要是APS CMOS图像传感器和DPS CMOS图像传感器,相对来说,APS CMOS图像传感器技术相对成熟,而DPS CMOS图像传感器技术越来越成为研究的焦点。得益于超大规模集成电路技术(VLSI)和CMOS工艺水平的不断发展,在成像应用中,CMOS图像传感器的量子效率、填充因子等成像性能逐渐可以和CCD图像传感器相媲美,占据的市场份额逐渐扩大,犹如如今智能手机摄像头大多采用CMOS图像传感器,在水下探测、空间对地遥感等成像领域,CMOS图像传感器也有可能取代CCD图像传感器,进而逐渐成为多数成像领域图像传感器的主要选择。


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:


? 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


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。


CCD和CMOS架构的存在主要区别。 每个都有独特的优点和缺点,在不同的应用中各显其能。


现在和未来的CIS技术


未来CIS技术采用的路线图受到三个限制或驱动因素的推动:


1.尺寸(3维,相机模组的X,Y和Z)


2.图像质量(分辨率,低光性能,对焦(AF)和稳定性(OIS))


3.功能(慢动作影像,图像分析,运动控制)


BSI,3D堆叠BSI,3D混合以及3D顺序集成都是影响未来CIS技术应用的关键技术。


多年来,CIS市场的竞争格局已经发生了很大的变化。索尼是市场、生产、技术的领导者。Omnivision和三星一直保持强劲,Galaxycore和Pixelplus这样的新玩家也在崛起。同时,集成器件制造(IDM)模型一直是佳能和尼康的强大动力来源,它们都经受住了数码相机的缓慢发展。至于松下,它已经与Tower Jazz成立了一家合资公司,以协助其在高端成像应用领域的探索。


智能手机的应用正处于CIS市场份额的领先地位,但许多其他应用将成为CIS未来增长的一部分。许多IDM和无晶圆厂公司正在为新兴的更高利润率的成像应用开发芯片,如汽车、安全、医疗和其他领域。这些应用中出现了巨大的机会,推动了新兴供应商和现有供应商的市场和技术工作。这些新兴的机遇正在将移动成像技术推向其他增长领域,我们可能会看到从视觉成像到视觉感知以及其他交互式应用的转变。


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