技术前沿：CCD、COMS图像传感器——机器视觉之眼 / 四六文摘

图像传感器的定义及分类

图像传感器是一种将光学图像转换成电子信号的设备，它被广泛地应用于数码相机和其他电子光学设备中。早期的图像传感器采用模拟信号，如摄像管，随着数码技术、半导体制造技术以及网络的迅速发展，市场和业界都面临着跨越各平台的视讯、影音、通讯大整合时代的到来，勾划着未来人类的日常生活的美景。

图像传感器上有许多感光单元，它们可以将光线转换成电荷，从而形成对应于景物的电子图像。而在传感器中，每一个感光单元对应一个像素(Pixels)，像素越多，代表着它能够感测到更多的物体细节，从而图像就越清晰，像素越高，意味着成像效果越清晰。图像传感器是利用光电器件的光电转换功能将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号。与光敏二极管，光敏三极管等“点”光源的光敏元件相比，图像传感器是将其受光面上的光像，分成许多小单元，将其转换成可用的电信号的一种功能器件。

图像传感器产品主要分为CCD、CMOS传感器两种。

高性能CCD图像传感器

CCD（ChargedCoupled Device）是指电荷耦合器件，是一种用电荷量表示信号大小，用耦合方式传输信号的探测元件，具有自扫描、感受波谱范围宽、畸变小、体积小、重量轻、系统噪声低、功耗小、寿命长、可靠性高等一系列优点，并可做成集成度非常高的组合件。

CCD是使用一种高感光度的半导体材料集成，它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号，在通过模数转换器芯片转换成“0”或“1”的数字信号，这种数字信号经过压缩和程序排列后，可由闪速存储器或硬盘卡保存即收光信号转换成计算机能识别的电子图像信号，可对被测物体进行准确的测量、分析。

1969年，沃勒德‧保尔(Willard Boyle)与乔治‧艾沃德‧史密斯(George E. Smith)于美国电报电话公司的贝尔实验室(AT&T Bell Labs)发明了电荷耦合组件(Charge Coupled Device，CCD)。1970年，二人把记述CCD发明的技术文章提交到《贝尔系统技术期刊》(Bell System Technical Journal)。他们开发CCD的原意是把它用于建构内存装置。不过，保尔和史密斯1970年的研究出版后，其它科研人员开始把有关技术试作于其它方面的应用。天文学家发现CCD具有相较摄影胶片高100倍的感光能力，因而可以用于拍摄高分辨率的遥距图像。

CCD图像传感器是按一定规律排列的MOS（金属—氧化物—半导体）电容器组成的阵列。在P型或N型硅衬底生长一层很薄（约120NM）的二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶硅电极（栅极），形成规则的MOS电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。

【基本结构】

CCD基本结构分为两部分：

1.MOS（金属—氧化物—半导体）光敏元阵列

电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千（万）个光敏元，一个光敏元又称一个像素，在半导体硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。MOS电容器是构成CCD的最基本单元。

2.读出移位寄存器

【电荷耦合器件的工作原理】

【分辨率】

分辨率是指CCD有多少像素，也就是CCD上有多少感光组件，分辨率是图像传感器的重要特征。（像素分辨率长宽数值相乘，如：640X480=307200，就是30W像素）

CCD分辨率主要取决于CCD芯片的像素数。

其次，还受到传输效率的影响。高度集成的光敏单元可以获得高分辨率。但光敏单元的尺寸的减少将导致灵敏度的降低。

【CCD图像器件结构】

CCD作为图像敏感器使用时，其基本结构及工作方式有以下三种：

1.线阵CCD

图像从垂直于器件像元排列的方向扫描以记录在线阵的CCD上，读出时，每个成像的CCD像元，将电荷包转移到移位寄存器的一个单元（一个字，而不是一位），沿水平方式快速读出。

2.面阵帧转移CCD

成像单元与移位单元整帧地分开。在成像的积分时间内，CCD像元的一半面积记录图像，然后，在回扫时间内快速转移到挡光的另一半面积的像元（位移寄存单元）上。对后一半像元以常规视频速率读出的同时，下一帧图像的积分开始进行。

3.面阵行转移CCD

每两行成像单元之间都夹有一行不透明的移位寄存单元，在成像时间内，传输门关闭，电荷包在成像单元上积分，不向寄存单元转移，已转移到寄存单元上的前一帧图像以视频速率读出。当传输门开启时，每行成像单元存储的图像电荷同时转移到对应的行间读出寄存器上。

【信号传输原理图】

线阵CCD信号传输：

面阵CCD信号传输：

【CCD基本工作原理】

基本功能：电荷的存贮和转移

特点：以电荷作为信号

1.信号电荷的产生

2.信号电荷的存储

当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，是势能很低的区域，称“势阱”。有光线入射到硅片上时，光子作用下产生电子——空穴对空穴被电场作用排斥出耗尽区，而电子被附近势阱（俘获），此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。

3.电荷转移原理

CCD电荷耦合器件是以电荷为信号；

读出位移寄存器也是MOS结构；

有三个十分邻近的电极组成一个耦合单元，在三个电极上分别施加脉冲波三相时钟脉冲。

4.电荷耦合信号输出

CCD信号电荷的输出的方式主要有电流输出、电压输出两种，以电压输出型为例：有浮置扩散放大器（FDA）、浮置栅放大器（FGA）

如Teledyne e2v CCD47-20 背照13.3 µm 像素1024 x 1024传感器CCD是一个具有极高灵敏度的光子传感器。一个CCD 会被分割成大量微小光敏单元(就是我们常说的像素)，以便用于整合成目标画面。一个光子来到某个像素的范围时，便会转换成一个(或多个)电子，而收集到的电子数量会与每个像素接收的光线强度成正比例。当CCD时钟输出时，每个像素内的电子数目便会被测量出来，以用于重建画面。

