ccd图像传感器与cmos图像传感器 CCD？CMOS？背照式？堆栈式？图像传感器结构小科普

发布时间：2024-11-25 08:11:39

CCD？CMOS？背照式？堆栈式？图像传感器结构小科普

前一阵佳能推出了搭载佳能首款自主研发的背照堆栈式CMOS图像传感器的速度旗舰EOS R3，但有不少朋友表示堆栈式CMOS不是早就有了么。我相信很多人对于相机的图像传感器相关知识是一知半解的，今天就来和大家一起科普一下有关于图像传感器结构的一些知识。

CCD还是CMOS？

在数码单反刚开始发展的早期，曾经有过一次“路线之争”，就是选择CCD图像传感器还是CMOS图像传感器。首先，无论是哪种图像传感器，原理都是将外界射入的光信号转换为电信号，电信号由ADC数模转换器将模拟信号转换为数字信号，再由ISP图像处理器对接收到的数字信号进行处理，最终输出为一幅图像。

CCD的全称是ChargeCoupled Device，电荷耦合器件图像传感器，于1969年由美国贝尔实验室发明。CMOS的全称是Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互补式金属氧化物半导体图像传感器，是一种集成电路的设计工艺，用户非常广泛。相对而言，CCD在初期具备分辨率高，灵敏度好，全域快门的特点，而CMOS则具备集成度高，功耗低，成本低的特点。与CCD产品相比，CMOS是标准工艺制程，可利用现有的半导体设备，不需额外的投资设备，且品质可随著半导体技术的提升而进步。随着工艺水平的提高，CMOS图像传感器迅速解决了分辨率和灵敏度的劣势，并且在大尺寸元件上的价格优势和视频录制方面的优势更加的明显，直接导致了CMOS的全面胜出。

目前CCD图像传感器大多出现在一些对特殊领域性能要求特别高，同时对成本很无所谓的领域中还有应用。比如天文摄影会用到冷冻CCD，医疗X光影像以及一些需要长时间曝光的科学应用上。而那些在社交平台上吹嘘的十几年前的二手CCD照相机，一般都已经属于“工业废品”级别，同样的价格可以购买同年代的全画幅单反相机了，强烈不值得入手。

在单反数码化的初期，各家都有尝试过使用CCD来作为图像传感器，但在2002年，佳能和柯达就先后发布了使用CMOS图像传感器的全画幅单反相机，此后佳能也再也没有使用CCD作为单反的图像传感器，专心致志的走CMOS路线。

当然也不是所有厂商都选择了CCD或者CMOS，适马就选择了FOVEON X3的传感器。2002年适马推出了世界上第一台搭载FOVEON X3传感器的数码单反相机SD 9，直到今天也只有适马还有FOVEON X3传感器的相机有售。

虽然在2003年索尼还没有涉足相机市场，但2003年宾得发布的自家第一款数码单反相机*ist D就是使用的索尼生产的631万像素CCD。2017年，索尼正式停止研发CCD图像传感器，同时索尼的最后一款CCD单反相机也要追溯到2010年的索尼a390。

背照式？堆栈式？都是什么？

如果说CCD与CMOS之争是线路之争，那么背照式CMOS和堆栈式CMOS就是CMOS图像传感器的进化之路。

上面我们提到了CMOS具备集成度高的特点，所以电影摄影机领域就有不少顶级厂商选择将ADC数模转换器集成到CMOS中，以提高峰值输出性能并得到了不错的成绩。索尼在2007年推出了Exmor CMOS，在小尺寸传感器上实现了集成ADC这一特性，2008年索尼推出了著名的IMX028，就是索尼a900、尼康D3X上用的那款。从这时候起，索尼CMOS的性能逐步与外置ADC的佳能CMOS拉开了明显的差距。

2008年，索尼继续高歌猛进，推出了BSI背照式CMOS，索尼将之称为Exmor R。在前照式CMOS时代中，Bayer阵列滤镜与光电二极管间存在大量金属连线，阻隔了大量进入传感器表面的光线。在背照式CMOS结构下，金属连线转移到光电二极管的背面，光线不再被阻挡，信噪比大幅度提高，而且可以采用更复杂、更大规模电路来提升传感器读取速度。第一个吃到背照式CMOS红利的并不是相机类产品，而是苹果的IPHONE 4S，随后1英寸卡片机领域开始大规模使用，就连能够自产CMOS传感器的佳能和松下都采用索尼的背照式CMOS。

在背照式CMOS之后到来的工艺升级是铜互连工艺，与之前的铝互连工艺比，电阻降低了40%，芯片运行速度提升了15%，尺寸还更小，同时为芯片增加互连层数提供了可能性。也就是说没有铜互连工艺，就不会有后来的堆栈式CMOS。2012年尼康推出的D600上就采用了IMX128传感器，相对于尼康D3X在速度上有了质的提升，这就是铜互连工艺带来的进步。索尼则是从Alpha 7R II上开始宣传这一工艺的升级。

