全面详细地分析CMOS和CCD图像传感器
CCD与CMOS
首先我们要知道CMOS和CCD分别代表什么。
CMOS其实是互补金属氧化物半导体的缩写，中文叫互补金属氧化物半导体。CCD是电荷耦合器件的缩写，意思是电荷耦合器件。你觉得尴尬吗？CMOS和CCD比较悦耳。
CCD传感器的名字来源于捕捉图像后如何读取电荷。通过使用特殊的制造技术，传感器可以在不影响图像质量的情况下传输累积的电荷。整个像素区域可以看作一个矩阵，每个矩阵单元就是一个像素。
01、CMOS和CCD的微结构
CCD的基本感光单元是MOS(金属氧化物半导体电容)，用作光电二极管和存储器件。
典型的CCD器件有四层:(a)掺硼硅衬底，(b)沟道停止层，(c)二氧化硅层，和(d)用于控制的多晶硅栅电极。当栅电压较高时，氧化层下会产生势阱。入射的光子可以激发势阱中的电子，这些电子可以被收集和引导，周围的掺杂区可以防止被激发的电子泄漏。
利用CCD相机产生图像可分为四个主要阶段或功能:通过光子与器件光敏区的相互作用产生电荷、收集和存储释放的电荷、电荷转移和电荷测量。
①信号电荷的产生:CCD工作过程的第一步是电荷的产生。CCD可以将入射光信号转换成电荷输出，这是基于半导体内部的光电效应(光伏效应)。
②信号电荷的存储:CCD工作过程的第二步是信号电荷的收集，即将入射光子激发的电荷收集成信号电荷包的过程。
③信号电荷的传输(耦合):CCD工作过程的第三步是信号电荷包的传输，即将收集到的电荷包从一个像素传输到下一个像素，直至所有电荷包输出的过程。
④信号电荷的检测:CCD工作过程的第四步是电荷检测，即将转移到输出级的电荷转化为电流或电压的过程。
CMOS的微观结构:和CCD最大的区别是电荷的传输方式不同。CMOS使用金属线传输。CMOS像素操作示意图。传感器像素(反向偏置二极管)连接到读出芯片中的像素电子器件。
02、CMOS和CCD传感器工作原理
CMOS外观:包括像素、数字逻辑电路、信号处理器、时钟控制器等。
CCD外观:它包括水平和垂直移位寄存器、水平和垂直移位寄存器的时钟控制器以及输出放大器。把这两种传感器抽象一下，有以下两个电路图。
CCD传感器原理图。CCD本质上是一个半导体“桶”的大阵列，可以将入射的光子转化为电子，并保持积累的电荷。这些电荷可以通过垂直移位寄存器向下转移到水平移位寄存器，水平移位寄存器可以将电荷转换成电压输出。
CMOS传感器原理图。互补金属氧化物半导体的设计不是转移电荷桶，而是将电荷立即转换成电压，在微线上输出电压。
CMOS图像传感器原理图。CCD在过程结束时将电荷转换为电压，而CMOS传感器在开始时执行这种转换(因为每个像素都包含一个电压转换器)。然后通过小巧节能的微丝输出电压。
全幅CCD是最简单的传感器，可以以非常高的分辨率生产。它们只有单线传输寄存器作为缓冲，快门速度无法通过传感器控制设置。因此，传感器必须位于机械快门之后，因为光敏传感器的表面只能在曝光时间内曝光。全帧CCD主要用于科学和天文学中的摄影目的。
在曝光时间结束时，来自传感器单元的电荷被同时转移到所有像素的中间存储器，并通过垂直和水平位移从其中读出。线间传输CCD的优点是可以快速完整地接收来自传感器单元的图像信息，不需要机械锁进行中间存储。这种设计的缺点是传感器的填充系数较低，会导致对光的敏感度下降，或者在弱光下更容易产生噪点。
曝光后，存储的图像或单元中的电荷将非常快速地转移到转移寄存器。然后，以与全帧CCD相同的方式从传输寄存器中读取电荷。
结合线对线和全幅CCD的原理。利用这种结构，有源传感器单元的电荷可以非常快速地转移到中间存储单元，并且从那里，它可以同样快速地转移到完全不透明的转移寄存器。关于CCD的工作原理，有一个区域测雨的经典比喻。
CCD的串行读出方式可以通过斗旅测量区域雨量来指示。落在桶阵列上的降雨强度可能因地而异。类似于成像传感器上的入射光子，这些桶在集成期间收集不同量的信号(水)，并且桶被传输到传送带上的代表串行桶阵列的清空桶。一整行桶被并行移动到串行寄存器组。
串行移位和读出操作，其中每个桶中累积的雨水被描绘成顺序地转移到校准的测量容器，该测量容器类似于CCD输出放大器。当串行传送带上的所有容器的内容物被顺序测量时，另一个并行寄存器移位将下一个收集桶的内容物转移到串行记录容器，并且重复该过程，直到每个桶(像素)的内容物被测量。
03.结论
有了前面的了解，我们就可以直接得出结论了。CCD和CMOS传感器的主要区别在于处理每个像素的方式:CCD将光生电荷从一个像素移动到另一个像素，并在输出节点转换为电压。CMOS成像器在每个像素上使用多个晶体管，将每个像素中的电荷转换为电压，以使用更传统的导线放大和移动电荷。
CCD和CMOS传感器的区别:CCD像素产生的电荷需要先寄存在垂直寄存器中，然后再分支一分支地转移到水平寄存器中，最后分别测量每个像素的电荷并放大输出信号。而CMOS传感器可以在每个像素产生电压，然后通过金属线传输到放大器输出，速度更快。
CCD将光生电荷从一个像素移动到另一个像素，并在输出节点将其转换为电压。CMOS成像器在每个像素上使用多个晶体管，将每个像素中的电荷转换为电压，以使用更传统的导线放大和移动电荷。
CCDVSCMOS .