CCD阵列切面图

在集成级，电荷通过电子云或电子斗采集到偏置电极。每个像素需要最少两个电极用于控制这一电荷采集，不过科学设备一般会使用四个电极以便于优化尖峰信号。

在这区域里，电荷会与一个正向施加电压一同采集。在具体工作中，电荷储存于掩埋通道部分以避免与表面有接触，而各个通道'行’之间则有通道阻绝层作分隔。上图显示了单个CCD像素的结构。大量的像素组合起来，便构成一个成像设备，例如Teledyne e2v 的CCD290便具有8100万像素。下图显示的是一个3x3的像素阵列。

带电极和通道'行’的CCD阵列切面图

用于控制CCD内电子活动的电极或门是以多晶硅(而不是金属)制成，它的透明度能够让400 nm左右波长的光线通过。由于所有像素都是一致而且通过同一端口读出，所以能够提供质量均一的图像。

读出

在大多数的CCD里，每个像素里的电极经配置，电荷会沿着通道'行’向下转移。因此，当CCD时钟工作时，各个列会向下转移到最后一行(即读出记录器)，然后把每一像素的电荷转移到CCD外部以便于测量。而在读出记录器里的电极经配置，电荷会以水平方向在记录器内转移。

电荷从被采集到读出，它是以每次一个电荷包的形式传送到一个输出放大器，在那里电荷会转换为电压。在读出工作进行时，电极会在高电压和低电压之间交换偏置，以便于电荷沿着阵列向下转移。

下图显示单个转移步骤的工作原理。在一个4相位架构里，要把一个像素沿着阵列传送到底部，便要进行4次转移。

在某个相位的图像范围内的所有电极都是互连的，所以要把电荷传送到图像范围底部的读出记录器，只需要4个时钟。每次只有一行电荷转移到读出记录器。然后读出记录器会以相同的时钟，每次读出一个像素到输出节点，把电荷转为电压。下图显示了一个4x4像素三相位器件的工作原理：

电荷转移原理

由于整个阵列是通过单个放大器进行阅读，因而可以高度优化输出，尽可能减小噪声并实现极高的动态范围。一般的CCD可以提供100dB 的动态范围以及小于2e的噪声。

一部CCD相机或仪器一般包含一个CCD芯片以及相关电子器件，这些相关器件是用于放大CCD上的小电压、移除噪声、数字化像素数值，以及把每个像素的数值输出到外部，例如是处理器。CCD是一个模拟器件，而模拟电压数值会由相机的电子部件转换为数字格式。

读出记录器

Teledyne成像的传感器的功能涵盖从X光到超长波红外线的整个光谱范围

硬X光/软X光/真空紫外线/紫外线/可见光/短波红外线/中波红外线/长波红外线/超长波红外线

硅/InAs/GaSb (T2SL)/HgCdTe (MCT)/去基板HgCdTe (MCT)/InSb/InGaAs/锗(GE)/InAs/PbS/PbSe/SiAs/VOx

Teledyne e2v可以提供多种成像工程元素周期表上的复合半导体材料，依照应用需求提供合适技术解决方案。其具备的各种图像传感器技术，包括从CCD、CMOS，到混合红外ROIC数组和微测辐射热计，以及更多其它技术。

CCD图像传感器在机器视觉领域应用

CCD是当今图像传感器的主流技术，也是技术最成熟、应用最广泛的可见光图像传感器，以其光谱响应宽、动态范围大、灵敏度和几何精度高、噪声低、分辨力高、便于进行数字化处理和与计算机连接等优点，应用领域不断扩展，其在工业测控中也得到了广泛应用。

一、CCD的特点

1、高解析度（High Resolution）：像点的大小为m级，可感测及识别精细物体，提高影像品质，从早期1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到现在的1/9寸，像素数目已从初期的10万多增加的千万像素，以后还有急需增加的趋势。

2、低噪声（Low Noise）高敏感度：CCD具有很低的读出噪声和暗电流噪声，因此有比较高的信噪比（SNR），同时具有高敏感度0.0003、0.00056LUX甚至0LUX低光度的入射光也能检测到，其信号不会被噪声掩盖，所以CCD的应用基本不受气候限制。

3、动态范围广（High Dynamic Range）：通过数字处理的CCD信号，其动态范围可达到400%，专业级可达到600%，可同时适用于强光和弱光，提高系统环境的使用范围，不因亮度差异大而造成信号反差现象。

4、良好的线性特性曲线（Linearity）：入射光源强度和输出信号大小成良好的正比关系，能很好地反应被摄图像的细节层次，降低信号补偿处理成本。

5、光子转换效率高（High Quantum Efficiency）：很微弱的入射光照射都能被记录下来，若配合影响增强管及投光器，即使在黑夜远处的景物也能拍摄到。

6、大面积感光（Large Field of View）：利用半导体技术已可制造大面积的D晶片，目前于传统胶片尺寸相当的35mm的晶片已经开始应用在数码相机中，成为取代专业光学相机的关键元件。

7、光谱响应广：从0.4~1.1μm，能检测很宽波长范围的光，增加系统使用弹性，扩大系统应用领域；根据不同应用场合，需用滤色片或复合滤色片。

8、低影像失真：使用CCD感测器，其图像处理不会有失真的情形，使原物体表面信息忠实的反应出来。

9、体积小、重量轻：CCD具备体积小且重量轻的特性，应用广泛。

10、低耗能，不受强电磁场影响。

11、电荷传输效率佳：该效率系数影响信噪比、解像率，若电荷传输效率不佳，影像将变模糊。

12、可大批量生产，品质稳定，坚固，不易老化，使用方便及保养容易。有些烧坏的CCD像素，经过一段时间的带电工作后能自我恢复。

二、CCD在工业检测领域的应用

1、可用于对象几何量的测量。几何量参数包括：长、宽、液位、面积等等都可以用CCD传感器技术来测量。另外，其它如进行多尺寸的检测和检查包装的尺寸、形状、商标位置与方向是否准确等许多场合也都可以采用CCD技术。

