一文解析CIS攝像機(jī)芯片和圖像傳感器芯片

CIS圖像質(zhì)量與像素（Pixel) 我們今天使用的大多數(shù)移動(dòng)設(shè)備，如手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦等，都至少裝有一個(gè)或多個(gè)攝像頭傳感器。我們?cè)谶@些設(shè)備上拍攝的圖像的質(zhì)量好壞是由傳感器中一種名為“像素”的電子機(jī)制決定的，而傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的關(guān)鍵部件。 在眾多的圖像質(zhì)量指標(biāo)中，最具代表性的是被稱為“圖像信噪比（Signal-to-NoiseRatio，簡稱SNR）”的定義和測(cè)量過程（圖1）。為了獲得較高的圖像信噪比，我們需要增加信號(hào)項(xiàng)和降低噪聲項(xiàng)，而這些項(xiàng)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(biāo)。 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，這是因?yàn)槲覀冃枰刂撇⒏倪M(jìn)許多像素的性能指標(biāo)。

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CIS像素發(fā)展歷程 在過去的十年里，人們對(duì)更高分辨率傳感器的需求不斷提高，同時(shí)也不斷致力于開發(fā)出更小的像素。圖2展示了CIS像素技術(shù)的發(fā)展歷程，從中我們可以看到像素大小縮放的技術(shù)壁壘是如何被攻克的。像素縮小技術(shù)的創(chuàng)新分為三個(gè)階段:（1）靈敏度（Sensitivity）；（2）串?dāng)_（Crosstalk）；和（3）QUAD（或TETRA）像素技術(shù)。 在第一階段，像素工程師們致力于彌補(bǔ)因像素尺寸減小而導(dǎo)致的靈敏度受損，由此研發(fā)出包括片上透鏡（或微透鏡）、更厚的硅光電二級(jí)管和背照式等在內(nèi)的許多創(chuàng)新技術(shù)。。在第二階段，即像素尺寸達(dá)到1微米左右時(shí)，像素工程師們更多地將注意力放在減少串?dāng)_上。在此期間，為了抑制光電串?dāng)_，研究人員研發(fā)出了彩色濾光片層金屬柵極結(jié)構(gòu)和硅光電二極管深槽隔離工藝等新技術(shù)。 隨著像素尺寸不斷縮小到亞微米范圍，研究人員針對(duì)小像素在弱光照環(huán)境下的敏感度問題，提出了一種全新的、基于QUAD或TETRA像素結(jié)構(gòu)的像素工作模式概念。QUAD像素的基本工作原理如圖3所示。預(yù)計(jì)在未來，所有亞微米尺寸像素也將采用這種QUAD像素方案。

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互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）圖像傳感器的結(jié)構(gòu)圖 高分辨率固態(tài)成像設(shè)備（主要是電荷耦合器件（CCD）和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）圖像傳感器）的到來，預(yù)示了光學(xué)顯微鏡的新時(shí)代，該時(shí)代可能會(huì)超越膠片等傳統(tǒng)圖像記錄技術(shù)，視頻管和光電倍增管。許多原始設(shè)備和售后市場制造商都提供了專門為顯微鏡應(yīng)用而設(shè)計(jì)的電荷耦合設(shè)備相機(jī)系統(tǒng)，而CMOS成像傳感器現(xiàn)在已可用于少數(shù)顯微鏡。

? ? 兩種技術(shù)都是在1970年代初和后期之間開發(fā)，但是CMOS傳感器的性能令人無法接受，直到1990年代初，人們普遍忽略或認(rèn)為它們只是出于好奇。到那時(shí)，CMOS設(shè)計(jì)的進(jìn)步是生產(chǎn)出了像素尺寸更小，噪點(diǎn)更低，圖像處理算法更強(qiáng)大以及成像陣列更大的芯片。CMOS傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)之一是低功耗，主時(shí)鐘和單電壓電源，而CCD經(jīng)常需要以不同的時(shí)鐘速度提供5個(gè)或更多電源電壓，而功耗卻要高得多。CMOS和CCD芯片都利用光電技術(shù)通過相似的機(jī)制感應(yīng)光當(dāng)光子與結(jié)晶的硅相互作用以促進(jìn)電子從價(jià)帶進(jìn)入導(dǎo)帶時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種效應(yīng)。注意，術(shù)語“CMOS”是指制造圖像傳感器的過程，而不是指特定的成像技術(shù)。 當(dāng)可見光的寬波段入射到特殊摻雜的硅半導(dǎo)體材料上時(shí)，與入射在光電二極管表面的光子通量密度成比例地釋放出可變數(shù)量的電子。實(shí)際上，產(chǎn)生的電子數(shù)量是入射到半導(dǎo)體的光的波長和強(qiáng)度的函數(shù)。電子被收集在勢(shì)阱中，直到積分（照明）周期結(jié)束，然后將其轉(zhuǎn)換為電壓（CMOS處理器）或轉(zhuǎn)移到計(jì)量寄存器（CCD傳感器）。

然后將測(cè)得的電壓或電荷（轉(zhuǎn)換為電壓后）通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器形成傳感器成像的場景的數(shù)字電子表示。 光電二極管（通常稱為像素）是數(shù)字圖像傳感器的關(guān)鍵元素。靈敏度由光電二極管可以累積的最大電荷，入射光子到電子的轉(zhuǎn)換效率以及器件在受限區(qū)域內(nèi)累積電荷而不會(huì)泄漏或溢出的能力所決定。這些因素通常由光電二極管的物理尺寸和孔徑及其與陣列中相鄰元素的空間和電子關(guān)系確定。另一個(gè)重要因素是電荷電壓轉(zhuǎn)換比，它決定了積分的電子電荷如何有效地轉(zhuǎn)換為可以測(cè)量和處理的電壓信號(hào)。光電二極管通常以正交網(wǎng)格的形式組織，其大小范圍從128×128像素（16K像素）到更常見的1280×1024（超過一百萬像素）。幾種最新的CMOS圖像傳感器，例如為高清電視（HDTV）包含數(shù)百萬個(gè)像素，這些像素被組織成超過2000平方像素的超大型陣列。

必須準(zhǔn)確地檢測(cè)和測(cè)量（讀出）組成陣列的每一行和每一列的所有像素的信號(hào)，以便根據(jù)光電二極管電荷累積數(shù)據(jù)來組裝圖像。 在光學(xué)顯微鏡中，由物鏡聚集的光通過投影透鏡聚焦到傳感器表面，該傳感器表面包含相同光電二極管的二維陣列，稱為圖像元素或像素。因此，陣列尺寸和像素尺寸確定傳感器的空間分辨率。CMOS和CCD集成電路本質(zhì)上是單色（黑白）器件，僅響應(yīng)光電二極管中累積的電子總數(shù)，而不響應(yīng)光的顏色，從而導(dǎo)致其從硅基板中釋放出來。通過使入射光通過一系列連續(xù)的紅色，綠色和藍(lán)色濾光片，或使用以馬賽克圖案沉積在像素陣列上方的微型透明聚合薄膜濾光片，可以檢測(cè)顏色。? ? ? ? ? ? ?

CMOS光電二極管的解剖結(jié)構(gòu) CMOS圖像傳感器比CCD圖像傳感器具有的主要優(yōu)勢(shì)是能夠?qū)⒃S多處理和控制功能直接集成到傳感器集成電路上，而這些功能超出了光子收集的主要任務(wù)。這些功能通常包括定時(shí)邏輯，曝光控制，模數(shù)轉(zhuǎn)換，快門，白平衡，增益調(diào)整和初始圖像處理算法。為了執(zhí)行所有這些功能，CMOS集成電路架構(gòu)更類似于隨機(jī)存取存儲(chǔ)單元，而不是簡單的光電二極管陣列。

最受歡迎的CMOS設(shè)計(jì)圍繞有源像素傳感器（APS）構(gòu)建）技術(shù)，其中光電二極管和讀出放大器都集成到每個(gè)像素中。這使得由光電二極管積累的電荷能夠轉(zhuǎn)換為像素內(nèi)部的放大電壓，然后按順序的行和列傳輸?shù)叫酒?a href="http://ttokpm.com/analog/" target="_blank">模擬信號(hào)處理部分。 因此，除了光電二極管之外，每個(gè)像素（或成像元件）還包含三合一晶體管，其將累積的電子電荷轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電壓，復(fù)位光電二極管，并將該電壓傳輸?shù)酱怪绷锌偩€。所得的陣列是金屬讀出總線的有組織的棋盤格，在每個(gè)交叉點(diǎn)處都包含一個(gè)光電二極管和相關(guān)的信號(hào)準(zhǔn)備電路?？偩€將定時(shí)信號(hào)施加到光電二極管，并將讀出的信息返回到遠(yuǎn)離光電二極管陣列的模擬解碼和處理電路。這種設(shè)計(jì)使陣列中每個(gè)像素的信號(hào)都可以通過簡單的x，y尋址技術(shù)讀取，而這是當(dāng)前CCD技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的。? ?