与CCD相比，CMOS有一些明显的优势:
CMOS传感器比CCD具有更快的数据检索速度。在CMOS中，每个像素单独放大，而不是在CCD的公共节点处理数据。这意味着每个像素都有自己的放大器，处理器消耗的噪声可以在像素级调低，然后放大以获得更高的清晰度，而不是在末端节点一次性放大每个像素的原始数据。
CMOS传感器更节能，生产成本更低。它们可以通过重复使用现有的半导体来制造。这些电路的功耗也比CCD中的高压模拟电路低。CCD传感器的图像质量优于CMOS传感器。但CMOS传感器在功耗和价格上优于CCD传感器。
读取CMOS图像传感器
1873年，科学家约瑟·梅和威洛比史密斯·米夫发现硒晶体暴露在光线下后可以产生电流。于是，开始了电子图像的发展，随着技术的演进，图像传感器的性能逐渐提高。20世纪1.50s——光电倍增管(PMT)出现。2.1965 —1970，IBM和飞兆等公司开发了光电和双极二极管阵列。3.1970，CCD图像传感器发明于贝尔实验室，以其高量子效率、高灵敏度、低暗电流、高一致性、低噪声成为图像传感器市场的主导。90年代末，我们进入了CMOS时代。
用于国际空间站的CCD相机
1.1997年，卡西尼国际空间站使用CCD相机(广角和窄角)。
2.美国国家航空航天局导演丹尼尔·戈尔丁称赞CCD相机“更快、更好、更便宜”；据称，减少未来航天器的质量、功率和成本将需要小型化的相机。电子集成是小型化的好方法，基于MOS的图像传感器有无源像素和有源像素(3T)配置。
图像传感器的历史演变——CMOS图像传感器
1.CMOS图像传感器使“芯片相机”成为可能，相机小型化趋势明显。
2.2007年，Siimpel AF相机模型的出现标志着相机小型化的重大突破。
3.芯片相机的兴起为许多领域(汽车、军事和航天、医疗、工业制造、手机摄影、安防)的技术创新提供了新的机遇。
CMOS图像传感器即将商业化。
1.1.995 2月成立Photobit公司，将CMOS图像传感器技术商业化。
2.1995-2001年，Photobit的数量增加到约135，主要包括:私人企业筹集的定制设计合同、SBIR计划(美国国家航空航天局/国防部)的重要支持以及战略业务伙伴的投资。在此期间，* * *提交了超过100份新专利申请。
3.商业化后，CMOS图像传感器发展迅速，应用前景广阔，逐步取代CCD成为新趋势。
CMOS图像传感器的广泛应用
2001，11，Photobit被美光科技公司收购，并获得许可回到加州理工学院。同时，到2001，出现了几十个竞争对手，如东芝、意法半导体、Omnivision、CMOS图像传感器业务，部分原因是早期努力推动技术成果转化。后来索尼和三星分别成为全球市场第一和第二。后来美光分拆Aptina，Aptina被ON Semi收购，目前排名第四。CMOS传感器逐渐成为摄影领域的主流，在很多场合得到广泛应用。
CMOS图像传感器的发展历程
70年代:飞兆，80年代:日立，80年代初:索尼，1971:FDA &的发明；CDS技术。80年代中期:在消费市场实现重大突破；1990: NHK/Olympus，放大MOS成像仪(AMI)，即CIS，1993: JPL，CMOS有源像素传感器，1998:单片相机，2005年后:CMOS图像传感器成为主流。
CMOS图像传感器技术简介
cmos图像传感器
CMOS图像传感器是模拟电路和数字电路的集成。主要由微透镜、滤色器(CF)、光电二极管(PD)和像素设计四部分组成。
1.微透镜:具有球面和网状透镜；当光线穿过微透镜时，CIS的非活动部分负责收集光线并将其聚焦在彩色滤光片上。
2.滤色器(CF):反射光中的红、绿、蓝(RGB)分量被分离，由光敏元件组成拜耳阵列滤光片。
3.光电二极管(PD):作为光电转换器件，它捕捉光线并将其转换为电流；一般由PIN二极管或PN结器件制成。
4.像素设计:通过组装在CIS上的有源像素传感器(APS)实现。APS通常由3到6个晶体管组成。它可以从大型电容器阵列中获取或缓冲像素，并将光电流转换为像素内部的电压，具有完美的灵敏度水平和良好的噪声指数。
拜耳阵列过滤器和像素
1.光敏元件上的每个方块代表一个像素块，其上附着一层滤色器(CF)。在CF分离反射光中的RGB分量之后，由光敏元件形成拜耳阵列滤光器。经典的Bayer阵列是以2x2 * * * RGB四格的方式成像，而Quad Bayer阵列扩展为4x4，RGB以2 x2的方式相邻排列。微信官方账号的机械工程文学作品，工程师的加油站！
2.像素，即亮或暗光条件下的像素数，是数字显示的基本单位，其本质是一种抽象的采样，我们用彩色方块来表示。
3.所示的像素填充有R(红)、G(绿)和B(蓝)三原色。每个小像素块的长度指的是像素尺寸，图示的尺寸是0.8微米..
