解析CMOS图像传感器技术及未来发展

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）。

表1：CCD与CMOS架构比较（来源：e2V）