圖1給出了一個(gè)典型的CMOS圖像傳感器的體系結(jié)構(gòu)，該集成電路芯片包含一個(gè)640×480像素的有效圖像區(qū)域。光電二極管陣列位于芯片的大紅棕色中心區(qū)域，上面覆蓋有序的紅色，綠色和藍(lán)色染料聚合物濾光片薄層，每個(gè)濾光片的大小適合于單個(gè)光電二極管（類似于用于彩色CCD的技術(shù)）。為了將入射的光子集中到光電二極管電子收集井中，已過濾的光電二極管也被裝在稱為微透鏡或雙凸透鏡陣列的微型正彎月形透鏡（參見圖2、3和4）下方。圖1中的插圖顯示了濾光鏡和微透鏡陣列的高倍放大視圖。模擬信號(hào)處理電路還包括在圖1所示的集成電路中，該電路收集并解釋由光電二極管陣列產(chǎn)生的信號(hào)。然后將這些信號(hào)發(fā)送到位于芯片上部光電二極管陣列附近的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（如圖1所示）。

CMOS圖像傳感器執(zhí)行的其他任務(wù)包括用于逐步電荷產(chǎn)生，電壓收集，傳輸和測(cè)量任務(wù)的時(shí)鐘時(shí)序，以及圖像處理和累積信號(hào)的輸出。 仔細(xì)觀察光電二極管陣列，可以發(fā)現(xiàn)以柯達(dá)工程師BryceE.Bayer的名字命名的馬賽克圖案排列的紅色，綠色和藍(lán)色濾光片的順序圖案。此濾色鏡陣列（拜耳設(shè)計(jì)用于從來自光學(xué)透鏡系統(tǒng)的寬帶入射照明中捕獲顏色信息。濾光片按四行排列（圖2（a）和圖2（b）），并按連續(xù)的行順序排列，交替使用紅色和綠色或藍(lán)色和綠色濾光片（圖2（a））。圖2中顯示的是由典型拜耳濾光片陣列的高分辨率光學(xué)顯微鏡和下面的光電二極管捕獲的數(shù)字圖像。圖2（a）示出了交替的過濾器行的視圖。

每個(gè)紅色濾鏡被四個(gè)綠色和四個(gè)藍(lán)色濾鏡包圍，而每個(gè)藍(lán)色濾鏡被四個(gè)紅色和四個(gè)綠色濾鏡包圍。相反，每個(gè)綠色濾鏡被兩個(gè)紅色，四個(gè)綠色和兩個(gè)藍(lán)色濾鏡包圍?；局貜?fù)單元的高倍放大圖像如圖2（b）所示，并包含一個(gè)紅色，一個(gè)藍(lán)色和兩個(gè)綠色濾鏡，使數(shù)組中綠色濾鏡的總數(shù)等于紅色和藍(lán)色濾鏡組合的數(shù)量。綠色濾光片的重點(diǎn)在于人的視覺響應(yīng)，它在可見光譜的550納米（綠色）波長范圍內(nèi)達(dá)到了最高靈敏度。

? ? 在圖2（b）中還顯示了微透鏡陣列（也稱為小透鏡）的一小部分，這些微透鏡通過光刻法沉積在拜耳濾鏡的表面上并對(duì)齊，以使每個(gè)透鏡都覆蓋一個(gè)單獨(dú)的濾鏡。微型透鏡元件的形狀接近凸彎月透鏡的形狀，并用于將入射光直接聚焦到光電二極管的光敏區(qū)域中。在拜耳濾光片和微透鏡陣列下面是光電二極管本身，它們?cè)趫D2（c）中顯示為四個(gè)完整的光電二極管組件或像素單元。圖2（c）中的一個(gè)光電二極管用一個(gè)大白框（右上角）標(biāo)識(shí)，該白框在較大的網(wǎng)格內(nèi)還包含一個(gè)較小的矩形框。白框用字母P標(biāo)識(shí)和T分別指像素的光子收集（光敏）和支撐晶體管區(qū)域。

從檢查圖2（c）中的光電二極管元件可以明顯看出，大部分像素（在此示例中約為70％）區(qū)域?qū)Ｓ糜趯?duì)晶體管相對(duì)不透明的支持晶體管（放大器，復(fù)位和行選擇）。可見光光子，不能用于光子檢測(cè)。剩余的30％（在圖2（c）中標(biāo)記為P的較小的白框）表示像素的感光部分。由于光電二極管的一小部分實(shí)際上能夠吸收光子以產(chǎn)生電荷，因此填充系數(shù)或孔徑圖1、2和3所示的CMOS芯片和光電二極管的像素?cái)?shù)僅占光電二極管陣列總表面積的30％。

結(jié)果是靈敏度顯著降低，信噪比相應(yīng)降低，從而導(dǎo)致動(dòng)態(tài)范圍有限。填充因數(shù)比因設(shè)備而異，但通常，它們?cè)贑MOS傳感器中占像素面積的30％至80％。 使減少的填充因子問題更為復(fù)雜的是光子吸收的波長相關(guān)性質(zhì)，該術(shù)語適當(dāng)?shù)胤Q為CMOS和CCD圖像傳感器的量子效率。三種主要機(jī)制可阻止光敏區(qū)域收集光子：吸收，反射和透射。如上所述，光電二極管面積的百分之七十以上可以被晶體管和堆疊或交錯(cuò)的金屬總線屏蔽，它們是光學(xué)不透明的，吸收或反射與結(jié)構(gòu)碰撞的大部分入射光子。這些堆疊的金屬層還可能導(dǎo)致不良影響，例如漸暈，像素串?dāng)_，光散射和衍射。? ?

入射光子的反射和透射是波長的函數(shù)，雖然大部分（在某些情況下）這些損耗可以很好地?cái)U(kuò)展到可見光譜區(qū)域，但大部分被反射的較短波長（小于400納米）被反射。許多CMOS傳感器在制造過程中都涂有黃色的聚酰亞胺涂層，在這些光子到達(dá)光電二極管區(qū)域之前，它吸收了很大一部分藍(lán)色光譜。減少或最小化多晶硅和聚酰亞胺（或聚酰胺）層的使用是優(yōu)化這些圖像傳感器的量子效率的主要考慮因素。

較短的波長在光敏區(qū)域的前幾微米處被吸收，但是逐漸變長的波長在被完全吸收之前會(huì)鉆到更大的深度。此外，最長的可見波長（超過650納米）通常會(huì)穿過光敏區(qū)域而沒有被捕獲（或產(chǎn)生電子電荷），從而導(dǎo)致了另一個(gè)光子損失源。盡管微透鏡陣列的應(yīng)用有助于將入射的光子聚焦并引導(dǎo)到光敏區(qū)域中，并且可以使光電二極管的靈敏度提高一倍，但是這些微小的元件還顯示出基于波長和入射角的選擇性。 圖3中顯示的是典型CMOS有源傳感器像素的三維剖視圖，顯示了感光區(qū)域（光電二極管），總線，微透鏡，拜耳濾波器和三個(gè)支持晶體管。

如上所述，CMOS圖像傳感器中的每個(gè)APS元件都包含一個(gè)放大器晶體管，該晶體管代表通常稱為源極跟隨器的輸入設(shè)備。（源跟隨器的負(fù)載在像素外部，并且在列中的所有像素共有）。源極跟隨器是一個(gè)簡單的放大器，它將光電二極管產(chǎn)生的電子（電荷）轉(zhuǎn)換為輸出到列總線的電壓。此外，該像素還具有一個(gè)復(fù)位晶體管來控制積分或光子累積時(shí)間，以及一個(gè)將像素輸出連接到列總線以進(jìn)行讀出的行選擇晶體管。特定列中的所有像素都連接到讀出放大器。?

? 在操作中，圖像捕獲的第一步是初始化復(fù)位晶體管，以便從光敏區(qū)中排出電荷并反向偏置光電二極管。接下來，積分期開始，與像素的光電二極管區(qū)域相互作用的光產(chǎn)生電子，這些電子被存儲(chǔ)在位于表面下方的硅勢(shì)阱中（見圖3）。當(dāng)積分周期結(jié)束時(shí)，行選擇晶體管導(dǎo)通，將所選像素中的放大器晶體管連接到其負(fù)載，以形成源極跟隨器。

因此，通過源極跟隨器操作將光電二極管中的電子電荷轉(zhuǎn)換為電壓。所產(chǎn)生的電壓出現(xiàn)在列總線上，并且可以由讀出放大器檢測(cè)到。 三像素APS設(shè)計(jì)的主要缺點(diǎn)之一是相對(duì)較高水平的偽影，稱為固定圖案噪點(diǎn)（FPN）。放大器晶體管增益和偏移的變化是制造過程中CMOS技術(shù)工藝波動(dòng)的根本問題，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)陣列的晶體管輸出性能不匹配。結(jié)果是在捕獲的圖像中明顯可見的噪點(diǎn)模式是恒定的，并且可以從一個(gè)圖像復(fù)制到另一個(gè)圖像。在大多數(shù)情況下，可以通過對(duì)位于陣列外圍的模擬信號(hào)處理電路進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整或通過對(duì)暗圖像進(jìn)行電子減法（平場校正）來顯著降低或消除固定模式的噪點(diǎn)。

馬賽克濾鏡陣列和圖像重建 ? ? 具有兩倍于藍(lán)色或紅色的綠色濾光器的拜耳濾光器馬賽克陣列的不平衡性質(zhì)似乎也將出現(xiàn)關(guān)于單個(gè)像素的精確色彩再現(xiàn)的問題。拜耳濾光片的構(gòu)造中使用的常見染料的典型透射光譜圖如圖4所示。紅色濾光片的量子效率顯著大于綠色和藍(lán)色濾光片的量子效率，綠色和藍(lán)色濾光片的整體效率彼此接近。請(qǐng)注意，濾鏡之間的光譜重疊程度相對(duì)較高，尤其是在520至620納米（綠色，黃色和橙色）區(qū)域。

關(guān)于將像素劃分為拜耳濾光器圖案的基本元素的光電二極管陣列的顏色再現(xiàn)和空間分辨率的確切性質(zhì)，經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生疑問。像素尺寸為640×480像素的光電二極管陣列總共包含307,200像素，產(chǎn)生76,800拜耳四重奏。這是否意味著實(shí)際有用的圖像空間分辨率降低到320×240像素？幸運(yùn)的是，空間分辨率主要由彩色圖像的亮度分量而不是色度（彩色）分量決定。發(fā)生這種情況是因?yàn)槿四X可以將相當(dāng)粗略的顏色信息添加到精細(xì)的空間信息中，并且?guī)缀鯚o縫地將兩者整合在一起。此外，拜耳濾光片具有較寬的波長傳輸帶（參見圖4），并具有較大的重疊區(qū)域， 例如，假設(shè)有一個(gè)物體將大量的黃光（以585納米為中心）反射到CMOS數(shù)碼相機(jī)的鏡頭系統(tǒng)中。