2、在线模式识别。如识别沿自动化生产线传送的分布离散物件或产品、检测零件的有无、装备在机器人上作为视觉系统、以及设备安装是否符合要求、位置是否准确等。

3、物体表面自动检测。工业生产中，表面状况是物体质量的一个重要因素，采用CCD技术对物体表面状况进行高精度的检测，不仅可以省略以往光学机构扫描法中的运动部件，而且检测色度高，系统结构小，能自动显示或记录被检测物体的表面状态等。因而可应用于工业生产中进行检测金属板、塑料、玻璃、纺织等物品的表面缺陷。

4、加工过程检测。因为CCD具有高速读出能力，因而也可以用于加工业过程中的检测，如机床加工中的位置测定是闭环控制不可缺少的一个环节，应用CCD技术能够实现加工设备位置高精度的实时控制。

主要CCD 参数

量子效率

CCD能够测得的光子百分比被称为量子效率(Quantum Effciency，QE)。人类肉眼的QE大约是20%，摄影胶片的QE则是10%左右。而现代的CCD能够实现大于90%的QE。量子效率会因波长而有差异，而通过诸如背薄(backthinning)、背照 (back-illumination)、反眩光涂层和高阻硅等各种创新，可以使CCD的量子效率涵盖到各种波长。

波长范围

CCD的波长范围可以从0.1nm (软X光) 到 400 nm (蓝色可见光)，甚至达到1000 nm (近红外线)，而尖峰灵敏度可达到700 nm左右。利用背照可以实现较短的X光和紫外光波长检测，而低噪声和高阻硅技术则有助于提高对较长的近红外线波长的灵敏度。

动态范围

能够正确读出同一图像的光亮和模糊来源，是测量器的一个非常有用的特点。测量器准确读出图像内最光亮和最模糊来源二者之间的差异被称为动态范围。

当光线来到CCD上，光子会转换成电子。CCD的动态范围一般是以可成像的最小和最大电子数目为量度单位。落可CCD上的光线越多，在电位井(p-井)内收集到的电子数目也就越多。当电位井无法再接收更多的电子时，意味着像素达到饱和状态。在典型的科学用CCD，这情况大约会在150,000个电子时发生。

可测量的最小信号单位不一定是一个电子(相等于可见波长的一个光子)。具体来说，最小电子噪声一般是与CCD实体结构相关，最小大约是每像素2至4个电子。所以可测量的最小信号是由这读出噪声来决定。单电子或电子倍增CCD(Electron Multiplication CCD，EMCCD) 都是经设计用于高灵敏度测量的超低噪声传感器，可以量度出小至数个光子或电子的信号。

线性度

测量器的另一重要考虑是对它所见的任何图像的线性响应能力。如果CCD测出100个光子，它便会把它们转换为100个电子(假设QE为100%)。在这一状况下，测量器有一个线性响应。线性响应的用处在于无需对图像进行附加处理，便可以测定图像上不同主体的真正和真实密度。

噪声

CCD的噪声表现取决于多个因素。

暗电流

暗电流是由温度产生的噪声。在室温，CCD的噪声表现可以是每像素每秒数千个电子。在这情形下，每个像素有机会在数秒间达到满井容量，使得CCD饱和。

可以利用诸如珀耳帖冷凝器(Peltier cooler)甚至是致冷器(cryo-cooler)等系统来为检测器降温来解决暗电流问题。在-40° C温度下， CCD的噪声表现可以降低到每像素每秒数十个电子。

读出噪声

读出噪声源于每个像素内的电子在CCD输出节点上转换为电压的工作。噪声的幅度取决于输出节点的大小。在减小CCD读出噪声方面已有一些技术进步，而这一工作将继续成为现在和未来CCD发展的重要部分。

读出噪声能影响动态范围，所以必需尽可能减小，这在微小能量检测应用方面至关重要。欧洲航天局(ESA)的 XMM-牛顿太空卫星内检测X光能量中的光子就是一个例子。

功耗

CCD本身需要很小功耗。主要的功耗考虑来自操作CCD和处理图像所需的电子器件。

三种CCD图像传感器

CCD的中文全称是电荷耦合元件，是一种半导体成像器件。通过被摄物体的图像经过镜头聚焦至CCD芯片上的原理制成了CCD摄像机，其中的核心原件就是CCD图像传感器。

CCD图像传感器作为一种新型光电转换器现已被广泛应用于摄像、图像采集、扫描仪以及工业测量等领域。作为摄像器件，与摄像管相比，CCD图像传感器有体积小、重量轻、分辨率高、灵敏度高、动态范围宽、光敏元的几何精度高、光谱响应范围宽、工作电压低、功耗小、寿命长、抗震性和抗冲击性好、不受电磁场干扰和可靠性高等一系列优点。

CCD是数码相机的电子眼，它革新了摄影术，光可以被电子化地记录下来，取代了胶片。这一数字形式极大地方便了对图像的处理和发送，”诺贝尔奖评选委员会称赞说，“无论是我们大海中深邃之地，还是宇宙中的遥远之处，它都能给我们带来水晶般清晰的影像。”

CCD图像传感器发展历程

CCD图像传感器于1969年在贝尔试验室研制成功，之后由日商等公司开始量产，其发展历程已经将近30多年，从初期的10多万像素已经发展至目前主流应用的500万像素。CCD又可分为线型(Linear)与面型(Area)两种，其中线型应用于影像扫瞄器及传真机上，而面型主要应用于数码相机(DSC)、摄录影机、监视摄影机等多项影像输入产品上。