拜耳阵列过滤器和像素
滤光片上的每个小方块对应感光元件的像素块，也就是在每个像素前面覆盖一个特定的彩色滤光片。比如红色滤光片块只允许红光投射在感光元件上，所以对应的像素块只反射红光的信息。后面还需要还原颜色来猜颜色，最后形成一张完整的彩色照片。感光元件→拜尔滤镜→色彩还原的全过程称为拜尔阵列。
前照式(FSI)和后照式(BSI)
在早期的CIS中，采用了FSI(FRONT-SIDE ILLUMINATED，前照式)技术，并且在拜耳阵列滤波器和光电二极管(PD)之间混合了金属(铝、铜)区域。大量金属线的存在极大地干扰了进入传感器表面的光线，使得相当一部分光线无法进入下一层光电二极管(PD)，信噪比较低。经过技术改进，在BSI(正面发光)的结构下，金属(铝、铜)区域转移到了光电二极管(PD)的背面，这意味着拜耳阵列滤光片收集的光线不再被许多金属线阻挡，光线可以直接进入光电二极管；BSI不仅可以大大提高信噪比，还可以提高电路更复杂、规模更大的传感器的读取速度。
CIS参数-帧速率
帧率:以帧为单位的位图图像在显示器上连续出现的频率，即每秒可以显示多少张图片。为了实现高像素CIS的设计，模拟电路的设计非常重要。没有匹配的高速读出和处理电路，就没有办法以高帧率输出。
索尼早在2007年就在川赣发布了第一款Exmor传感器。Exmor传感器在每列像素下配备了独立的ADC模数转换器，这意味着模数转换可以在CIS芯片上完成，有效降低了噪声，大大提高了读取速度，简化了PCB设计。
CMOS图像传感器的应用
CMOS图像传感器的全球市场规模
2017是CMOS图像传感器的高增长点，同比增长20%。2018年全球CIS市场规模为155亿美元，预计2019年将增长10%，达到17亿美元。目前，独联体市场正处于稳定增长期。预计2024年市场将逐渐饱和，市场规模将达到240亿美元。
CIS应用-车辆领域
1.CIS在车辆领域的应用包括:后视摄像头(RVC)、全景系统(SVS)、摄像头监控系统(CMS)、FV/MV、DMS/IMS系统。
2.汽车图像传感器的全球销量在逐年增长。
3.后视摄像头(RVC)是销售主力，呈现稳定增长趋势。2016年全球销量51万，2018年6000万，2019年6500万，2020年突破7000万。
4.FV/MV's全球销量增长迅速，2016年10万辆，2018年3000万辆。之后预计FV/MV仍将保持高速增长态势，019年销量4000万辆，2021年销量7500万辆。
车内现场-HDR技术方法
1.HDR解决方案，即高动态范围成像，用于实现比普通数字成像技术更大的曝光动态范围。
2.时间复用。相同的像素阵列通过使用多个滚动屏幕(交错HDR)来描绘多个边界。优点:HDR方案是与传统传感器兼容的最简单的像素技术。缺点:在不同时间发生的捕捉会导致运动伪影。
3.空间复用。将单个像素阵列帧分解成多个帧，用不同的方法捕捉:1。像素或行级别的独立曝光控制。优点:单帧运动伪影比交错运动伪影少。缺点:分辨率损失，运动伪影还有边缘。2.每个像素使用相同微透镜的多个光电二极管。优点:单个多捕捉帧没有运动伪影；缺点:从等效像素面积来看，灵敏度降低。
4.非常大的油井产能。