通過檢查圖4中的Bayer濾光片透射光譜，很明顯，紅色和綠色濾光片在該波長范圍內(nèi)透射相同量的光。另外，藍(lán)色濾光片還透射大約20％的波長穿過其他濾光片。因此，每個(gè)四重奏中的四個(gè)Bayer濾鏡中有三個(gè)通過了相等數(shù)量的黃光，而第四個(gè)（藍(lán)）濾鏡也透射了其中的一些光。相比之下，較低波長的藍(lán)光（435納米；見圖4）僅以任何顯著程度通過藍(lán)色濾光片， ? ? 從由拜耳圖案的彩色濾光片覆蓋的CMOS光電二極管陣列獲得原始圖像后，必須通過插值方法將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的紅色，綠色和藍(lán)色（RGB）格式。

為了產(chǎn)生準(zhǔn)確表示由電子傳感器成像的場景的圖像，此重要步驟是必需的?？梢允褂枚喾N復(fù)雜且完善的圖像處理算法（在圖像捕獲后直接在集成電路上）執(zhí)行此任務(wù)，包括最近的鄰居，線性，三次和三次樣條技術(shù)。為了確定陣列中每個(gè)像素的正確顏色，算法對(duì)選定的相鄰像素的顏色值進(jìn)行平均，并對(duì)陣列中每個(gè)像素的顏色（色度）和強(qiáng)度（發(fā)光度）進(jìn)行估算。圖5（a）中顯示的是通過插值重建之前的原始拜耳圖案圖像，圖5（b）中顯示的是經(jīng)過線性插值算法的相關(guān)調(diào)整后的處理結(jié)果。

作為顏色插值功能的示例，請(qǐng)考慮嵌套在Bayer濾鏡陣列中心區(qū)域的綠色像素之一。該像素被兩個(gè)藍(lán)色，兩個(gè)紅色和四個(gè)綠色像素包圍，它們是其最接近的鄰居。插值算法通過檢查相鄰紅色和藍(lán)色像素的色度和亮度值來生成綠色像素的紅色和藍(lán)色值的估計(jì)值。對(duì)陣列中的每個(gè)像素重復(fù)相同的過程。

如果圖像顏色在大量像素上緩慢變化，但是在出現(xiàn)較大顏色和/或強(qiáng)度過渡的邊緣和邊界區(qū)域，圖像顏色也會(huì)緩慢變化，但也會(huì)遭受偽影（例如混疊）的影響，因此該技術(shù)會(huì)產(chǎn)生出色的效果。 為了提高量子效率和光譜響應(yīng)，一些CMOS設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)向使用基于主減色的濾色器陣列：青色，黃色和品紅色（CMY），而不是標(biāo)準(zhǔn)的加成原色紅色，綠色和藍(lán)色（RGB）。使用CMY濾光片陣列的優(yōu)點(diǎn)之一是靈敏度提高，從而改善了通過濾光片的光透射率，并增強(qiáng)了信號(hào)強(qiáng)度。發(fā)生這種情況是因?yàn)榕c相應(yīng)的添加劑濾光片相比，減色濾光片染料在可見光區(qū)域的光波吸收降低。與紅色，綠色和藍(lán)色濾光片（兩層或更多層的復(fù)合材料會(huì)產(chǎn)生附加吸收）相反，CMY濾光片應(yīng)用于具有優(yōu)異透光特性的單層中。CMY濾鏡的缺點(diǎn)是將從傳感器收集的CMY數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RGB值所需的更復(fù)雜的色彩校正矩陣，以便在計(jì)算機(jī)監(jiān)視器上打印或顯示圖像。? ? ? ? ? ? ?

噪點(diǎn)的來源和補(bǔ)救措施 CMOS圖像傳感器的一個(gè)主要問題是，在檢查由這些設(shè)備產(chǎn)生的圖像時(shí)，很容易發(fā)現(xiàn)明顯的高噪點(diǎn)。傳感器技術(shù)的進(jìn)步已使信號(hào)處理電路與圖像陣列緊密集成在一起，從而大大抑制了許多噪點(diǎn)源并大大提高了CMOS性能。但是，其他類型的噪點(diǎn)通常困擾設(shè)計(jì)師和最終用戶。如上所述，現(xiàn)代CMOS采集后信號(hào)處理技術(shù)實(shí)際上已消除了固定模式噪點(diǎn)，但是其他形式（例如光子散粒噪點(diǎn)，暗電流，復(fù)位噪點(diǎn)和熱噪點(diǎn)）卻不那么容易處理。

在通過復(fù)位晶體管對(duì)光電二極管進(jìn)行初始化或復(fù)位的過程中，會(huì)產(chǎn)生稱為kTC（或復(fù)位）噪點(diǎn)的大噪點(diǎn)分量，如果不增強(qiáng)電路設(shè)計(jì)就很難將其消除?？s寫k是玻爾茲曼常數(shù)，T是工作溫度，C是出現(xiàn)在放大晶體管輸入節(jié)點(diǎn)的總電容，由光電二極管電容和放大晶體管輸入電容之和組成。重置噪點(diǎn)會(huì)嚴(yán)重限制圖像傳感器的信噪比。復(fù)位和另一個(gè)噪點(diǎn)源，通常稱為放大器或1/f低頻噪點(diǎn)可以通過稱為相關(guān)雙采樣（CDS）的技術(shù)進(jìn)行控制，該技術(shù)必須通過向每個(gè)像素添加第四個(gè)“測(cè)量”（或傳輸）晶體管來實(shí)現(xiàn)。

雙采樣算法通過單獨(dú)測(cè)量復(fù)位或放大器噪點(diǎn)，然后減去組合的圖像信號(hào)加上復(fù)位噪點(diǎn)來起作用。 光子散粒噪點(diǎn)在捕獲的圖像中很容易以隨機(jī)模式出現(xiàn)，這是由于照明量的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)導(dǎo)致輸出信號(hào)隨時(shí)間變化而出現(xiàn)的。陣列中的每個(gè)光電二極管產(chǎn)生的光子散粒噪點(diǎn)略有不同，這在極端情況下會(huì)嚴(yán)重影響CMOS圖像傳感器的性能。對(duì)于比傳感器的固有本底噪點(diǎn)大得多的信號(hào)，這種類型的噪點(diǎn)是主要的噪點(diǎn)源，并且出現(xiàn)在每個(gè)圖像傳感器（包括CCD）中。暗電流是由偽影產(chǎn)生的，這些偽影在沒有照明的情況下會(huì)產(chǎn)生信號(hào)電荷（電子），并且在像素之間會(huì)表現(xiàn)出很大程度的波動(dòng)，這在很大程度上取決于工作條件。這種類型的噪點(diǎn)對(duì)溫度敏感， ? ? 幾乎不可能消除暗電流，但可以通過在CMOS傳感器制造過程中利用固定光電二極管技術(shù)來減少暗電流。為了產(chǎn)生釘扎的光電二極管像素，將P型硅的淺層施加到典型的N阱光敏區(qū)域的表面上，以產(chǎn)生改變像素的可見光譜響應(yīng)的雙結(jié)三明治。對(duì)表面結(jié)進(jìn)行了優(yōu)化，以響應(yīng)較低的波長（藍(lán)色），而深度較深的結(jié)對(duì)較長的波長（紅色和紅外）更敏感。

結(jié)果，收集在勢(shì)阱中的電子被限制在N附近遠(yuǎn)離表面的區(qū)域，導(dǎo)致暗電流及其相關(guān)噪點(diǎn)元素的減少。在實(shí)踐中，可能很難構(gòu)造一個(gè)固定的光電二極管像素，該像素在CMOS傳感器工作的低壓環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生完全復(fù)位。如果沒有達(dá)到完全的復(fù)位條件，則滯后會(huì)被引入到陣列中，并相應(yīng)增加復(fù)位晶體管的噪點(diǎn)。固定光電二極管技術(shù)的其他好處是，由于增強(qiáng)了對(duì)P硅層界面附近的短波可見光輻射的捕獲，因此改善了藍(lán)光響應(yīng)。 像素的感光區(qū)域之間糾纏的晶體管，電容器和總線負(fù)責(zé)在CMOS圖像傳感器中產(chǎn)生熱噪點(diǎn)?？梢酝ㄟ^微調(diào)成像器帶寬，增加輸出電流或冷卻攝像頭系統(tǒng)來減少此類噪點(diǎn)。在許多情況下，可以通過限制每個(gè)晶體管放大器的帶寬來利用CMOS像素讀出序列來減少熱噪點(diǎn)。向低成本CMOS圖像傳感器中添加復(fù)雜且昂貴的Peltier或類似的冷卻設(shè)備是不切實(shí)際的，因此通常不采用這些設(shè)備來降低噪點(diǎn)。 ? ? ? ? ?

CMOS像素架構(gòu) 有在現(xiàn)代CMOS圖像傳感器利用了兩個(gè)基本光敏像素元件架構(gòu)：光電二極管和photogates（參見圖6）。通常，光電二極管設(shè)計(jì)對(duì)可見光更敏感，尤其是在光譜的短波長（藍(lán)色）區(qū)域。光電門器件通常具有較大的像素面積，但比光電二極管具有更低的填充系數(shù)和更差的藍(lán)光響應(yīng)（以及一般的量子效率）。但是，光電門通常會(huì)達(dá)到更高的電荷電壓轉(zhuǎn)換增益水平，并且可以輕松地用于執(zhí)行相關(guān)的兩次采樣以實(shí)現(xiàn)幀差異。? ?