发明：

伴随着数码相机、带有摄像头的手机等电子设备风靡全球，人类已经进入了全民数码影像的时代，每一个人都可以随时、随地、随意地用影像记录每一瞬间。带领我们进入如此五彩斑斓世界的，就是美国科学家威拉德·博伊尔和乔治·史密斯发明的CCD(电荷耦合器件)图像传感器。

百多年来，伴随着暗箱、镜头和感光材料制作不断取得突破，以及精密机械、化学技术的发展，照相机的功能越来越强大，使用越来越方便。但是，直到几十年前，人们依然只能将影像记录在胶片上。拍摄影像慢慢普及，但即时欣赏、分享、传递影像还非常困难。1969年，博伊尔和史密斯极富创意地发明了一种半导体装置，可以把光学影像转化为数字信号，这一装置，就是CCD图像传感器。

发展历程：

CCD图像传感器的发明，实际上是应用爱因斯坦有关光电效应理论的结果，即光照射到某些物质上，能够引起物质的电性质发生变化。但是从理论到实践，道路却并不平坦。科学家遇到的最大挑战，在于如何在很短的时间内，将每一个点上因为光照而产生改变的大量电信号采集并且辨别出来。经过多次试验，博伊尔和史密斯终于解决了上述难题。他们采用一种高感光度的半导体材料，将光线照射导致的电信号变化转换成数字信号，使得其高效存储、编辑、传输都成为可能。简单地说，CCD图像传感器就像是胶片一样，有了它，人们就再不用耗时费力地去冲洗胶片了。

三种CCD图像传感器的优缺点

CCD(电荷耦合器件)图像传感器体系可分为全帧(FF)、帧传输(FT)和行间传输(IT)三种CCD架构。

全帧(Full-Frame)CCD

半导体区域既可以作为光电元件，也可以作为电荷转移器件，这有点违反直觉，但这正是FF CCD中发生的事情。在集成过程中，像素位置响应入射光子积累电荷，在集成之后，电荷包垂直地通过像素位置向水平移位寄存器移动。

一般情况下，我们通过应用精心定时的时钟信号来获得CCD像素数据，这些时钟信号依次在器件的电荷传输结构中产生电位阱和电位屏障。在全帧CCD中，我们需要能够将这些控制电压应用到同样起光电探测器作用的区域，因此，栅极电极由透明多晶硅制成。

全帧CCD相对而言比较简单且易于制造，并且它们允许整个CCD表面具有光敏性。这使硅的给定区域中可以包含的像素数量最大化，同时也使每个像素中实际上能够将光子转换为电子的部分最大化。

然而，一个主要的限制是需要一个机械快门(或一个同步的、短时间的光源称为频闪)。CCD的光激活区并不会因为你已经决定是时候执行读出而停止光激活。如果没有在曝光周期完成后阻挡入射光的机械快门，则在(有意)集成期间生成的电荷包将被读出期间到达的光损坏。

这是全帧CCD的基本架构

帧传输(Frame-Transfer)CCD

一般来说，我们更喜欢用电子方式控制曝光，快门(像任何其他快速移动的高精度机械设备一样)使设计更加复杂，最终产品更加昂贵，整个系统更容易出现故障。在电池供电的应用中，驱动物理物体所需的额外能量也是不可取的。

FT-CCD允许我们保持FF-CCD的一些优点，同时(几乎)不需要快门。这是通过将FF CCD分成两个大小相等的部分来实现的。其中一个部分是普通的光敏成像阵列，另一个部分是屏蔽入射光的存储阵列。

在集成之后，用于所有像素的电荷包被快速地传输到存储阵列，然后在存储阵列中发生读出。当读取存储位置时，活动像素可以为下一图像累积电荷，这使得帧传输CCD能够获得比全帧CCD更高的帧速率。

说FT架构几乎消除了快门，因为无快门设计会遇到一个称为垂直涂抹的问题。电荷包从活动像素到存储位置的传输很快，但不是瞬间发生的，因此在垂直传输期间到达传感器的光可以改变图像信息。

FT架构的主要缺点是成本较高，并且相对于图像质量而言面积增大，因为基本上是使用FF传感器，然后将像素数减少两倍。

帧传输CCD在全帧架构中增加了一个存储阵列

线间传输(Interline-Transfer)CCD

我们需要的最后一个主要的架构改进是将集成电荷快速转移到存储区域，从而将污迹降低到可以忽略的程度。线间传输CCD通过提供与每个光活动位置相邻的存储(和传输)区域的网络来实现这一点。曝光完成后，传感器中的每个电荷包同时传输到非光敏垂直移位寄存器中。

因此，它的CCD能够以最小的拖影实现电子快门，并且像FT-ccd一样，它们可以在读出期间集成，从而保持较高的帧速率能力。然而，如果光生电荷在读出过程中从光活性柱泄漏到相邻的垂直移位寄存器中，则可能发生一些涂抹。如果应用程序不需要高帧速率，则可以通过延迟积分直到读出完成来消除此问题。

线间CCD不需要帧传输CCD中使用的大存储部分，但它们引入了一个新的缺点：传感器成为将光子转换为电子的效率较低的手段，因为每个像素位置现在都由光电二极管和垂直移位寄存器的一部分组成。换言之，部分像素对光不敏感，因此相对于落在像素区域上的光的量产生较少的电荷。这种灵敏度的损失通过在传感器上添加将入射光集中到每个像素的光活动区域的微小透镜而大大减轻，但是这些“微透镜”有其自身的一系列困难。

在行间传输架构中，存储(和垂直传输)区域位于光活性柱之间。

全帧CCD可能看起来是最“原始”的类型，但它们仍然是不需要高帧速率的系统中的首选，并且可以容忍闪光灯或机械快门的使用。帧传输CCD和线间传输CCD具有更多的用途，在某些应用中具有关键的优势。

