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1873年，科學(xué)家約瑟·美(Joseph May)及偉洛比·史密夫(WilloughbySmith)就發(fā)現(xiàn)了硒元素結(jié)晶體感光后能產(chǎn)生電流，由此，電子影像發(fā)展開(kāi)始，隨著技術(shù)演進(jìn)，圖像傳感器性能逐步提升。

1.20世紀(jì)50年代——光學(xué)倍增管(Photo Multiplier Tube，簡(jiǎn)稱(chēng)PMT)出現(xiàn)。

2.1965年-1970年，IBM、Fairchild等企業(yè)開(kāi)發(fā)光電以及雙極二極管陣列。

3.1970年，CCD圖像傳感器在Bell實(shí)驗(yàn)室發(fā)明，依靠其高量子效率、高靈敏度、低暗電流、高一致性、低噪音等性能，成為圖像傳感器市場(chǎng)的主導(dǎo)。

4.90年代末，步入CMOS時(shí)代。

圖像傳感器的歷史沿革——PMT

1.光電倍增管（簡(jiǎn)稱(chēng)光電倍增管或PMT），真空光電管的一種。工作原理是：由光電效應(yīng)引起，在PMT入射窗處撞擊光電陰極的光子產(chǎn)生電子，然后由高壓場(chǎng)加速，并在二次加工過(guò)程中在倍增電極鏈中倍增發(fā)射。

2.光電倍增管是一種極其靈敏的光檢測(cè)器，可探測(cè)電磁波譜紫外，可見(jiàn)和近紅外范圍內(nèi)光源，提供與光強(qiáng)度成比例的電流輸出，廣泛應(yīng)用于驗(yàn)血，醫(yī)學(xué)成像，電影膠片掃描（電視電影），雷達(dá)干擾和高端圖像掃描儀鼓掃描儀中。

圖像傳感器的歷史沿革——CCD

1.數(shù)字成像始于1969年，由Willard Boyle和George E. Smith于AT＆T貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明。

2.最初致力于內(nèi)存→“充電'氣泡'設(shè)備”，可以被用作移位寄存器和區(qū)域成像設(shè)備。

3.CCD是電子設(shè)備，CCD在硅芯片（IC）中進(jìn)行光信號(hào)與電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，并存儲(chǔ) 為計(jì)算機(jī)上的圖像文件。

4.2009年， Willard Boyle和George E. Smith獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

國(guó)際空間站使用CCD相機(jī)

1.1997年，卡西尼國(guó)際空間站使用CCD相機(jī)（廣角和窄角）

2.美國(guó)宇航局局長(zhǎng)丹尼爾戈?duì)柖》Q(chēng)贊CCD相機(jī)“更快，更好，更便宜”；聲稱(chēng)在未來(lái)的航天器上減少質(zhì)量，功率，成本，都需要小型化相機(jī)。而電子集成便是小型化的良好途徑，而基于MOS的圖像傳感器便擁有無(wú)源像素和有源像素（3T）的配置。

圖像傳感器的歷史沿革——CMOS圖像傳感器

1.CMOS圖像傳感器使得“芯片相機(jī)”成為可能，相機(jī)小型化趨勢(shì)明顯。

2.2007年，Siimpel AF相機(jī)模型的出現(xiàn)標(biāo)志著相機(jī)小型化重大突破。

3.芯片相機(jī)的崛起為多個(gè)領(lǐng)域（車(chē)載，軍工航天、醫(yī)療、工業(yè)制造、移動(dòng)攝影、安防）等領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新提供了新機(jī)遇。

CMOS圖像傳感器走向商業(yè)化

1.1995年2月，Photobit公司成立，將CMOS圖像傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

2.1995-2001年間，Photobit增長(zhǎng)到約135人，主要包括：私營(yíng)企業(yè)自籌資金的定制設(shè)計(jì)合同、SBIR計(jì)劃的重要支持（NASA/DoD）、戰(zhàn)略業(yè)務(wù)合作伙伴的投資，這期間共提交了100多項(xiàng)新專(zhuān)利申請(qǐng)。