光電門有源像素傳感器利用CCD技術(shù)的多個(gè)方面來減少噪點(diǎn)并提高用CMOS圖像傳感器捕獲的圖像的質(zhì)量。積分期間在光電門下方積累的電荷被定位到由訪問晶體管很好控制的電位。在讀出期間，支持像素電路執(zhí)行電荷（作為電壓）到輸出總線的兩階段轉(zhuǎn)移。第一步是通過放大器晶體管將累積的電荷轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電壓而發(fā)生的。接下來，傳輸門被脈沖化以啟動(dòng)電荷從光敏區(qū)域到輸出晶體管的傳輸，然后被傳遞到列總線。這種傳輸技術(shù)提供了兩個(gè)信號(hào)采樣機(jī)會(huì)，可以通過有效的設(shè)計(jì)來利用它們來改善降噪效果。像素輸出首先在光電二極管復(fù)位后采樣，然后在積分信號(hào)電荷后再次采樣。

通過從第二個(gè)信號(hào)中減去第一個(gè)信號(hào)以消除低頻復(fù)位噪點(diǎn)，光電門有源像素架構(gòu)可以執(zhí)行相關(guān)的雙采樣。 與光電二極管傳感器相比，光電門設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是在低光照條件下降低了噪點(diǎn)特性?；诠怆姸O管的CMOS傳感器可用于中等性能的消費(fèi)類應(yīng)用，這些應(yīng)用不需要具有低噪點(diǎn)，出色的動(dòng)態(tài)范圍和高度分辨的色彩特性的高精度圖像。兩種設(shè)備均利用經(jīng)濟(jì)的電源要求，這些要求可通過電池，計(jì)算機(jī)接口（USB和FireWire）的低壓電源或其他直流電源來滿足。通常，CMOS處理器的電壓要求范圍為3.3伏至5.0伏，但是較新的設(shè)計(jì)正在遷移至降低一半的值。 ? ? ? ? ?

CMOS圖像傳感器操作順序 ? ? 在大多數(shù)CMOS光電二極管陣列設(shè)計(jì)中，有源像素區(qū)域被以8至12行和列排列的光屏蔽像素區(qū)域包圍，這些像素用于黑電平補(bǔ)償。拜耳（或CMY）濾波器陣列從第一個(gè)非屏蔽行和列中的左上像素開始。當(dāng)每個(gè)積分周期開始時(shí)，板上定時(shí)和控制電路將重置同一行中的所有像素，一次一行，從行地址寄存器分類的第一行到最后一行遍歷（參見圖1）。7）。對(duì)于具有模擬輸出的傳感器設(shè)備，積分完成后，相同的控制電路會(huì)將每個(gè)像素的積分值傳輸?shù)较嚓P(guān)的雙采樣電路（CDS圖7中的模塊），然后再到水平移位寄存器。移位寄存器加載后，像素信息將被串行移位（一次一個(gè)像素）到模擬視頻放大器。

該放大器的增益由硬件或軟件（在某些情況下是兩者的組合）控制。相比之下，具有數(shù)字讀出功能的CMOS圖像傳感器對(duì)每一列都使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并且對(duì)一行中的每個(gè)像素并行進(jìn)行轉(zhuǎn)換。然后采用寬度等于完成轉(zhuǎn)換的位數(shù)的數(shù)字總線來輸出數(shù)據(jù)。在這種情況下，僅數(shù)字值“串行”移位。白平衡算法通常在此階段應(yīng)用于像素。 在視頻放大器中設(shè)置了增益和偏移值（圖7中標(biāo)記為VideoAmp）之后，像素信息隨后被傳遞到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在此它被轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的線性數(shù)字陣列。

隨后，對(duì)數(shù)字像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，以消除出現(xiàn)在“壞”像素中的缺陷，并在將其成幀并呈現(xiàn)在數(shù)字輸出端口上之前補(bǔ)償黑電平。黑色電平補(bǔ)償算法（通常稱為幀率鉗位）從數(shù)字視頻輸出中減去陣列周圍黑色像素的平均信號(hào)電平，以補(bǔ)償有源像素陣列中與溫度和時(shí)間相關(guān)的暗噪點(diǎn)電平。

該序列的下一步是圖像恢復(fù)（參見圖7），以及應(yīng)用必要的基本算法來準(zhǔn)備最終圖像以進(jìn)行顯示編碼。對(duì)像素執(zhí)行最近鄰居插值，然后使用抗鋸齒算法對(duì)其進(jìn)行濾波并縮放?；謴?fù)引擎中的其他圖像處理步驟通常包括反漸暈，空間失真校正，黑白平衡，平滑，銳化，顏色平衡，光圈校正和伽瑪調(diào)整。在某些情況下，CMOS圖像傳感器配備有輔助電路，這些輔助電路可實(shí)現(xiàn)片上功能，例如抗抖動(dòng)（圖像穩(wěn)定）和圖像壓縮。圖像經(jīng)過充分處理后，將被發(fā)送到數(shù)字信號(hào)處理器以緩沖到輸出端口。? ?

因?yàn)镃MOS圖像傳感器能夠訪問整個(gè)光電二極管陣列中的各個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)，所以它們可用于選擇性地讀取和處理為特定圖像捕獲的像素的選定部分。這種技術(shù)稱為開窗（或感興趣的窗口讀數(shù)），并極大地?cái)U(kuò)展了這些傳感器的圖像處理能力。窗口通過定時(shí)和控制電路直接在芯片上進(jìn)行控制，從而可以以一對(duì)一的像素分辨率訪問和顯示陣列有效區(qū)域內(nèi)任何位置的任何尺寸的窗口。

當(dāng)需要對(duì)圖像的一個(gè)子區(qū)域中的對(duì)象進(jìn)行時(shí)間運(yùn)動(dòng)跟蹤時(shí)，此功能可能非常有用。它也可以用于對(duì)選定部分或整個(gè)圖像進(jìn)行電子平移，縮放，加速讀出和傾斜操作的片上控制。 大多數(shù)高端CMOS傳感器具有幾種讀出模式（類似于CCD傳感器中采用的讀出模式），以提高軟件接口編程和快門的多功能性。漸進(jìn)式掃描讀出模式使光電二極管陣列中每一行中的每個(gè)像素都可以從左上角開始一直到右下角連續(xù)訪問（一次一個(gè)像素）。另一種流行的讀出模式被稱為交錯(cuò)，并且通過在兩個(gè)連續(xù)場讀取的像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行操作，一個(gè)奇數(shù)場，隨后一個(gè)偶數(shù)領(lǐng)域。這些字段從陣列的頂部到底部以行的形式交替出現(xiàn)，并且在讀取下一組之前，順序記錄一組的每一行。例如，在具有40個(gè)像素行的傳感器中，首先讀取到第39行的第一，第三，第五等，然后是第二，第四，第六，直到第40行。

CMOS圖像傳感器中的電子快門需要在每個(gè)像素上添加一個(gè)或多個(gè)晶體管，考慮到大多數(shù)設(shè)備中已經(jīng)受到損害的填充因子，這是一種不切實(shí)際的方法。對(duì)于大多數(shù)區(qū)域掃描圖像傳感器來說就是這種情況。然而，已經(jīng)開發(fā)了具有將快門晶體管放置在像素有源區(qū)域附近的線掃描傳感器，以減小填充因子負(fù)載。許多設(shè)計(jì)人員已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一種非均勻滾動(dòng)快門解決方案，該解決方案利用最少的像素內(nèi)晶體管以不同的時(shí)間間隔對(duì)陣列中的連續(xù)行進(jìn)行曝光。盡管滾動(dòng)快門機(jī)制對(duì)于靜止圖像運(yùn)作良好，但它們會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)模糊，從而導(dǎo)致高幀速率下的圖像失真。為了解決這個(gè)問題，工程師們精心制作統(tǒng)一的同步快門設(shè)計(jì)可一次曝光整個(gè)陣列。由于此技術(shù)在每個(gè)像素處都需要額外的晶體管，因此除非同時(shí)實(shí)現(xiàn)較大的像素，否則填充因子比例會(huì)有所折衷。?

? CMOS圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍由光電二極管累積的最大信號(hào)電子數(shù)（電荷容量）除以傳感器讀取噪點(diǎn)的所有成分的總和（本底噪點(diǎn)）確定。），包括在特定積分時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的時(shí)間噪點(diǎn)源。計(jì)算中包括了所有暗噪點(diǎn)源（例如暗電流噪點(diǎn)，像素讀取噪點(diǎn)以及信號(hào)路徑產(chǎn)生的時(shí)間噪點(diǎn)（但不包括光子散粒噪點(diǎn)））的影響。本底噪點(diǎn)限制了圖像暗區(qū)中的圖像質(zhì)量，并且由于暗電流散粒噪點(diǎn)而隨著曝光時(shí)間增加。因此，實(shí)際上，動(dòng)態(tài)范圍是最大可檢測(cè)信號(hào)與最小同時(shí)可檢測(cè)信號(hào)（本底噪點(diǎn)）之比。動(dòng)態(tài)范圍通常以灰度，分貝或位來報(bào)告，信號(hào)電子與噪點(diǎn)之比越高，產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)范圍值就越大（分貝或比特越多）。注意，動(dòng)態(tài)范圍由傳感器的信噪特性控制，而位深度是傳感器中使用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的函數(shù)。因此，12位數(shù)字轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)于略高于4,000灰度級(jí)或72分貝，而10位數(shù)字化可以解析1,000灰度級(jí)，這對(duì)于60分貝的動(dòng)態(tài)范圍來說是合適的位深度。

隨著傳感器動(dòng)態(tài)范圍的增加，同時(shí)記錄圖像中最暗和最亮強(qiáng)度（場景內(nèi)動(dòng)態(tài)范圍）的能力也得到了提高，檢測(cè)器的定量測(cè)量能力也得到了提高。該interscene動(dòng)態(tài)范圍代表當(dāng)針對(duì)不同的視場調(diào)整檢測(cè)器增益，積分時(shí)間，鏡頭光圈和其他變量時(shí)可以容納的強(qiáng)度光譜。 CMOS圖像傳感器最通用的功能之一就是能夠以很高的幀速率捕獲圖像。這樣可以通過軟件控制的界面記錄延時(shí)序列和實(shí)時(shí)視頻。每秒30到60幀之間的速率很常見，而一些高速成像儀可以達(dá)到超過1000的速率。為了生產(chǎn)可拍攝的相機(jī)系統(tǒng)，還需要其他支持電路，包括協(xié)處理器和外部隨機(jī)存取存儲(chǔ)器這些功能的優(yōu)勢(shì)。? ? ? ? ? ? ?