CMOS图像传感器基础知识和参数理解

CMOS图像传感器的工作原理：每一个 CMOS 像素都包括感光二极管(Photodiode)、浮动式扩散层(Floating diffusion layer)、传输电极门 (Transfer gate)、起放大作用的MOSFET、起像素选择开关作用的M0SFET.在 CMOS 的曝光阶段，感光二极管完成光电转换，产生信号电荷，曝光结束后，传输电极门打开，信号电荷被传送到浮动式扩散层，由起放大作用的MOSFET电极门来拾取，电荷信号转换为电压信号。所以这样的 CMOS 也就完成了光电转换、电荷电压转换、模拟数字转换的三大作用，通过它我们就能把光信号转化为电信号，最终得到数字信号被计算机读取，这样，我们就已经拥有了记录光线明暗的能力，但这还不够，因为我们需要色彩。现代彩色CMOS 的原理也很简单，直接在黑白图像传感器的基础上增加色彩滤波阵列(CFA)，从而实现从黑白到彩色的成像。很著名的一种设计就是Bayer CFA（拜耳色彩滤波阵列）。

一个很有趣的事就是，我们用来记录光影的 CMOS, 和我们用来输出光影的显示器，原理也刚好是向相反的，CMOS 把光转化为电信号最后以数字格式记录，显示器把解码的数字格式从电信号重新转化为光。光电之间的转换也就构成了我们人类数字影像的基础。

当前主流的CMOS厂商有：索尼、三星、豪威、格科微、思特威、安森美等公司。

常见的色彩滤波阵列：RGGB：一个红光、一个蓝光、两个绿光滤波器

每个像素只能感应一种颜色的光，但是我对外输出的时候，需要知道这个像素的rgb值，我就只能通过周围像素去计算，这个计算和转换是靠ISP去完成的。进从而得出我这个像素的RGB的值，这样我每个像素虽然只感应了一种光，但是每个像素经过处理后传输到外面后就是有RGB的信息了。这些原始的感光数据成为RAW data。

RCCC：75% 部分为透传，其余 25% 为感受红光的滤波器。RCCC 的优点是光灵敏度高，适用于弱光环境。由于 RCCC 只有红色光滤波器，因此主要用在对于红色标识敏感的场合，比如交通灯检测。

RCCB：50% 部分为透传，其余红光蓝光滤波器各占 25%。RCCB 的弱光敏感性比 RCCC 稍差（Clear 部分少），但它分辨色彩的能力更好，采集的图像既可以用于机器分析，也可以用于人眼观察。

Mono：100% 透传，它不能分辨色彩。Mono 配置的弱光灵敏度最高，仅用于对颜色无识别要求的场合，如驾驶员状态检测等。

几个重要参数的理解：

1、传感器尺寸：图像传感器的尺寸越大，则成像系统的尺寸越大，捕获的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。目前CMOS图像传感器的常见尺寸有1、2/3、1/2、1/3、1/4英寸等。

2、像素总数和有效像素数：像素总数是指所有像素的总和，像素总数是衡量CMOS图像传感器的主要技术指标之一。CMOS图像传感器的总体像素中被用来进行有效的光电转换并输出图像信号的像素为有效像素。显而易见，有效像素总数隶属于像素总数集合。有效像素数目直接决定了CMOS图像传感器的能力。

3、动态范围：动态范围由CMOS图像传感器的信号处理能力和噪声决定，反映了CMOS图像传感器的工作范围。其数值是输出端的信号峰值电压与均方根噪声电压之比，通常用DB表示。

4、分辨率：对景物中明暗细节的分辨能力。

5、像元尺寸也就是像素的大小：是指芯片像元阵列上的每个像素的实际物理尺寸，通常的尺寸包括14um、10um、9um、7um、6.45um、3.75um、3.0um、2.0um、1.75um、1.4um、1.2um、1.0um等，像元尺寸从某种程度上反映了芯片的对光的响应能力，像元尺寸越大，能够接收到的光子数量越多，在同样的光照条件和曝光时间内产生的电荷数量越多。对于弱光成像而言，像元尺寸是芯片灵敏度的一种表征。

6、灵敏度：灵敏度是芯片的重要参数之一，它具有两种物理意义。一种是光器件的光电转换能力，与响应率的意义相同。即芯片的灵敏度指在一定的光谱范围内，单位曝光量的输出信号电压（电流），单位可以为纳安/勒克斯nA/Lux、伏/瓦（V/W）、伏/勒克斯（V/Lux）、伏/流明（V/lm）。另一种是指器件所能传感的对地辐射功率（或照度），与探测率的意义相同，单位可用瓦（w）或勒克斯（Lux）表示。

7、坏点数，由于受到制造工艺的限制，对于有几百万像素点的传感器而言，所有的像元都是好的情况几乎不可能，坏点数是指芯片中坏点（不能有效成像的像元或相应不一致性大于参数允许的范围的像元）的数量，坏点数是衡量芯片质量的重要参数。

8、光谱效应，指芯片对于不同光波长光线的响应能力。

技术发展趋势，体积小型化及高像素化仍是业界积极研发的目标。因为像素尺寸小则图像产品的分辨率越高、清晰度越好、体积越小，其应用面更广泛。

9、CRA角度：从镜头的传感器一侧，可以聚焦到像素上的光线的最大角度被定义为主光角（CRA），镜头轴心线附近接近零度，与轴心线的距离越大，角度也随之增大。CRA与像素在传感器的位置是相关的。如果lens的CRA小于sensor的CRA，一定会有偏色现象。