3.CMOS圖像傳感器經(jīng)商業(yè)化后，發(fā)展迅猛，應(yīng)用前景廣闊，逐步取代CCD成為新潮流。

CMOS圖像傳感器的廣泛應(yīng)用

2001年11月，Photobit被美光科技公司收購(gòu)并獲得許可回歸加州理工學(xué)院。與此同時(shí)，到2001年，已有數(shù)十家競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手嶄露頭角，例如Toshiba，STMicro，Omnivision，CMOS圖像傳感器業(yè)務(wù)部分歸功于早期的努力促進(jìn)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化。后來(lái)，索尼和三星分別成為了現(xiàn)在全球市場(chǎng)排名第一，第二。后來(lái)，Micron剝離了Aptina，Aptina被ON Semi收購(gòu)，目前排名第4。CMOS傳感器逐漸成為攝影領(lǐng)域主流，并廣泛應(yīng)用于多種場(chǎng)合。

CMOS圖像傳感器發(fā)展歷程

70年代：Fairchild

80年代：Hitachi

80年代初期：Sony

1971年：發(fā)明FDA&CDS技術(shù)

80年中葉：在消費(fèi)市場(chǎng)上實(shí)現(xiàn)重大突破；

1990年：NHK/Olympus,放大MOS成像儀(AMI)，即CIS

1993年：JPL,CMOS有源像素傳感器，

1998年：?jiǎn)涡酒鄼C(jī)，2005年后：CMOS圖像傳感器成為主流。

CMOS圖像傳感器技術(shù)簡(jiǎn)介

CMOS圖像傳感器

CMOS圖像傳感器（CIS）是模擬電路和數(shù)字電路的集成。主要由四個(gè)組件構(gòu)成：微透鏡、彩色濾光片（CF）、光電二極管（PD）、像素設(shè)計(jì)。

1.微透鏡：具有球形表面和網(wǎng)狀透鏡；光通過(guò)微透鏡時(shí)，CIS的非活性部分負(fù)責(zé)將光收集起來(lái)并將其聚焦到彩色濾光片。

2.彩色濾光片（CF）：拆分反射光中的紅、綠、藍(lán) （RGB）成分，并通過(guò)感光元件形成拜爾陣列濾鏡。

3.光電二極管（PD）：作為光電轉(zhuǎn)換器件，捕捉光并轉(zhuǎn)換成電流；一般采用PIN二極管或PN結(jié)器件制成。

4.像素設(shè)計(jì)：通過(guò)CIS上裝配的有源像素傳感器(APS)實(shí)現(xiàn)。APS常由3至6個(gè)晶體管構(gòu)成，可從大型電容陣列中獲得或緩沖像素，并在像素內(nèi)部將光電流轉(zhuǎn)換成電壓，具有較完美的靈敏度水平和的噪聲指標(biāo)。

Bayer陣列濾鏡與像素

1.感光元件上的每個(gè)方塊代表一個(gè)像素塊，上方附著著一層彩色濾光片（CF），CF拆分完反射光中的RGB成分后，通過(guò)感光元件形成拜爾陣列濾鏡。經(jīng)典的Bayer陣列是以2x2共四格分散RGB的方式成像，Quad Bayer陣列擴(kuò)大到了4x4，并且以2x2的方式將RGB相鄰排列。

2.像素，即亮光或暗光條件下的像素點(diǎn)數(shù)量，是數(shù)碼顯示的基本單位，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)抽象的取樣，我們用彩色方塊來(lái)表示。

3.圖示像素用R（紅）G（綠）B（藍(lán)）三原色填充，每個(gè)小像素塊的長(zhǎng)度指的是像素尺寸，圖示尺寸為0.8μm。

Bayer陣列濾鏡與像素

濾鏡上每個(gè)小方塊與感光元件的像素塊對(duì)應(yīng)，也就是在每個(gè)像素前覆蓋了一個(gè)特定的顏色濾鏡。比如紅色濾鏡塊，只允許紅色光線投到感光元件上，那么對(duì)應(yīng)的這個(gè)像素塊就只反映紅色光線的信息。隨后還需要后期色彩還原去猜色，最后形成一張完整的彩色照片。感光元件→Bayer濾鏡→色彩還原，這一整套流程，就叫做Bayer陣列。

前照式（FSI）與背照式（BSI）

早期的CIS采用的是前面照度技術(shù)FSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED），拜爾陣列濾鏡與光電二極管（PD）間夾雜著金屬（鋁，銅）區(qū)，大量金屬連線的存在對(duì)進(jìn)入傳感器表面的光線存在較大的干擾，阻礙了相當(dāng)一部分光線進(jìn)入到下一層的光電二極管（PD），信噪比較低。技術(shù)改進(jìn)后，在背面照度技術(shù)BSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED）的結(jié)構(gòu)下，金屬（鋁，銅）區(qū)轉(zhuǎn)移到光電二極管（PD）的背面，意味著經(jīng)拜爾陣列濾鏡收集的光線不再眾多金屬連線阻擋，光線得以直接進(jìn)入光電二極管；BSI不僅可大幅度提高信噪比，且可配合更復(fù)雜、更大規(guī)模電路來(lái)提升傳感器讀取速度。