CMOS圖像傳感器是在大批量晶圓工廠中采用公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)硅工藝制成的，該工廠還生產(chǎn)相關(guān)的芯片，例如微處理器，存儲(chǔ)電路，微控制器和數(shù)字信號(hào)處理器。巨大的優(yōu)勢(shì)在于，數(shù)字邏輯電路，時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器，計(jì)數(shù)器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器可與光電二極管陣列放置在相同的硅基板上，并同時(shí)放置。這使CMOS傳感器能夠以與其他集成電路類似的方式參與縮小到最小線寬的工藝縮小過程，從而減少重新設(shè)計(jì)的時(shí)間。

即使如此，為了保證具有高性能的低噪點(diǎn)設(shè)備，通常必須修改標(biāo)準(zhǔn)CMOS制造工藝以專門容納圖像傳感器。例如，當(dāng)將標(biāo)準(zhǔn)的CMOS技術(shù)用于邏輯芯片中的晶體管結(jié)時(shí)，將其應(yīng)用于成像設(shè)備時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生高暗電流和低藍(lán)光響應(yīng)。優(yōu)化圖像傳感器的工藝通常需要權(quán)衡取舍，這使制造方案對(duì)于普通的CMOS器件不可靠。 在過去的幾年中，像素大小一直在縮小，從1990年代中期主導(dǎo)設(shè)備的10-20微米巨型像素到目前席卷市場的6-8微米傳感器。

對(duì)微型電子成像設(shè)備（例如監(jiān)視和電話攝像機(jī)）的更大需求促使設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步降低像素尺寸。具有4-5微米像素的圖像傳感器已用于具有較小陣列的設(shè)備中，但數(shù)百萬像素的芯片將需要3至4微米范圍的像素大小。為了達(dá)到這些尺寸，必須在0.25微米或更窄的生產(chǎn)線上生產(chǎn)CMOS圖像傳感器。通過采用更窄的線寬，可以將更多的晶體管封裝到每個(gè)像素元素中，同時(shí)保持可接受的填充因子，前提是縮放比例因子接近1。用0.13到0。 盡管許多CMOS制造工廠缺少添加濾色器和微透鏡陣列的工藝步驟，但是隨著市場需求的增長，這些步驟正越來越多地用于圖像傳感器的生產(chǎn)。

另外，對(duì)于成像設(shè)備至關(guān)重要的光學(xué)包裝技術(shù)需要潔凈室和平板玻璃處理設(shè)備，這在制造標(biāo)準(zhǔn)邏輯和處理器集成電路的工廠中通常不存在。因此，用于圖像傳感器制造的增加成本可能是巨大的。? ? 在過去的幾年中，CMOS圖像傳感器的應(yīng)用列表急劇增加。自1990年代后期以來，CMOS傳感器已在越來越多的應(yīng)用程序（例如傳真機(jī)，掃描儀，安全攝像機(jī)，玩具，游戲，PC攝像機(jī)和低端消費(fèi)類攝像機(jī)）中銷售的成像設(shè)備中占了越來越大的比例。

未來幾年，多功能傳感器也可能會(huì)開始出現(xiàn)在手機(jī)，條形碼閱讀器，光電鼠標(biāo)，汽車甚至家用電器中。由于CMOS傳感器能夠以高幀頻捕獲連續(xù)圖像，因此它們?cè)絹碓蕉嗟赜糜?a href="http://ttokpm.com/v/" target="_blank">工業(yè)檢查，武器系統(tǒng)，流體動(dòng)力學(xué)和醫(yī)學(xué)診斷。電荷耦合器件(CCD)的結(jié)構(gòu)圖 電荷耦合器件（CCD）是基于硅的集成電路，由密集的光電二極管矩陣組成，該矩陣通過將光子形式的光能轉(zhuǎn)換為電荷來工作。由光子與硅原子相互作用產(chǎn)生的電子被存儲(chǔ)在勢(shì)阱中，隨后可以通過寄存器在芯片上傳輸并輸出到放大器。圖1所示的示意圖顯示了組成典型CCD解剖結(jié)構(gòu)的各種組件。

CCD是貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究科學(xué)家于1960年代后期發(fā)明的，他們最初將這種想法設(shè)想為一種新型的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)電路。后來的研究表明，該設(shè)備由于具有轉(zhuǎn)移電荷的能力以及與光的光電相互作用，對(duì)于其他應(yīng)用（如信號(hào)處理和成像）也很有用。新型存儲(chǔ)設(shè)備的早期希望幾乎消失了，但CCD已成為通用電子成像檢測(cè)器的主要候選者之一，該電子檢測(cè)器能夠替代新興的數(shù)字顯微成像領(lǐng)域的膠片。? ? CCD是在類似于集成電路的硅晶片上制造的，它通過一系列復(fù)雜的光刻步驟進(jìn)行處理，這些步驟包括蝕刻，離子注入，薄膜沉積，金屬化和鈍化，以定義器件內(nèi)的各種功能。硅基板被電摻雜以形成p型硅，p型硅是其中主載流子為帶正電的電子空穴的材料。在用金剛石鋸切割之前，在每個(gè)晶片上制造多個(gè)裸片，每個(gè)裸片都可以生產(chǎn)工作裝置，然后進(jìn)行測(cè)試，然后將其封裝到帶有玻璃或石英窗的陶瓷或聚合物外殼中，光可以通過該窗口照亮光電二極管陣列在CCD表面上。
當(dāng)紫外線，可見光或紅外光子撞擊位于CCD光電二極管中或附近的硅原子時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生一個(gè)自由電子和一個(gè)由硅晶格中電子暫時(shí)不存在而產(chǎn)生的“空穴”。然后將自由電子收集在勢(shì)阱中（位于耗盡層所在區(qū)域的硅深處），同時(shí)迫使空穴遠(yuǎn)離阱，將其轉(zhuǎn)移到硅襯底中。各個(gè)光電二極管通過通道停止器與其相鄰器件電隔離，該通道停止器是通過將硼離子通過掩模擴(kuò)散到p型硅襯底中而形成的。

CCD的主要結(jié)構(gòu)特征是大量的串行移位寄存器，這些移位寄存器由垂直堆疊的摻雜多晶硅導(dǎo)電層構(gòu)成，該導(dǎo)電層通過二氧化硅絕緣薄膜與硅半導(dǎo)體襯底隔開（見圖2）。在陣列的每個(gè)光電二極管內(nèi)收集了電子之后，將電壓電勢(shì)施加到多晶硅電極層（稱為柵極），以改變下面的硅的靜電電勢(shì)。

然后，直接位于柵電極下方的硅襯底變成勢(shì)能阱，其能夠收集由入射光產(chǎn)生的局部產(chǎn)生的電子。相鄰的柵極通過形成較高勢(shì)能的區(qū)域（稱為勢(shì)壘）來幫助將電子限制在勢(shì)阱內(nèi)，井周圍。通過調(diào)制施加到多晶硅柵極的電壓，可以對(duì)它們施加偏壓，以形成勢(shì)阱或?qū)怆姸O管收集的積分電荷的勢(shì)壘。 常見的CCD設(shè)計(jì)具有一系列門元件，這些門元件通過在水平行中排列的三個(gè)勢(shì)阱將每個(gè)像素細(xì)分為三分之二。每個(gè)光電二極管的勢(shì)阱都能容納許多電子，這些電子決定了CCD動(dòng)態(tài)范圍的上限。在被稱為積分的一段時(shí)間內(nèi)被入射光子照射后，CCD光電二極管陣列中的勢(shì)阱被在硅襯底的耗盡層中產(chǎn)生的電子充滿。通過將累積電荷串行和并行傳輸?shù)叫酒吘壍膯蝹€(gè)輸出節(jié)點(diǎn)的組合，可以完成對(duì)所存儲(chǔ)電荷的測(cè)量。并行電荷轉(zhuǎn)移的速度通常足以在下一個(gè)圖像的電荷積分期間完成。? ?

在被收集到勢(shì)阱中之后，電子通過垂直移位寄存器時(shí)鐘產(chǎn)生的信號(hào)平行移動(dòng)，一次移動(dòng)一行。電子以多步過程（從兩步到四步不等）跨過每個(gè)光電二極管傳輸。通過將保持阱的電位更改為負(fù)值，同時(shí)將下一個(gè)電極的偏壓增加到正值，可以實(shí)現(xiàn)此偏移。垂直移位寄存器時(shí)鐘周期地操作以改變垂直柵極的交替電極上的電壓，從而使累積的電荷跨過CCD移動(dòng)。圖1示出了與位于一行CCD柵極內(nèi)的傳輸柵極相鄰的光電二極管電勢(shì)良好。 遍歷并行移位寄存器門陣列后，電荷到達(dá)稱為串行移位寄存器的專門門行。在此，代表每個(gè)像素的電子包在水平移位寄存器時(shí)鐘的控制下依次水平移位到輸出放大器并移出芯片。水平移位寄存器的全部內(nèi)容在從并行寄存器加載下一行電荷包之前被傳輸?shù)捷敵龉?jié)點(diǎn)。在輸出放大器中，電子包在從第一行開始到最后一行的單行中記錄從左到右連續(xù)的光電二極管產(chǎn)生的電荷量。這將對(duì)來自光電二極管傳感器元件的整個(gè)二維陣列的光生電荷進(jìn)行模擬光柵掃描。

在我們對(duì)“數(shù)字成像技術(shù)的概念”的回顧中，其他章節(jié)將討論各種各樣的CCD元件和設(shè)計(jì)。其中包括幾個(gè)建筑圖案，防起霜的電子漏極，微透鏡陣列，像素合并，時(shí)鐘方案，掃描格式，以及對(duì)電荷耦合器件的理論和操作有基本了解的其他主題。?