10、动态范围：测量了图像传感器在同一张照片中同时捕获光明和黑暗物体的能力，通常定义为最亮信号与最暗信号比值的对数。

11、IR cut（滤除红外光）

如果没有，图像就会明显偏红，这种色差是没法用软件来调整的。

12、快门

Global Shutter（全局快门）与Rolling Shutter（卷帘快门）对应全局曝光和卷帘曝光模式。卷帘快门逐行曝光的方式，全局快门是全部像素同时曝光，所以全局快门能够拍运动的物体而不产生形变，因为全局快门在每一个像素上添加了一个存储单元

13、像素技术

FSI：前照式, 光是从前面的金属控制线之间进入，然后再聚焦在光电检测器上。

BSI：背照式，光线无需穿过金属互连层,优势大，比较有前景。

BSI在低照条件下的成像亮度和清晰度都比FSI有更大的优势。

传统的CMOS图像传感器是前照式结构的，自上而下分别是透镜层、滤色片层、线路层、感光元件层。采取这个结构时，光线到达感光元件层时必须经过线路层的开口，这里易造成光线损失。

而背照式把感光元件层换到线路层的上面，感光层只保留了感光元件的部分逻辑电路，这样使光线更加直接的进入感光元件层，减少了光线损失，比如光线反射等。因此在同一单位时间内，单像素能获取的光能量更大，对画质有明显的提升。不过该结构的芯片生产工艺难度加大，良率下降，成本相对高一点。

堆栈式（stack）：堆栈式是在背照式上的一种改良，是将所有的线路层挪到感光元件的底层，使开口面积得以最大化，同时缩小了芯片的整体面积。对产品小型化有帮助。另外，感光元件周边的逻辑电路移到底部之后，理论上看逻辑电路对感光元件产生的效果影响就更小，电路噪声抑制得以优化，整体效果应该更优。业内的朋友应该了解相同像素的堆栈式芯片的物理尺寸是比背照式芯片的要小的。但堆栈式的生产工艺更大，良率更低，成本更高。索尼的IMX214（堆栈式）和IMX135（背照式）或许很能说明上述问题。

索尼的STARVIS:基于BSI的应用于监控摄像机的技术，在可见光和近红外光区域实现高画质。

索尼的Pregius：将BSI技术和全局快门结合一起。

Tetracelll:四合一像素技术

三星的ISOCELL:基于BSI，通过在图像传感器里的像素之间形成一道绝物理性绝缘体，来有效的防止进入像素的光信号外漏。

OV的PureCel：基于BSI和先进的4-单元像素内合并模式。

OV的OmniBSI：基于BSI，像素紧凑，减少像素的串扰问题。

思特威的smartGS：基于BSI应用于全局快门。

思特威的SmartPixel™：基于BSI，适用于安防监控行业的Rolling Shutter产品系列。

思特威的SmartClarity™：基于BSI，具备出色的夜视性能。

14、传输接口

MIPI: 移动行业处理器接口，是MIPI联盟发起的为移动应用处理器制定的开放标准。串行数据，速度快，抗干扰，主流。

LVDS：低压差分信号技术接口。

DVP：并口传输，速度较慢，传输的带宽低。

Parallel：并行数据，含12位数据信号，行场同步信号和时钟信号。

HISPI:高速像素接口，串行数据。

SLVS-EC: 由 SONY 公司定义，用于高帧率和高分辨率图像采集，它可以将高速串行的数据转化为 DC（Digital Camera）时序后传递给下一级模块 VICAP（Video Capture）。SLVS-EC 串行视频接口可以提供更高的传输带宽，更低的功耗，在组包方式上，数据的冗余度也更低。在应用中 SLVS-EC 接口提供了更加可靠和稳定的传输。

15、封装

BGA: 球形触点陈列，表面贴装型封装。球柵网格阵列封装.

LGA: 平面网格阵列封装.

PGA: 插针网格阵列封装.

CSP: 芯片级封装的意思.

COB: 将裸芯片用导电或非导电胶粘附在互连基板上，然后进行引线键合实现其电连接。

Fan-out：扇出晶圆级封装。

PLCC：带引线的塑料芯片载体.表面贴装型封装。

TSV: TSV技术本质上并不是一种封装技术方案，而只是一种重要的工具，它允许半导体裸片和晶圆以较高的密度互连在一起。

CMOS图像传感器的五大工艺技术

作者：In-Chul Jeong, SK海力士CIS工艺团队负责人

CMOS图像传感器（CIS）技术的创新不断拓展数字成像的发展前景，那么，如何才能确保CIS技术满足更高级应用的需求呢？本文首先让我们快速了解一下CIS技术的工作原理，然后再重点介绍CIS独有的五种制造工艺技术。

CMOS图像传感器（CIS）技术的创新不断拓展数字成像的发展前景，其需求最初由智能手机厂商推动，因为增强的照相功能可以让他们的设备区别于竞争对手。现在，CIS在汽车、安全、医疗和制造领域的市场也在不断增长。

微型CMOS图像传感器的功能可与人眼视网膜媲美，如今更可以与大型昂贵的照相设备竞争。相比智能手机，新的应用更加强调对先进CIS技术的需求。

CIS技术不仅可以捕获人眼能看到的图像，而且还可以捕获数据以支持许多新用例，从自动驾驶车辆和虚拟现实（VR），到下一代医学成像和高科技监视系统。

图1：对先进CIS技术的需求来自多种应用。（来源：SK Hynix）

那么，如何才能确保CIS技术满足更高级应用的需求呢？首先，让我们快速了解一下CIS技术的工作原理，然后再重点介绍CIS独有的五种制造工艺技术，这些技术均需要不断地改进。

CIS工作原理

从最基本的层面上讲，CIS用来将相机镜头的光转换为数字数据，以创建可见的图像。当波长范围为400至700nm的可见光光能被聚集在硅衬底的光电二极管（PD）上时，CMOS图像传感器的硅表面将接收该光能，从而形成电子-空穴对。

