數字工業相機中CMOS傳感器的最新發展

雷曉峰 李燁

1.璦荔德光學儀器有限公司亞洲分公司，新加坡 368001；2.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093

一、前言

機器視覺技術，就是用機器代替人眼來做測量和判斷。在以智能制造為核心的工業4.0時代背景下，隨著中國制造2025戰略的深入，機器視覺產業正呈現出快速增長的勢頭[1-2]，已經在智能機器人、無人機、自動駕駛、智能醫生、智能安防、VR/AR等應用領域得到了廣泛應用[3]。

在機器視覺系統中，相機是其中必不可少的“眼睛”，它將光學影像轉換成電子信號，其使用的圖像傳感器早期采用模擬信號(如攝像管)，而現在，數字工業相機已經逐漸成為主流。

在可見光波段范圍，其所使用的圖像傳感器按照芯片類型主要分為感光耦合元件(Charge-Coupled Device，CCD)和互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)傳感器兩種。

二、圖像傳感器工作原理和發展階段

圖像傳感器是相機的核心，數字工業相機最終要把光信號轉換成一個數字化的灰度值信息[4]，圖像傳感器的第一步是將光子轉換為電子，具有一定入射能量的光子擊中半導體硅表面使電子脫離原子，形成游離電子，光子轉換為電子的數量取決于光的波長和強度、以及光電轉換的量子效率（Quantum Efficiency,QE）；在電子被數字化之前，它們被存儲在像素內，被稱為井(Well)；一旦像素完成光采集，就測量井中的電荷，這個測量的輸出結果稱為信號；最后，電子信號通過一個模數轉換單元（ADU）轉換為一定位數的灰度值。數字相機的一般工作原理如圖1。

可見光、近紅外(NIR)和紫外(UV)光譜范圍的數字工業相機主要使用CCD和CMOS傳感器，這兩種技術都是在20世紀60年代末、70年代初產生。CMOS應用在數字工業相機的過程，筆者認為可以分為三個主要發展階段。

第一階段從20世紀70年代到90年代初期（1970s～1990s），這個階段數字相機出現并開始應用到工業領域，但整體價格非常昂貴。由于當時制造工藝水平的限制，難以滿足CMOS圖像傳感器對硅晶片一致性和更小晶圓的要求，CCD在圖像質量上具有絕對的優勢，相機中基本使用的都是CCD傳感器；

第二階段從20世紀90年代到21世紀10年代初期（1990s～2010s），由于半導體光刻技術的發展，為CMOS的設計制造提供了新發展，對CMOS傳感器低功耗、相機的集成度以及低制造成本的內在推動，CMOS開始和CCD一樣成為圖像傳感器的主流、成熟的技術；

第三階段從21世紀10年代初期到現在（2010s-present），由于CMOS傳感器在智能手持電子設備上的大量應用，推動了CMOS技術的新發展以及制造成本的大幅下降。同時數字工業相機新的更高帶寬接口的應用，嵌入式設備對高性能、低功耗、低成本相機的新需求，CMOS傳感器迎合了其速度和功耗的需求，這些都使得CMOS相對于CCD傳感器取得了優勢地位。

三、傳統CCD和CMOS技術比較分析

CCD和CMOS圖像傳感器是用于數字捕獲圖像的兩種不同技術。這兩種技術都有其獨特的優點和缺點，在不同的應用中各有優勢。這兩種傳感器內部基本框架結構如圖2所示，其對應的數字相機的典型功能設計如圖3所示。

從兩種傳感器的典型結構以及工作原理，可以歸納出傳統CCD和CMOS性能上的一些主要差異[5]。

1、噪聲上的差異

如圖2所示，CMOS的感光二極管上都是需要搭配放大器的，每個像素點都需要這樣的放大器，放大器是模擬電路，很難讓結果保持一致。而CCD只需要在芯片邊緣放置一個放大器，所產生的噪聲要小很多，CCD圖像的品質會更好一些。

2、速度的差異

CMOS和CCD傳感器在信號從電荷轉換為模擬信號，最終轉換為數字信號的方式不同。 在CMOS中，數據路徑的前端是大量平行工作的，CMOS傳感器只需要移動列電路的信號，這使得信號讀取時間比CCD大大縮短了，CMOS的速度明顯會更快。

3、靈敏度上的差異

如圖3所示，相比于CCD，CMOS的內部結構更加復雜，同樣的像素面積上，在感光面積外要需要保留更多空間給外圍相關的電路，其填充系數(Fill Factor)會較低，使得其QE值相對較小；另外CMOS圖像傳感器在噪聲性能和圖像均勻性上（特別是工作溫度較高的環境下）也比CCD差，使得CMOS的靈敏度要差一些。