? 高靈敏度攝像機(jī)芯 高靈敏度攝像機(jī)芯作為一種光電成像器件，被廣泛應(yīng)用于各種暗光環(huán)境成像的整機(jī)設(shè)備，是高靈敏度成像設(shè)備的核心器件。 ? 在沒有人工光源照明的夜間，處于自然環(huán)境中的物體仍受到月光、星光、大氣輝光等自然光源的照射，這些微弱的光被物體反射后，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)收集匯聚到高靈敏度圖像傳感器芯片上，由圖像傳感器芯片進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換變成原始的數(shù)字圖像。原始的數(shù)字圖像經(jīng)過運(yùn)行于機(jī)芯內(nèi)的圖像處理模塊處理后，得到亮度適中、對(duì)比自然、成像細(xì)節(jié)豐富的數(shù)字圖像。處理后的數(shù)字圖像根據(jù)應(yīng)用場景的需要，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像的顯示、存儲(chǔ)、傳輸和識(shí)別等功能。? ?

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芯片產(chǎn)品設(shè)計(jì)： 芯片設(shè)計(jì)主要包括頂層方案設(shè)計(jì)、像素設(shè)計(jì)、模擬電路設(shè)計(jì)、數(shù)字電路設(shè)計(jì)、版圖布局布線和全定制設(shè)計(jì)、寄生參數(shù)抽取后仿真與整體芯片功能驗(yàn)證等環(huán)節(jié)。 頂層方案設(shè)計(jì)：將所定義的項(xiàng)目規(guī)格細(xì)化成功能模塊和系統(tǒng)架構(gòu)； 像素設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)出滿足項(xiàng)目需求的像素結(jié)構(gòu)、版圖、操作時(shí)序，優(yōu)化靈敏度、暗電流等指標(biāo)； 模擬電路設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器、鎖相環(huán)、行列驅(qū)動(dòng)電路、參考電壓、帶隙基準(zhǔn)等圖像傳感器需要的電路模塊。

對(duì)各模塊進(jìn)行仿真并優(yōu)化，使模塊性能滿足芯片需求； 數(shù)字電路設(shè)計(jì)：芯片系統(tǒng)控制、像素時(shí)序和模擬電路控制以及圖像處理的電路設(shè)計(jì)，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證； 版圖設(shè)計(jì)：根據(jù)像素、模擬電路、數(shù)字電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行全定制的版圖設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)單元布局布線，并抽取出寄生的電容電阻參數(shù)； 寄生參數(shù)抽取后仿真：根據(jù)版圖設(shè)計(jì)抽取出的寄生參數(shù)進(jìn)行后仿真以驗(yàn)證前面設(shè)計(jì)的正確性，并修改不滿足規(guī)格的設(shè)計(jì)；? ? 整體芯片功能驗(yàn)證：最終將設(shè)計(jì)好的芯片進(jìn)行整體后仿真，驗(yàn)證芯片的功能，驗(yàn)證通過后交付流片。

機(jī)芯產(chǎn)品設(shè)計(jì)： 機(jī)芯設(shè)計(jì)主要是在芯片設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、FPGA開發(fā)、軟件開發(fā)以及各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的檢查確認(rèn)等工作。 方案設(shè)計(jì)：包括確定供電方式、視頻輸出格式、FPGA型號(hào)、機(jī)芯的機(jī)械尺寸、環(huán)境適應(yīng)性要求、可靠性要求等指標(biāo)； 硬件設(shè)計(jì)：包括機(jī)芯硬件電路的原理圖設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)、機(jī)芯中墊片和外殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)結(jié)束并經(jīng)過檢查確認(rèn)后，輸出外協(xié)供應(yīng)商所需要的各種工藝文件，以便進(jìn)行電路板生產(chǎn)、電路板貼片和機(jī)械結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)； FPGA開發(fā)：包括機(jī)芯中圖像處理算法研究、Verilog代碼編寫、功能仿真和板級(jí)調(diào)試。
設(shè)計(jì)結(jié)束并經(jīng)過檢查確認(rèn)后，輸出可以燒錄到FPGA芯片中的配置文件，使FPGA芯片具有圖像處理功能和其他輔助功能； 軟件開發(fā)：包括Linux下各外設(shè)的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)、Linux下應(yīng)用程序開發(fā)、MCU中固件的開發(fā)、上位機(jī)軟件的開發(fā)以及圖像質(zhì)量優(yōu)化。 所有的開發(fā)工作完成后，還需要進(jìn)行整機(jī)測(cè)試，確保設(shè)計(jì)的功能、性能、環(huán)境適應(yīng)性和可靠性達(dá)到了預(yù)定的目標(biāo)。

芯片產(chǎn)品和機(jī)芯產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后，先后經(jīng)過初樣階段和正樣階段：初樣階段完成首件產(chǎn)品的制作，正樣階段對(duì)初樣階段的設(shè)計(jì)結(jié)果和生產(chǎn)過程工藝參數(shù)進(jìn)行再驗(yàn)證。經(jīng)評(píng)審小組評(píng)審合格后進(jìn)入設(shè)計(jì)定型階段，最終制定產(chǎn)品使用說明書、技術(shù)文件、工藝文件、產(chǎn)品驗(yàn)收規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)文件。設(shè)計(jì)定型后的產(chǎn)品進(jìn)入生產(chǎn)定型階段，在產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和批量生產(chǎn)條件達(dá)到要求后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行生產(chǎn)定型。? ? 生產(chǎn)流程

CMOS圖像傳感器行業(yè)發(fā)展及市場概況 （1）圖像傳感器行業(yè)概況 圖像傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置，采用感光單元陣列和輔助控制電路獲取目標(biāo)物體的亮度和色彩信號(hào)，并通過復(fù)雜的信號(hào)處理和圖像處理技術(shù)輸出數(shù)字化的圖像信息，在攝像、數(shù)字電視、可視通信領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。 圖像傳感器主要分為CCD圖像傳感器（Charge-CoupledDevice，電荷耦合器件）與CMOS圖像傳感器（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）。 在CCD圖像傳感器中，光信息以電荷的形式保存在每一個(gè)像素中，在CCD圖像傳感器進(jìn)行讀出時(shí)，每一個(gè)像素內(nèi)部保存的電荷首先在列方向自上而下逐行進(jìn)行轉(zhuǎn)移，從一個(gè)像素轉(zhuǎn)移到相鄰的像素中，然后被轉(zhuǎn)移到位于陣列最下方的橫向寄存器中。

之后再橫向轉(zhuǎn)移，最終被轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出到傳感器片外，片外系統(tǒng)可以進(jìn)行放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等操作。? ? 在CMOS圖像傳感器中，通常不能做電荷轉(zhuǎn)移，電荷在每一個(gè)像素內(nèi)部就已經(jīng)被轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，這些電壓信號(hào)通過列方向的總線逐行進(jìn)行讀出。CMOS圖像傳感器基于通用大規(guī)模集成電路工藝，具有高度集成的能力，可以把驅(qū)動(dòng)電路、放大及量化電路、數(shù)字控制電路、數(shù)字處理電路、輸出接口電路等全部集成在傳感器芯片上。

與CCD圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器大幅減少外圍電路的規(guī)模，憑借其集成度高、成本低、功耗低、系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡潔等優(yōu)點(diǎn)，迅速在消費(fèi)電子市場完成了對(duì)CCD圖像傳感器的替代。

（2）圖像傳感器性能參數(shù)指標(biāo) 由于不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)MOS圖像傳感器性能的需求有所不同，企業(yè)需要針對(duì)客戶的具體需求設(shè)計(jì)不同類型的CMOS圖像傳感器。CMOS圖像傳感器的性能參數(shù)指標(biāo)如下： ①分辨率 分辨率是衡量圖像傳感器內(nèi)像素單元數(shù)量的一個(gè)參數(shù)，通常分辨率越高說明包含的像素單元數(shù)量越多，對(duì)外界場景信息的顯示越細(xì)致。分辨率的兩個(gè)數(shù)字分別表示圖片在水平方向和垂直方向上像素單元的數(shù)量，常見的分辨率有640×480、752×576、800×600、1024×768、1280×720、1920×1080等，更高的分辨率意味著設(shè)計(jì)及工藝難度越高。

②像素尺寸 像素尺寸是衡量單個(gè)像素大小的一個(gè)參數(shù)。一方面，像素尺寸越小，單位面積上集成的像素就越多，可以提高圖像傳感器的分辨率；另一方面，像素尺寸越大，圖像傳感器的靈敏度越高，噪聲越小。小像素和大像素均有獨(dú)特的設(shè)計(jì)難度和工藝難度。 ③靈敏度 靈敏度是衡量圖像傳感器對(duì)光線敏感程度的一個(gè)參數(shù)。靈敏度的常用單位是V/lx·s，表示1lx的光線下每秒鐘像素輸出的電壓信號(hào)值。靈敏度數(shù)值越高，單位時(shí)間內(nèi)圖像傳感器的產(chǎn)生的信號(hào)電壓越高，圖像信噪比越高。?