在此过程中生成的电子通过浮动扩散（FD）转换为电压，然后再通过模数转换器（ADC）转换为数字数据。最后，数据被发送到处理器，以创建可视的数字描述，通常为图像。

CIS制造技术

生产这种复杂传感器需要特定的制造技术，通常分为五类。

1. 深光电二极管形成工艺技术

由于消费者对图像质量不断提出更高的需求，导致了业界的竞争加剧，各厂商争相提高移动CIS中的像素密度和分辨率，这种竞争反过来又进一步加速了CIS工艺技术的发展。为实现更高的图像质量，像素尺寸需要进一步减小，以便在相同大小的芯片上容纳更多的像素。

图2：光电二极管结构变化以及像素尺寸不断减小的示意图。（来源：SK Hynix）

为了避免图像质量的下降，深光电二极管的作用极为关键。为了在小像素中确保有足够的满阱容量（FWC），它的构图和实施技术难度级别远超现有的半导体存储器。为此，必须遵循高宽比率不断提高的行业趋势，确保掩模工艺技术达到超过15：1的高宽比，以阻止高能离子注入。

2. 像素-像素隔离工艺技术

对高清CIS来说，像素间彼此隔离的技术至关重要。不同的芯片制造商会采用不同的隔离技术，但如果隔离技术不佳，将可能导致图像缺陷，例如混色和散色。

越来越高的像素密度和分辨率成为普遍的需求，隔离便成为CIS市场中图像质量的重要标准。除此之外，隔离工艺还会出现一些问题。因此，业界正在努力选择更好的设备，并开发新的解决方案以提高良品率和产品质量。

3. 彩色滤光片阵列（CFA）工艺技术

彩色滤光片阵列（CFA）是CIS领域独有的一种工艺，它在半导体存储工艺中并不常见。CFA工艺通常包括一个彩色滤光片（CF）和一个微透镜（ML），滤光片将入射光根据各自波长范围过滤为红色、绿色和蓝色，而微透镜则提高聚光效率。为了获得稳定的图像质量，需要评估R/G/B彩色材料，并研究出可以优化形状和厚度等参数的技术。

最近，一系列高质量且功能强大的CIS产品出现在市场上。它们基于Quad Bayer等技术，且辅以CFA的基本形式。

图3：彩色滤光片阵列由彩色滤光片和微透镜组成。（来源：SK Hynix）

4.晶圆堆叠工艺技术

晶圆堆叠（即将两个晶圆粘贴在一起）是生产高像素和高清晰度CIS产品的一项重要技术。对于高像素CIS产品，像素阵列和逻辑电路分别在单个晶圆上形成，然后在处理过程中采用晶圆键合技术将它们连接起来。

图4：晶圆堆叠极大地提升了CIS的性能。（来源：SK Hynix）

大多数CIS芯片制造商已经采用了晶圆堆叠技术，这项技术的各个方面仍在持续改进中。

5. CIS良率和质量控制技术

CIS产品开发和批量生产过程中最基本的要求之一是对金属污染的控制。由于CIS产品对污染的敏感度是存储产品的几倍，而且污染直接影响产品良率与质量，因此必须采用各种污染控制技术。

除此之外，等离子体损伤控制也很重要。由于在工艺过程中造成的损坏会导致图像性能下降（如热像素），因此有必要对关键工艺进行精确管理。

CIS的未来前景

毫不夸张地说，对于由CIS驱动的应用，其有效性将取决于工艺技术。而且，各种工艺相互交互的方式也有很大影响。仅仅优化制造工艺的某一方面是不够的，各种工艺必须全部优化才能实现有机互补。

不过，回报是巨大的。从制造业到医疗保健服务，再到监控，几乎每个领域都可以利用CIS新技术来改善。拥有对这个世界更丰富、更详尽的视野，各行各业的公司都将能够创建更智能、更先进的产品和服务，从而使终端客户和整个社会受益。

视觉系统CCD和CMOS传感器原理应用对比，两者有什么区别？

作为电子设备的“眼睛”，图像传感器近年来成为市场瞩目的焦点，成为半导体行业炙手可热的一大领域。目前，CCD图像传感器和CMOS图像传感器（CIS）是被普遍采用的两种图像传感器。

我们所拍摄到的画面由很多个小的点组成，每个点就是一个像素。显然，像素数越多，画面就会越清晰，如果CCD没有足够的像素的话，拍摄出来的画面的清晰度就会大受影响。因此，CCD的像素数量应该越多越好。但是为了得到更好的画质而增加了CCD的像素数后又必定会导致一个问题，那就是CCD制造成本的增加以及成品率下降。

CMOS凭借低成本、设计简单、尺寸小、功耗低、高集成度等优势，迅速在民用消费电子市场完成对CCD的替代，目前市场份额已超过99%，而CCD仅在卫星、医疗等专业领域继续使用。

CMOS本是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导最基本的资料。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带负电的N极和带正电的P极的半导体，这两个一正一负互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和转换成影像。后来发现CMOS经过加工也可以作为数码摄影中的图像传感器。

CCD是应用在摄影摄像方面的高端技术元件，CMOS则应用于较低影像品质的产品中，它的优点是制造成本较CCD更低，功耗也低得多，这也是市场很多采用USB接口的产品无须外接电源且价格便宜的原因。尽管在技术上有较大的不同，但CCD和CMOS两者性能差距不是很大，只是CMOS摄像头对光源的要求要高一些，但该问题已经基本得到解决。CCD元件的尺寸多为1/3英寸或者1/4英寸，在相同的分辨率下，宜选择元件尺寸较大的为好。

