ccd cmos图像传感器基础与应用 CCD？CMOS？背照式？堆栈式？图像传感器结构小科普

发布时间：2024-10-07 02:10:37

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？

如何权衡CCD与CMOS的图像质量

如今，大约95%的数码相机使用的是CMOS图像传感器，很少一部分在用CCD。从传感器输出的角度来看，CMOS和CCD传感器的主要区别在于，CMOS传感器中的每个像素在光敏区旁边都有自己的读出电路。在CCD中，在施加于栅极结构的电压影响下，以单个像素收集的电荷随后沿着传输通道移动以读出。

要理解图像传感器测量，就得了解传感器技术的基本结构。此外，值得注意的一点是，对内置在移动电话等终端设备中的图像传感器进行测量的机会非常有限。这是因为没有直接访问传感器输出。测量通常在传感器芯片上进行。

我们快速回顾一下IC的一些基础知识。

切开CCD，会发现CCD的结构就像三明治一样，第一层是微型镜头，第二层是分色滤色片，以及第三层感光汇流片。

第一层镜头。这是为了有效提升CCD的像素，又要确保单一像素持续缩小以维持CCD的标准体积。

第二层分色滤色片，目前有两种分色方式，一是RGB原色分色法，另一个则是CMYG补色分色法，这两种方法各有利弊。

第三层感光汇流片，这层主要是负责将穿透滤色层的光源转换成电子信号，并将信号传送到影像处理芯片，将影像还原。

CCD传感器基本工作原理，光照射每个像素产生电荷并累积。由于CCD只有一个读出端口，因此需要串行的将每个像素的电荷在像素之间进行转移到输出端口。最终将电荷转换为电压，进行放大和AD转换得到图像。

CCD结构reCCD芯片包含大量的二维排列的光敏(像素)元素。当偏压正确时，元件会捕获并保持光子诱导的载流子。CCD的基本光敏单元是一个金属氧化物半导体(MOS)电容器，它作为光电二极管和载流子存储设备工作。反向偏压导致带负电荷的电子迁移到带正电荷的栅电极下面的区域。被光子相互作用释放的电子被储存在耗竭区，达到所谓的全井储层容量。

在一个完整的CCD中，阵列中的单个传感元件被施加在表面电极上的电压隔离在一个维度内。它们也通过硅衬底内的绝缘屏障或通道停止，在另一个方向上与相邻的元素隔离。

CCD的高敏感光电二极管元件通过吸收大部分能量来响应入射光子，从而释放电子。这一过程会在硅晶格中形成缺电子点(空穴)，每个吸收的光子都会产生一个电子-空穴对。在每个像素中累积的电荷与入射光子的数量成线性比例。

施加在每个像素电极上的外部电压控制累积电荷的存储和移动。虽然负电荷的电子或正电荷的洞可以积累(取决于CCD设计)，由入射光产生的电荷通常被称为光电子。

CCD的成像过程通常分为四个阶段:

光电转换——电荷储存——电荷转移——电荷检测。光电转换就是将光信号转换为电信号，CCD内部是由许多的光敏像素组成的，每像素就是一个光敏二极管，检测像素上产生的电荷，产生的信号电荷的数量直接与入射光的强度及曝光时间成正比。

CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其显著特点是：

1.体积小重量轻;

2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长;

3.灵敏度高，噪声低，动态范围大;

4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像。

CCD中每个感测元件存储的电荷通过电荷转移过程转移到一个读出节点。通过控制电容器门上的电压，使电荷从一个电容器溢出到下一个电容器，或从一排电容器溢出到下一排电容器，电荷就可以在设备之间移动。因为CCD是一个串行设备，所以每次读取一个电荷包。

并行和串行传输的组合将每个传感器元件的电荷包按顺序传送到单个测量节点。CCD电极(栅)网络形成电荷转移的移位寄存器。整个并行寄存器的电荷耦合移位将最接近寄存器边缘的像素电荷行移动到沿着芯片的一个边缘的专门的单行像素，称为串行寄存器。从这一行电荷包依次移动到片上放大器进行测量。一旦清空，串行寄存器就会被另一个并行寄存器的行移位重新填充，循环重复。

所以，对近乎完美的电荷转移的需求，造成了CCD图像传感器的制造复杂化。

CMOS传感器刚好避免了这个问题。最简单的CMOS成像仪使用没有放大的像素，每个像素由一个光电二极管和一个MOSFET开关组成。CMOS传感器在每个像素处即将电荷转换为了电压，因而导致了很多独特的优缺点，如今已经在绝大多数应用中代替了CCD。第一代CMOS传感器技术为PPS（passive pixelssensor）,第二代为APS（active pixels sensor）。APS每个像素包含一个或多个MOSFET放大器，将光产生的电荷转换为电压，放大信号电压，并减少噪声。CMOS传感器还使用一种特殊的光电探测器，称为pin型光电二极管，这种光电二极管对低延迟、低噪声、高量子效率和低暗电流进行了优化。

今天的标准CMOS APS像素包括一个光电探测器(pin型光电二极管)，一个浮动扩散，以及由四个CMOS晶体管组成的所谓的4T电池，一个转移门、复位门、选择门和一个源跟随读出晶体管。固定的光电二极管允许电荷完全转移到浮动扩散(进一步连接到读出晶体管的栅极)，消除了延迟。