? ④靶面尺寸 靶面尺寸是衡量圖像傳感器感光部分大小的一個(gè)參數(shù)，通常指傳感器感光面積的對(duì)角線長度，用英寸表示。 ⑤幀率 幀率是衡量圖像傳感器在單位時(shí)間內(nèi)所記錄圖像數(shù)量的一個(gè)參數(shù)，通常指一秒內(nèi)圖像傳感器輸出的圖像幀數(shù)。幀率越高，對(duì)拍攝高速運(yùn)動(dòng)的物體越有利。同時(shí)，隨著幀率的升高，曝光時(shí)間變短，對(duì)低照度環(huán)境下的拍攝不利。 ⑥動(dòng)態(tài)范圍 動(dòng)態(tài)范圍是衡量圖像傳感器對(duì)同一場景下不同光照條件的采集能力的一個(gè)參數(shù)，通常指圖像傳感器能夠探測(cè)的最大和最小的光強(qiáng)的比例。動(dòng)態(tài)范圍越大，圖像所能呈現(xiàn)的層次越豐富。

（3）行業(yè)市場規(guī)模 ①全球CMOS圖像傳感器市場規(guī)模及分布 CMOS圖像傳感器在消費(fèi)電子、安防、車載、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。根據(jù)MordorIntelligence的數(shù)據(jù)，2018年全球CMOS圖像傳感器市場規(guī)模達(dá)到141.60億美元。 未來，隨著人工智能與傳統(tǒng)領(lǐng)域的不斷融合，人臉識(shí)別、自動(dòng)駕駛、機(jī)器視覺等技術(shù)將日臻成熟，CMOS圖像傳感器作為圖像識(shí)別的關(guān)鍵部件，其市場規(guī)模將會(huì)進(jìn)一步增長。根據(jù)MordorIntelligence的數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)到2024年全球CMOS圖像傳感器市場規(guī)模將達(dá)到235.20億美元，2018年到2024年的年均復(fù)合增長率為8.83%。? ?

②中國CMOS圖像傳感器市場規(guī)模 隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展，消費(fèi)電子、安防、車載等領(lǐng)域圖像傳感器市場需求都有較快增長。為推動(dòng)整體智能制造的水平，我國正加大對(duì)人工智能領(lǐng)域的研發(fā)資源投入，從而進(jìn)一步帶動(dòng)下游應(yīng)用領(lǐng)域?qū)D像傳感器的需求。根據(jù)MordorIntelligence的數(shù)據(jù)，2018年中國CMOS圖像傳感器市場規(guī)模達(dá)到73.60億美元，預(yù)計(jì)到2024年將達(dá)到128.10億美元，年均復(fù)合年增長率為9.68%，高于全球整體的平均增速，具有良好的增長前景。

? ? 行業(yè)下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況及未來發(fā)展趨勢(shì) （1）安防行業(yè) 在安防行業(yè)，安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要使用大量圖像采集攝像頭。根據(jù)MordorIntelligence的數(shù)據(jù)，2019年全球視頻監(jiān)控系統(tǒng)市場規(guī)模為524.50億美元，隨著各行業(yè)對(duì)于視頻監(jiān)控系統(tǒng)的需求增加，預(yù)計(jì)到2025年全球視頻監(jiān)控系統(tǒng)市場規(guī)模將達(dá)到903.70億美元，復(fù)合年增長率為9.49%。 因此，隨著安防視頻監(jiān)控領(lǐng)域需求的不斷提高，攝像頭行業(yè)的需求將進(jìn)一步增長。 （2）車載行業(yè) 在汽車行業(yè)，圖像傳感器主要用于后視攝像（RVC）、全方位視圖系統(tǒng)（SVS）、攝像機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（CMS）、FV/MV（汽車前視攝像、運(yùn)動(dòng)攝像）、DMS/IMS（汽車駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)和汽車座艙監(jiān)控系統(tǒng)）等系統(tǒng)。 目前，汽車行業(yè)正處于自動(dòng)化和智能化的趨勢(shì)中，而自動(dòng)化和智能化需要在各種光線條件下實(shí)現(xiàn)更清晰的成像，以實(shí)現(xiàn)汽車的輔助駕駛乃至全自動(dòng)駕駛。因此，隨著汽車自動(dòng)化和智能化水平的不斷提高，攝像頭行業(yè)的需求將進(jìn)一步增長。 （3）消費(fèi)電子行業(yè) 在消費(fèi)電子行業(yè)，移動(dòng)領(lǐng)域開始使用多相機(jī)成像系統(tǒng)，設(shè)立一個(gè)或多個(gè)輔助相機(jī)，從而改善主相機(jī)的成像質(zhì)量。同時(shí)，基于圖像傳感器的生物安全認(rèn)證技術(shù)也在全面屏的浪潮中迅速發(fā)展，如屏下指紋識(shí)別、人臉識(shí)別等。隨著消費(fèi)電子領(lǐng)域需求的不斷提高，攝像頭行業(yè)的需求將進(jìn)一步增長。? ? ? CMOS圖像傳感器作為攝像頭的核心部件，在安防、車載、消費(fèi)電子等領(lǐng)域的需求帶動(dòng)下，市場需求將不斷增長。 工藝持續(xù)創(chuàng)新，定制化趨勢(shì)明顯 CMOS圖像傳感器的制造工藝主要分為前照技術(shù)（FSI，F(xiàn)RONT-SIDEILLUMINATED）和背照技術(shù)（BSI，BACK-SIDEILLUMINATED）。? ?

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按照索尼解析，兩層晶體管像素的堆疊式CMOS圖像傳感器是把在一片襯底上的光電二極管和像素晶體管分離到不同襯底上，這樣光電二極管表面積能夠翻倍，能夠接收到更多光線，讓飽和信號(hào)水平大約增加了一倍，結(jié)果就是大幅度改善動(dòng)態(tài)范圍與噪聲（噪點(diǎn)）表現(xiàn)。為了把光電二極管和像素晶體管所在兩片襯底連接在一起，索尼使用了新技術(shù)。按照KeiichiNakazawa說法，因?yàn)閭鞲衅鞯南袼胤浅Ｐ?，光電二極管和像素晶體管對(duì)準(zhǔn)精度達(dá)到了納米級(jí)，因此使用了一項(xiàng)名為為3D順序集成的工藝技術(shù)，會(huì)在生產(chǎn)過程中直接襯底連接在一起，而不是像傳統(tǒng)那樣，在生產(chǎn)完芯片后再連接在一起。同時(shí)索尼使用新的連接結(jié)構(gòu)，讓耐熱性從傳統(tǒng)400℃提升到1000℃。? ? 　　

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前照技術(shù)中濾鏡與光電二極管間夾雜的大量金屬連線對(duì)進(jìn)入傳感器表面的光線存在較大的散射，圖像信噪比較低。背照技術(shù)中金屬連線和光照分別位于光電二極管的兩面，大幅度降低了光的散射，提高圖像信噪比，同時(shí)，可以配合更復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)來提升傳感器讀取速度和動(dòng)態(tài)范圍。 在普通背照工藝的基礎(chǔ)上，將讀出電路等信號(hào)處理模塊與像素陣列分離至不同的硅片上，利用硅通孔和引線鍵合等三維互連技術(shù)將不同功能的硅片進(jìn)行連接，形成了3D集成背照工藝。3D集成背照工藝改善了像素和處理電路工藝差異導(dǎo)致的成像質(zhì)量問題，大幅降低了處理電路對(duì)像素陣列的干擾，提升了圖像的信噪比，同時(shí)能夠在相同的面積下實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的成像功能。 不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)MOS圖像傳感器特性的要求不同，因此在工藝的開發(fā)和運(yùn)用上表現(xiàn)出較強(qiáng)的定制化特點(diǎn)。在消費(fèi)電子領(lǐng)域，尤其是便攜設(shè)備，微型化的需求促使工藝向3D集成背照工藝發(fā)展。在高靈敏度成像、工業(yè)機(jī)器視覺以及醫(yī)療影像等領(lǐng)域，相比于體積，對(duì)CMOS圖像傳感器的靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、抗模糊、抗偽影以及使用壽命等方面的指標(biāo)要求更高。? ? 因此，在這些領(lǐng)域需要根據(jù)具體的實(shí)際需求，選擇合適的工藝并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行工藝的二次開發(fā)，如提升靈敏度采用的厚外延層工藝、抗模糊采用深溝隔離工藝等。 產(chǎn)品應(yīng)用往低照度、超高速及三維成像等方向發(fā)展 低照成像技術(shù)：近年來，業(yè)內(nèi)廠商開發(fā)出多種提升光電轉(zhuǎn)換效率的新工藝，顯著提升了圖像傳感器的感光靈敏度，配合創(chuàng)新的低噪聲讀出電路設(shè)計(jì)，顯著改善了圖像傳感器在低照度環(huán)境下的成像質(zhì)量。 高速成像技術(shù)：高速成像技術(shù)可以通過不同的方式實(shí)現(xiàn)，一種是3D集成背照工藝，3D集成背照工藝為CMOS圖像傳感器引入像素級(jí)高速緩存，使得圖像傳感器能夠在短時(shí)間內(nèi)大幅提升幀頻，獲得的圖像以較高速度存入緩存中，隨后以較低速度對(duì)外輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體的清晰成像。 另一種是以事件化成像為代表的仿生成像技術(shù)，仿生成像技術(shù)為高速成像提供了一種全新的思路，其能夠有效抑制動(dòng)態(tài)場景成像時(shí)冗余的靜態(tài)背景，大幅精簡輸出數(shù)據(jù)量，從而實(shí)現(xiàn)超高速成像。