4、耗電量上的差異

CMOS所采用的是主動式的圖像采集方式，CCD采用的是被動式的采集方式。主動式的方式的感光二極管的電荷會直接由電晶體放大并輸出。被動式的采集方式需要外加電壓，這樣電荷才可以移送到傳輸通道中，CCD在電荷轉移過程中具有更大的電流，電源線路耐壓強度也更高，CCD的耗電量就要高于CMOS。

5、分辨率上的差異

CMOS上的像素內部更為復雜，要設計出高性能、大分辨率的傳感器，對設計水平和工藝的要求很高，其成本要遠高于CCD，在現階段高分辨率傳感器上，CCD會更為常見。

6、制造工藝和成本上的差異

由于大量低成本CMOS在消費類電子產品上的使用，CMOS給人的感覺是更加便宜。其實當前在元件級別，具有相當圖像質量的CCD和CMOS芯片的成本相差并不大，區別可能在具有CMOS的相機外圍的電路更為簡單，在系統級別整體成本會更低一點。但是隨著CMOS傳感器在普通電子產品上的廣泛應用，CMOS會吸引更多的人才和資金的投入，其整體技術、工藝會進一步提高，芯片單位成本會隨著時間而降低。總體上，CMOS在制造工藝和成本上更有優勢。

7、傳感器固有缺陷的差異

CCD會有高光溢出(Blooming)和拖尾效應(smearing)。CMOS會有黑太陽(Black Sun)效應，不能實現像素組合(Binning)功能，CMOS如果采用滾動式快門(Rolling Shutter)拍攝移動物體時，由于逐行像素曝光的時序不同，會得到扭曲的像圖。

四、CMOS傳感器最新技術發展

在過去，CCD通常被認為優于CMOS，CCD傳統上具有更低的圖像噪聲，提供更高的動態范圍和更高的分辨率。21世紀10年代以后，CMOS傳感器性能已經顯現出顯著的提高。現在，除了更高的速度性能，更低的功耗要求和更高的CMOS集成潛力之外，CMOS傳感器的分辨率和圖像質量正在逼近CCD傳感器。現在具有全局快門(Global Shutter)的CMOS可用于捕獲移動物體的圖像而不會失真。CMOS傳感器正在縮小與CCD傳感器的噪聲水平差距，使得以往通常必須使用CCD的應用領域可以用CMOS替代。此外，由于市場的需求，CMOS的產量和制造技術比CCD發展更快，擁有比CCD傳感器更快創新周期。CMOS未來不需要在專用的芯片晶圓廠生產，可以使用像普通微處理器和存儲器芯片相同的流程來進行生產。而且這個過程還在不斷改進，以便制造更快和更低功率的芯片。

新的CMOS傳感器在關鍵的噪聲和靈敏度性能方面，有如下的改進：

首先在降低圖像噪音方面中，新的CMOS傳感器使用了如圖4所示新的相關雙采樣(correlated double sampling, CDS)電路設計。一方面，新的設計改變了傳統A/D轉換在信號讀取前進行的做法，而是在光電轉換后逐列進行A/D轉換，這使得模擬電路的距離變短、頻率更低，可以降低噪聲；另一方面，在數字信號處理上也增加了去噪電路(CDS)來抑制噪聲。

在提高圖像靈敏度上，一方面，新的CMOS設計采用了高靈敏度像素設計技術，并在小的像素尺寸傳感器上使用更小的可以高分辨率成像的鏡頭來提高靈敏度；另一方面，采用背照式（backside illumination,BSI）布局的成像方式，允許在像素級別收集更多的光[6-8]。如圖5所示，CMOS傳感器內部的不同功能模塊部分以矩陣式設計的形式分布，在傳統的前射式（front illumination）設計中，不同模塊放置在感光層的前面，矩陣式模塊及其布線對入射光有反射和遮擋，因此感光層接收到的入射光變少了。在背照式傳感器中，將矩陣式的功能模塊移到了感光面的后面，這允許更多每個像素接受到更多的光線，同時在信噪比方面，也得到了極大的提高。

此外，新的CMOS技術提高了近紅外（NIR）范圍的靈敏度，使傳感器在700～1000nm光波范圍內的QE得到提升，而且CMOS傳感器內部集成了高動態范圍（High Dynamic Mode，HDR）工作模式，通過在內部多次曝光合成HDR的圖像，這個功能往往在智能交通（Intelligence Transport System，ITS）項目上特別有用[6-7]。

五、結語

隨著機器視覺軟硬件技術將不斷發展，數字工業相機CMOS傳感器經歷了重大升級，在許多性能指標上超過了CCD傳感器。 CMOS傳感器技術的改進，以及強大的性價比，使其對于工業機器視覺越來越具有吸引力。CMOS可以實現的非常高的幀速率，優秀的圖像質量，CMOS的低功耗以及其改進的噪聲特性，量子效率，必將越來越多地替代CCD傳感器，成為數字工業相機的主流，進而會進一步推動未來機器視覺系統的新發展。