CMOS和CCD传感的一个很大的区别是，每个CMOS传感器像素都有自己的读出电路，它位于光敏区旁。CMOS图像传感器足够便宜，可以用于智能手机，而且比CCD传感器消耗更少的电能。它们还允许像素级的图像处理，用于感兴趣的区域、分类、过滤等。但是CMOS传感器往往表现出较低的动态范围，更多的读取噪声和更不均匀的空间响应。由于这些原因，测量传感器的特性必不可少。

这里介绍一个简单的传感器测量技术，使用一个小的积分球(基本上是一个空心球腔，内部覆盖着一层漫射的白色反射涂层)，由一个白色LED，一个标准的校准光电二极管照明，其光谱响应已知，以及一个发射窄波段可选光波长的小型单色器。

测量传感器质量的一种方法是从黑暗状态下开始。在具有可设置积分时间(即光传感器暴露于环境光的时间)的传感器中，通常的方法是将积分时间保持在约1毫秒或更短的时间内。然后测量暗输出，通常在数据表上以ADU(模拟数字单元)的形式列出，ADU也曾被称为最低有效位。这个读数可以与数据表上列出的值相比较，数据表值通常在25°C。这一差异说明了为什么在低照度环境下使用的传感器必须冷却。

为了求出探测器的光谱响应，我们使用了已知光谱响应的单分子和光二极管。简单回顾一下，单色仪传输由操作者选择的可选的窄带波长的光。通过使用校准的光电二极管可以测量传感器的辐照度，即单位面积的辐射能落在传感器上的功率。

传感器芯片制造商会公布其设备的光谱响应，通常以1 nJ/cm2输入的输出电平与波长(以纳米为单位)的图表表示。单色仪读数可以与公布的水平进行比较，以验证传感器响应。

在普通的Czerny-Turner 单色器中，一个宽带照明光源(a)指向入口狭缝(B)。可用的光能数量取决于狭缝(宽×高)定义的空间中光源的强度和光学系统的接受角度。狭缝被放置在曲面镜的有效聚焦处(准直器，C)，这样从狭缝反射的光线就是平行的(无限聚焦)，通常被称为准直光束。准直光束从光栅(D)中衍射出来，由另一个镜子(E)收集，镜子(E)将分散的光重新聚焦在出口狭缝(F)上。在棱镜单色仪中，反射棱镜代替衍射光栅，在这种情况下，光线被棱镜折射。在出口狭缝处，不同颜色的光被扩散开来。由于每种颜色都到达出口狭缝平面上的一个单独的点，所以在出射缝平面上有一系列的聚焦图像。由于入口狭缝的宽度有限，附近图像的部分重叠。离开出口狭缝(G)的光包含所选颜色的进口狭缝的整个图像加上附近颜色的进口狭缝图像的部分。由于色散元件的旋转使得色带相对于出口狭缝多少有些移动，因此所需的入口狭缝图像就集中在出口狭缝上。离开出口狭缝的颜色范围是狭缝宽度的函数。入口和出口的狭缝宽度是一起调整的。

最后总结一下CMOS vs CCD

“独具慧眼”的量子图像传感器

最后，介绍一下一种全新图像传感器，量子图像传感器(QIS)。QIS通过计算光电子在空间和时间上的数量来计算图像。QIS由映像点（jots）的特殊像素组成，而不是“像素(pixels)”，每个映像点(jots)都可以探测到单个光子。它们的全井容量(饱和前产生的载流子数量)只有几个电子，而且它们不使用雪崩倍增。

QIS可能包含数亿甚至数十亿的jots，读取速度可能达到每秒1000或更高，这意味着原始数据速率接近1 Tbit/sec。通过使用先进的降噪算法，良好的灰度图像可以在平均每像素不到一个光子的极低光线下捕获。

得益于QIS对单个光子敏感，所以它具有令人艳羡的‘视力’，可以在微弱的光线下看到物体。例如，圣诞树上的一颗装饰灯泡，每秒产生的光子数量就高达10^19个，由此可以想想一个光子有多暗淡!”

芯片测试表明，在室温和60℃下，QIS芯片的暗电流都非常低。同时，研究人员还对高速单光子成像进行了测试，并展示了一百万像素分辨率、1040 fps的读出速度。未来，他们将使QIS芯片能够以非常快的速度扫描数亿甚至数十亿个映像点(jots)。

普通的CCD和CMOS图像传感器将接收到的光电电荷集成并进行数字化。它们的全井容量定义了动态范围的上限，而读噪定义了下限。在下限处的一个问题是，这些传感器使用的光雪崩过程在微光下会引起问题，例如电荷增益的变化。此外，它们对硅缺陷也很敏感，导致高暗电荷载流子计数率，这限制了低光性能和制造良率。

另一方面，在QIS光子计数图像传感器中，图像像素由一系列随时间和在指定空间内的jots计算而成。当QIS一次拍摄一个光子时，它仍然可以通过特殊的多次高速曝光来实现高动态范围(>120 dB)。

ccd cmos图像传感器基础与应用 CCD？CMOS？背照式？堆栈式？图像传感器结构小科普

CCD？CMOS？背照式？堆栈式？图像传感器结构小科普

如何权衡CCD与CMOS的图像质量

大家都在看

相关推荐