CMOS傳感器技術的發展

傳感器制造設計與方法

Ø背光照明與前光照明

Ø增大傳感器尺寸，減小像素尺寸以提高分辨率

Ø使用微型鏡頭實現大限度的聚光

Ø采用新的相機接口類型以實現機械穩定性

在過去的幾十年中，智能手機相機技術的發展一直是互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 技術發展的前沿。這反過來也推動了傳感器及其制造方法的發展。在此期間，一般制造技術的發展也降低了 CMOS 傳感器的噪音，并提高了可靠性。

圖 1:背光照明像素與前光照明像素的配置。

CMOS 傳感器的結構改變中包含一項特定的更改，即從前光照明更改為背光照明。

圖 2：使用微型鏡頭在傳感器上從更大的角度獲取盡可能多的光。

CMOS 傳感器設計的另一項重大改進是納入微型鏡頭，以獲取盡可能多的光，從而提高傳感器的效率。

對 CMOS 的使用超越了對 CCD 的使用

經過這些年的技術發展之后，基于多項關鍵原因，對 CMOS 傳感器的使用已超越對電荷耦合設備 (CCD) 的使用。CMOS 設備能獲取圖像，消耗的功率低于 CCD，而且制造成本更低，因此購買價格更低（大約是 CCD 的 1/10）。到 2015 年 2 月 25 日，由于 CMOS 傳感器技術的普遍使用，導致 Sony 宣布終止 CCD 傳感器技術的生產。

應用需要更高的分辨率

隨著應用的需求越來越高，需要更高的圖像質量和分辨率。CMOS 制造商曾嘗試通過降低像素尺寸并提高像素數量來制造分辨率更高的傳感器。這取得了適度的成功，但是也帶來了一些問題，包括更大的傳感器噪音。為了解決該問題，制造商重新使用稍大的像素尺寸，但是使用的傳感器尺寸稍大于 1.1”。此方法提高了傳感器的分辨率，并維持了良好的信噪比 (SNR)。

圖 3：
傳感器上的像素尺寸與傳感器整體尺寸已發生變化，以適應更高的分辨率。

隨著分辨率需求不斷升高，傳感器制造商不但在使用更大的傳感器尺寸，還在尋找新的方式在不犧牲圖像質量的前提下降低像素尺寸。一項新傳感器示例是 Sony 的第 4 代 Pregius S 24.5 MP IMX530 CMOS，它是 4/3″ 傳感器（對角 19.3mm），像素大小為 2.74µm（比 3.45µm 小37%）。

但是，隨著像素尺寸的降低和傳感器尺寸的升高，必須對光學設計進行重大改變，以充分運用更高的性能。這需要成像鏡頭設計納入更多的光學組件，會導致成像鏡頭的體積和重量更大。這兩項限制使鏡頭設計者很難制造出接口較 C 接口更大、穩定性與可靠性優于消費級 F 接口的鏡頭。

諸如
TFL和TFL-II接口等鏡頭接口類型具有緊湊的法蘭距離和較大的直徑，適用于諸如 APS-C、APS-H 及其他全畫幅傳感器。這些接口也具有螺紋，具備優良的穩定性，可支撐很重的鏡頭，其對齊可靠性優于 F 接口等卡口型接口。

圖 4：
TFL 與 TFL-II 接口可容納更大的傳感器對角上限。

傳感器制造商正在發布具有*分辨率的新一代 CMOS 傳感器。Canon 120MXS CMOS 傳感器具有 120MP 的分辨率和 2.2μm 大小的像素，而 Canon 2U250MRXS CMOS 具有 250MP 的分辨率和 1.5μm 的像素。這兩款傳感器的像素尺寸遠小于行業中的典型像素尺寸。新的第 4 代 Sony Pregius 傳感器具有更小的尺寸，以及大約 1.7X 的更高成像性能。這些傳感器的像素大小已從 3.45μm 降低到 2.74μm。

圖 5：
由于應用需要更高的分辨率，因此傳感器上的像素尺寸在減小。

由于機器視覺應用需要更高的分辨率，因此 CMOS 制造商必須持續減小各像素的尺寸，并提高傳感器的整體尺寸，以改善圖像質量及有效分辨率。