圖：索尼新圖像傳感器技術(shù)，兼具全局快門功能和背照式結(jié)構(gòu) ? ? 三維立體成像技術(shù)：相較于二維圖像，三維立體成像新增了距離信息，從而實(shí)現(xiàn)了具備立體感的空間成像功能。目前主要的三維立體成像技術(shù)有利用視差實(shí)現(xiàn)的雙目立體視覺傳感器（stereovisionsensor）、利用三角幾何關(guān)系實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)光三維圖像傳感器（structuredlight3Dimagingsensor）以及基于發(fā)送和接收端光相位差計(jì)算距離的飛行時(shí)間圖像傳感器（time-of-flightimagesensor）等。 后兩者一般以激光雷達(dá)（lightradar，LiDAR）的形態(tài)出現(xiàn)，包含激光發(fā)射器和信號(hào)接收端，CMOS圖像傳感器為信號(hào)接收端的核心，在三維立體成像領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

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圖像傳感器的設(shè)計(jì)和制作 圖像傳感器的設(shè)計(jì)和制作傳統(tǒng)上采用電荷藕合器件(chargecoupleddevice，ccd)工藝。在1980-1990年代，ccd工藝由于在消費(fèi)類相機(jī)上的應(yīng)用，贏得巨大發(fā)展。然而在2005年后ccd在消費(fèi)領(lǐng)域的應(yīng)用快速被互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝(complementarymetaloxidesemiconductor，cmos)取代。原有的ccd生產(chǎn)線紛紛關(guān)廠停線，迄今為止全世界已經(jīng)剩下很少的ccd產(chǎn)線了。然而tdi圖像傳感器的設(shè)計(jì)制作一直到現(xiàn)在還部分使用ccd工藝，其原因就是tdi圖像傳感器的工作原理依賴于ccd的操作方式。? ? 考慮到ccd工藝線的退出，從2012年開始，部分公司研究在cmos工藝上嵌入類似ccd功能的器件，稱之為嵌入式ccd(eccd，embeddedccd)，以此制作tdi圖像傳感器。

這種圖像傳感器基于cmos工藝的基礎(chǔ)上，所以稱之為tdi-cmos圖像傳感器，核心是eccd。比較而言，把原來基于ccd工藝基礎(chǔ)上的圖像傳感器稱為延遲積分cmos(timedelayintegration–cmos，tdi-ccd)圖像傳感器。 ECCD技術(shù)在通用CMOS集成電路工藝的基礎(chǔ)上，嵌入CCD工藝模塊，將圖像感光（CCD）與采集處理（CMOS）集成在同一塊芯片：利用CCD工藝，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換和無噪聲電荷疊加；利用CMOS工藝，將復(fù)雜的圖像信號(hào)采集量化電路功能集成到芯片中，有效提高圖像質(zhì)量。公司自主研發(fā)的ECCD圖像傳感器同時(shí)擁有CCD像素低噪聲的特點(diǎn)和CMOS電路高集成度的特點(diǎn)。

ECCD工藝是CCD和CMOS兩種圖像傳感器工藝的集大成者，目前全世界僅有少數(shù)幾家企業(yè)掌握ECCD工藝。 每個(gè)ccd像素單元包括4個(gè)多晶硅電極，在強(qiáng)光的條件下，電極下方溝道的電子達(dá)到滿阱后溢出到相鄰電極或溝道的現(xiàn)象，，稱為彌散現(xiàn)象(blooming)。彌散現(xiàn)象會(huì)對(duì)相鄰的溝道產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致相鄰溝道的電子數(shù)增加，使得像素輸出增大，輸出圖像出現(xiàn)光暈。 因此，需要一種抗彌散方法以解決強(qiáng)光條件下電子滿阱后溢出干擾相鄰電極或溝道問題。 ? ? ? ? ?

MCCD汲取了CMOS與CCD的特點(diǎn)，將圖像傳感器像素的靈敏度及畫質(zhì)推上了一個(gè)更高的臺(tái)階。MCCD具有比CCD更高的可見光靈敏度及超高的近紅外靈敏度、更大的動(dòng)態(tài)范圍。MCCD使用與CCD兼容的曝光、讀出控制方式，MCCD是與CCD相同的被動(dòng)器件。MCCD又利用CMOS工藝集成度高的特點(diǎn)，將圖像信號(hào)采集量化電路集成到芯片中，有效提高了圖像質(zhì)量。

在技術(shù)層面，MCCD的特點(diǎn)如下：高性能、高靈敏度的像素設(shè)計(jì)是MCCD的技術(shù)優(yōu)勢(shì)；采用了高速并行技術(shù)，幀速每秒超過2000幀；銳芯微提供的安防解決方案中，采用的全局結(jié)合滾動(dòng)高速曝光模式可以實(shí)現(xiàn)高速紅外三位影像捕捉；第四是防蒙塵技術(shù)能夠消除50%以上的圖像固形噪聲，提高了換面品質(zhì)。 ? ? ? ? ?

資料來源：銳芯微MCCD傳感器 在需求保持高速增長的同時(shí)，不同領(lǐng)域的市場熱點(diǎn)也呈現(xiàn)“百花齊放”的特點(diǎn)。 消費(fèi)電子領(lǐng)域中，移動(dòng)設(shè)備領(lǐng)域的多相機(jī)成像系統(tǒng)、屏下指紋識(shí)別、人臉識(shí)別等技術(shù)的成熟應(yīng)用將進(jìn)一步提升CMOS圖像傳感器的市場需求。 汽車領(lǐng)域中，輔助/自動(dòng)駕駛的車載LiDAR系統(tǒng)具有厘米級(jí)精度，可以對(duì)三維空間進(jìn)行精準(zhǔn)分辨，而基于CMOS圖像傳感器的固態(tài)/混合態(tài)車載LiDAR因其低成本的優(yōu)勢(shì)開始迅猛發(fā)展。 安防領(lǐng)域中，作為數(shù)據(jù)獲取的最主要來源，CMOS圖像傳感器在智慧城市的建設(shè)中將得到更加廣泛的應(yīng)用。 醫(yī)療影像領(lǐng)域中，在放射性檢查（X光檢查和CT掃描）中，CMOS圖像傳感器作為圖像接收器，已經(jīng)全面取代傳統(tǒng)的真空管等非固態(tài)電子器件。

工業(yè)控制領(lǐng)域中，隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來，基于圖像傳感器的機(jī)器視覺的應(yīng)用也日益廣泛。 國產(chǎn)化是未來發(fā)展趨勢(shì) CMOS圖像傳感器已經(jīng)經(jīng)歷了二十多年的快速發(fā)展，絕大多數(shù)的高端技術(shù)仍然掌握在歐美和日韓廠商手中。由于技術(shù)壁壘和資金問題，國內(nèi)CMOS圖像傳感器技術(shù)發(fā)展一直比較緩慢，在早期僅有部分高校和研究機(jī)構(gòu)開展有限的研究，無法實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。 21世紀(jì)初，國內(nèi)有一批從事CMOS圖像傳感器設(shè)計(jì)的企業(yè)成立，包括銳芯微電子、格科微電子（上海）有限公司、北京思比科微電子技術(shù)股份有限公司、江蘇思特威電子科技有限公司等。未來，在芯片“自主、安全、可控”的戰(zhàn)略指引下，CMOS圖像傳感器核心技術(shù)國產(chǎn)化進(jìn)程將日益加速，國內(nèi)廠商將逐漸成為產(chǎn)業(yè)的核心力量。? ?

主要競爭對(duì)手 （1）索尼（SONY）索尼是日本的一家全球知名的大型綜合性跨國企業(yè)集團(tuán)，是世界視聽、電子游戲、通訊產(chǎn)品和信息技術(shù)等領(lǐng)域的先導(dǎo)者之一。在CMOS圖像傳感器領(lǐng)域，索尼是市場占有率最大的廠商。索尼公司在2012年推出堆棧式（Stacked）CMOS技術(shù)，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。長期以來，索尼在高端CMOS圖像傳感器市場保持較為顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

（2）豪威科技（Omnivision）豪威科技成立于1995年，是一家專業(yè)開發(fā)高度集成CMOS圖像傳感器的企業(yè)。豪威科技與日本索尼、韓國三星并稱為全球領(lǐng)先的三大主要圖像傳感器供應(yīng)商，目前在車載、安防及手機(jī)領(lǐng)域擁有較高的市場占有率。2019年7月，豪威科技被韋爾股份（603501.SH）收購。（3）安森美半導(dǎo)體(ONSemiconductor)安森美半導(dǎo)體于1999年從摩托羅拉分拆出來，是一家研發(fā)高能效電子產(chǎn)品的芯片供應(yīng)商。安森美半導(dǎo)體的產(chǎn)品包括電源和信號(hào)管理、邏輯、分立及定制器件等。圖像傳感器業(yè)務(wù)也是安森美的一個(gè)重要業(yè)務(wù)分支，其圖像傳感器產(chǎn)品在汽車，工業(yè)與消費(fèi)三大領(lǐng)域具有較強(qiáng)的市場競爭力，也向客戶提供定制圖像傳感器設(shè)計(jì)服務(wù)。

（4）格科微電子（上海）有限公司格科微電子（上海）有限公司（以下簡稱“格科微”）成立于2003年，主要從事CMOS圖像傳感器、LCDDriver、高端嵌入式多媒體SOC芯片及應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)和銷售，其產(chǎn)品主要用于手機(jī)和平板電腦領(lǐng)域。（5）江蘇思特威電子科技有限公司江蘇思特威電子科技有限公司（以下簡稱“思特威”）成立于2011年，主要從事CMOS圖像傳感器芯片研發(fā)與設(shè)計(jì)，其產(chǎn)品主要應(yīng)用于安防監(jiān)控、車載影像、機(jī)器視覺及消費(fèi)類電子產(chǎn)品（運(yùn)動(dòng)相機(jī)、無人機(jī)、掃地機(jī)器人、智能家用攝像頭）等領(lǐng)域。 ? ? ? ? ?

編輯：黃飛

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