2012年，索尼发布了堆栈式CMOS结构，并命名为Exmor RS。这一结构在背照式CMOS的基础上具备了更多的ADC，并内置了DRAM存储芯片，也就是说CMOS的读取和处理速度更快了。2015年索尼推出了搭载堆栈式CMOS的卡片机RX100 IV，具备24张/秒的超高速连拍性能，之后索尼在RX100 VII上又进一步升级了堆栈式CMOS，具备无黑屏的20张/秒连拍。

用人话讲这几个新工艺分别是，内置ADC提高宽容度，背照式CMOS提高进光量，铜互连工艺和堆栈式CMOS提高读取速度。

那么传感器还有什么升级点呢？

虽然在相机/手机CMOS领域索尼相对于佳能/三星/OV还有不少领先，但和几个高端品牌比如阿莱的供应商ON Semiconductor相比，索尼、佳能等等品牌还有不少功课要补，其中我认为最重要的就是佳能已经成功研发了的双增益成像影像传感器技术。

这项技术需要CMOS中集成双ADC，一个ADC通道读取14bit高增益信号，一个ADC通道读取14bit低增益信号，最后通过处理器进行HDR合成出16bit的高宽容度画面。阿莱在很早之前就实现了这一功能，而佳能则在摄像机C70上搭载了这样的CMOS，目前相机/手机领域还没有这样的产品出现，不过我相信随着时间的推移，慢慢就会有厂商去尝试这一功能点的。

以上就是本期的内容了，看完之后大家是否对传感器有了一定的了解了？

CCD和CMOS图像传感器的区别

随着CCD应用范围的扩大，其缺点逐渐显露出来。CCD光敏单元阵列难与驱动电路及信号处理电路单片集成，不易处理一些模拟和数字功能。为此，人们又开始使用最有发展潜力且采用标准的CMOS技术的图像传感器，即CMOS图像传感器。

CMOS图像传感器市场的发展态势十分迅猛，正逐步成为一个大众化市场。利用进一步改良的CMOS工艺，凭借相机较高的分辨率和帧速率以及更高的光敏性和较低的成本，提供低噪声的成像效果。要想提高CMOS图像传感器的质量，应从增加灵敏度和减少杂波两方面着手。

1、片上透镜

CMOS采用这项技术之后,可将更多的光聚集在感光二极管上,提高了灵敏度。微透镜有着最宜于捕捉光线的凸面外形，它们呈阵列式分布在CMOS图像传感器的表面，每个微透镜都与单个像素相对应。虽然增加了像素密度，但是图像感应器的聚光效率也得到了显著的增强。这种增强使得在高感光度下信号的输出范围得到了扩展。

2、照射结构

一般CMOS图像传感器进光投射方向为前照射结构，由于入射光到达像素中的光电二极管之前要通过硅基板表面的金属导线和晶体管,部分光线被反射，阻碍了片上透镜的采光进程，灵敏度降低。

背照射方式，则是把金属线路和晶体管移至硅基板另一面，入射光通过微透镜、滤色片直接到达光电二极管，减少了对采光的阻碍，大大增加进入每个像素的进光量。既可提高灵敏度，又减少杂波 ,明显提高了信号质量。同时也减少了由光学视角响应引起的灵敏度下降的问题，噪点、像素缺失等导致图像质量下降和S/N降低的问题。

3、低杂波读出电路

固定模式噪音来自不同像素放大器之间的不均衡的信号增强，为消除此类噪音，采用降噪电路读取固定模式噪音量，然后消除噪音以提供无噪音的光信号，大大减轻了固定图形噪音与随机噪音对图像的干扰。

4、减小暗电流

暗电流是CMOS上由于微晶缺陷或漏电流产生的，在长时间嚗光、像素电荷积累时间长的情况下，以及CMOS温度上升也会产生噪音。因此，为了加强在半导体工艺管理降低此类型的缺陷，采用将光电二极管植入CMOS底部硅晶的方法，降低噪音发生的机率，减少暗电流带来的噪音干扰。

5、多通道输出

CMOS比CCD最突出的优点是 X-Y寻址，电荷读出速度快，并且能方便的实行多通道同时输出。由于CCD要通过水平移位寄存器将电荷读出，所以它可将其左右分成两部分来实现双通道并行输出的高速化。但目前技术的困难在于不易大量生产，水平寄存器成品率低问题。

6、并联A/D变换

一般CMOS传感器A/D转换在CDS（Correlated Double Sampling）之后并为所有列共有，而列并联式A/D变换是在CDS之后，像素每列都有一个单独的A/D转换器，这就尽可能地缩短模拟处理的距离，从而在确保很高信号转换速度的同时，将模拟处理过程中产生的信号噪音所导致的画质降到最低。

7、像素排列技术

A、它通过将每个像素旋转45°,增大每个像素的感光面积,提高灵敏度。

B、通过增强型处理器执行内插运算算法，提高成像器清晰度。通过内插运算算法,将CMOS传感器每个像素四周的4个感光二极管(像素)运算生成一个新的像素。

目前像素排列技术主要有三种:全像素排列、像素空间偏置、像素倾斜45度。其中，将像素倾斜45度排列技术，使用内插运算算法的技术，大大提高了的CMOS成像器灵敏度和分辨率，解决了CMOS在专业领域应用的主要瓶颈。

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CCD？CMOS？背照式？堆栈式？图像传感器结构小科普

CCD和CMOS图像传感器的区别

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