CIS參數(shù)——幀率

幀率（Frame rate）：以幀為單位的位圖圖像連續(xù)出現(xiàn)在顯示器上的頻率，即每秒能顯示多少?gòu)垐D片。而想要實(shí)現(xiàn)高像素CIS的設(shè)計(jì)，很重要的一點(diǎn)就是Analog電路設(shè)計(jì)，像素上去了，沒(méi)有匹配的高速讀出和處理電路，便無(wú)辦法以高幀率輸出出來(lái)。

索尼早于2007年chuan'gan發(fā)布了首款Exmor傳感器。Exmor傳感器在每列像素下方布有獨(dú)立的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，這意味著在CIS芯片上即可完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，有效減少了噪聲，大大提高了讀取速度，也簡(jiǎn)化了PCB設(shè)計(jì)。

CMOS圖像傳感器的應(yīng)用

CMOS圖像傳感器全球市場(chǎng)規(guī)模

2017年為CMOS圖像傳感器高增長(zhǎng)點(diǎn)，同比增長(zhǎng)達(dá)到20%。2018年，全球CIS市場(chǎng)規(guī)模155億美元，預(yù)計(jì)2019年同比增長(zhǎng)10%，達(dá)到170億美元。

目前，CIS市場(chǎng)正處于穩(wěn)定增長(zhǎng)期，預(yù)計(jì)2024年市場(chǎng)逐漸飽和，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到240億美元。

CIS應(yīng)用——車(chē)載領(lǐng)域

1.車(chē)載領(lǐng)域的CIS應(yīng)用包括：后視攝像(RVC)，全方位視圖系統(tǒng)(SVS)，攝像機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（CMS），F(xiàn)V/MV，DMS/IMS系統(tǒng)。

2.汽車(chē)圖像傳感器全球銷(xiāo)量呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)。

3.后視攝像(RVC)是銷(xiāo)量主力軍，呈穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)，2016年全球銷(xiāo)量為5100萬(wàn)臺(tái)，2018年為6000萬(wàn)臺(tái)，2019年達(dá)到6500萬(wàn)臺(tái)，2020年超過(guò)7000萬(wàn)臺(tái)。

4.FV/MV全球銷(xiāo)量增長(zhǎng)迅速，2016年為1000萬(wàn)臺(tái)，2018年為3000萬(wàn)臺(tái)，此后，預(yù)計(jì)FV/MV將依舊保持迅速增長(zhǎng)趨勢(shì)，019年銷(xiāo)量4000萬(wàn)臺(tái)，2021達(dá)7500萬(wàn)臺(tái)，直逼RVC全球銷(xiāo)量。

車(chē)載領(lǐng)域——HDR技術(shù)方法

1.HDR解決方案，即高動(dòng)態(tài)范圍成像，是用來(lái)實(shí)現(xiàn)比普通數(shù)位圖像技術(shù)更大曝光動(dòng)態(tài)范圍。

2.時(shí)間復(fù)用。相同的像素陣列通過(guò)使用多個(gè)卷簾（交錯(cuò)HDR）來(lái)描繪多個(gè)邊框。好處：HDR方案是與傳統(tǒng)傳感器兼容的最簡(jiǎn)單的像素技術(shù)。缺點(diǎn)：不同時(shí)間發(fā)生的捕獲導(dǎo)致產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽影。

3.空間復(fù)用。單個(gè)像素陣列幀被分解為多個(gè)，通過(guò)不同的方法捕獲：1.像素或行級(jí)別的獨(dú)立曝光控制。優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)螏械倪\(yùn)動(dòng)偽影比交錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)偽影少。缺點(diǎn)：分辨率損失，且運(yùn)動(dòng)偽影仍然存在邊緣。2.每個(gè)像素共用同一微透鏡的多個(gè)光電二極管。優(yōu)點(diǎn)：在單個(gè)多捕獲幀中沒(méi)有運(yùn)動(dòng)偽影；缺點(diǎn)：從等效像素區(qū)域降低靈敏度。

4.非常大的全井產(chǎn)能。

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—THE END—

【科普】一文讀懂CMOS圖像傳感器