CMOS傳感器技術(shù)的發(fā)展

傳感器制造設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)大限度的聚光

Ø采用新的相機(jī)接口類型以實(shí)現(xiàn)機(jī)械穩(wěn)定性

在過去的幾十年中，智能手機(jī)相機(jī)技術(shù)的發(fā)展一直是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 技術(shù)發(fā)展的前沿。這反過來也推動(dòng)了傳感器及其制造方法的發(fā)展。在此期間，一般制造技術(shù)的發(fā)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(jié)構(gòu)改變中包含一項(xiàng)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(shè)計(jì)的另一項(xiàng)重大改進(jìn)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(jīng)過這些年的技術(shù)發(fā)展之后，基于多項(xiàng)關(guān)鍵原因，對 CMOS 傳感器的使用已超越對電荷耦合設(shè)備 (CCD) 的使用。CMOS 設(shè)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(jià)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(shù)的普遍使用，導(dǎo)致 Sony 宣布終止 CCD 傳感器技術(shù)的生產(chǎn)。

應(yīng)用需要更高的分辨率

隨著應(yīng)用的需求越來越高，需要更高的圖像質(zhì)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?cái)?shù)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(fā)生變化，以適應(yīng)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(zhì)量的前提下降低像素尺寸。一項(xiàng)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(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行重大改變，以充分運(yùn)用更高的性能。這需要成像鏡頭設(shè)計(jì)納入更多的光學(xué)組件，會(huì)導(dǎo)致成像鏡頭的體積和重量更大。這兩項(xiàng)限制使鏡頭設(shè)計(jì)者很難制造出接口較 C 接口更大、穩(wěn)定性與可靠性優(yōu)于消費(fèi)級(jí) 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(yōu)良的穩(wěn)定性，可支撐很重的鏡頭，其對齊可靠性優(yōu)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(fā)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(yuǎn)小于行業(yè)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(yīng)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(jī)器視覺應(yīng)用需要更高的分辨率，因此 CMOS 制造商必須持續(xù)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(zhì)量及有效分辨率。