CMOS在镜头中的应用

与CCD相比，CMOS具有体积小，耗电量不到CCD的1/10，售价也比CCD便宜1/3的优点。CMOS是标准工艺制程，可利用现有的半导体设备，不需额外的投资设备，且品质可随著半导体技术的提升而进步。同时，全球晶圆厂的CMOS生产线较多，日后量产时也有利于成本的降低。另外，CMOS传感器的最大优势，是它具有高度系统整合的条件。理论上，所有图像传感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移暂存器、时序控制、CDS、ADC…等，都可放在集成在一颗晶片上，甚至于所有的晶片包括后端晶片（Back-end Chip）、快闪记忆体（Flash RAM）等也可整合成单晶片（SYSTEM-ON-CHIP），以达到降低整机生产成本的目的。

因工作原理不同，CMOS相比于CCD天然在图像质量方面处于劣势。原因主要在于两个方面：首先，CMOS的每个像素都带有信号放大器，相互之间难以保持一致，因此容易形成噪点，而CCD由于是在器件边缘出口位置统一放大信号，一致性更强，因此信噪比优势明显；其次，CMOS每个像素中的信号放大器挤占了感光元件面积，因此灵敏度受限很大，而CCD的像素点中基本全部是感光元件，灵敏度明显更高。

CCD与CMOS原理差别

然而，通过硬件结构设计的不断创新以及图像处理技术的快速发展，CMOS相对于CCD在图像质量上的差距在过去被不断缩小。具体来看，2008年前后，Omni Vision和索尼相继发布背照式CMOS产品，通过将金属排线层和光电二极管的前后位置调换，扩大了CMOS中单像素点的有效感光面积，带来器件灵敏度的大幅提升（以SONY的Exmor R系列为例，灵敏度提升至传统CMOS的两倍）。

传统式与背照式的原理区别

背照式CMOS灵敏度明显提升

之后索尼又在 2012 年推出堆栈式CMOS技术，可使整颗组件在同尺寸规格下得到更多的空间来获得更大面积的感光范围。

我们最后总结对比一下：

①传统CMOS感光元件成像过程：光线先通过最上方的电路，然后再进入感光层进行成像，由于光线先经过电路层，部分光线会反射回去，导致进光量减少。

②背照式感光元件就将部分电路放到了像素层的下面，但仍有部分是在像素层上的，那么这样光线就首先经过像素层再经过电路，进光量就大大提升了，而且还能通过在下方的电路进行对照片的的优化。

③堆栈式感光元件完全把电路层放到了像素层的下方，这样的进光量会更加大，使得在暗的环境中拍摄到亮度更高的照片。

传统式、背照式、堆栈式对比图

CMOS图像传感器产业链主要由上游的芯片设计企业，中游的晶圆代工厂、封装企业和下游的模组厂商及终端客户组成。CMOS对供应链的拉动，在上、下、中游都有体现。

图像传感器产品类型

图像传感器两种主要的成像技术是CCD（电荷耦合器件）和CMOS。一般来看，CCD具有更低的噪声，更好的像素间均匀性，并且以较佳的图像质量而享有盛誉。CMOS传感器则提供了更高的集成度-降低了电路设计人员的工作复杂度-并降低了功耗。

还有一些其他类型的传感器，比如NMOS传感器用于光谱学，微型测光仪提供红外热成像的灵敏度，而特殊应用可能会使用连接到定制放大器电路的光电二极管阵列。

产品特点

CCD图像传感器作为摄像器件，与摄像管相比，具有有体积小、重量轻、功耗小、寿命长、工作电压低、灵敏度高、分辨率高、动态范围宽、光敏元的几何精度高、光谱响应范围宽、抗震性和抗冲击性好、不受电磁场干扰等一系列优点。

与CCD相比，CMOS具有体积小、耗电量低、售价较低的优点。与CCD产品相比，CMOS是标准工艺制程，可利用现有的半导体设备，不需额外的投资设备，且品质可随着半导体技术的提升而进步。值得注意的是，全球晶圆厂的CMOS生产线较多，量产时也有利于成本的降低。

应用领域

CCD又可分为线型（Linear）与面型（Area）两种，其中线型应用于影像扫瞄器及传真机上，而面型主要应用于数码相机（DSC）、摄录影机、监视摄影机等多项影像输入产品上。CCD图像传感器除了大规模应用于数码相机外，还广泛应用于摄像机、扫描仪，以及工业领域等。

在搭建机器视觉系统时我们首要考虑的是图像传感器，如何选择我们需要了解CCD和CMOS图像传感器之间的区别。可能你更经常听到CMOS术语。那么，什么是CCD和CMOS图像传感器，它们有什么不同呢？

【图像传感器CCD和CMOS技术性能对比】

固体图像传感器(也称固体光电成像器件)有CCD与CMOS两种。CCD是“电荷耦合器件”(Charge Coupled Device)的简称，而CMOS是“互补金属氧化物半导体”(Complementary Metal Oxide Semiconductor)的简称。

1.信息读取方式的对比

CCD光电成像器件存贮的电荷信息，需要在二相或三相或四相时钟驱动脉冲的控制下，一位一位地实施转移后逐行顺序读取。

而CMOS光电成像器件的光学图像信息经光电转换后产生电流或电压信号，这个电信号不需要像CCD那样逐行读取，而是从CMOS晶体管开关阵列中直接读取的，可增加取像的灵活性。而CCD绝无此功能。

2.速度的对比

由上知，CCD成像器件需在二、三、四相时钟驱动脉冲的控制下，以行为单位一位一位地输出信息，所以速度较慢。

而CMOS成像器件在采集光电图像信号的同时就可取出电信号，它并能同时处理各单元的图像信息，所以速度比CCD成像器件快得多。由于CMOS成像器件的行、列电极可以被高速地驱动，再加上在同一芯片上做A/D转换，图像信号能快速地取出，因此它可在相当高的帧速下动作。如有些设计用来做机器视觉的CMOS，声称可以高达每秒1000个画面的帧速。

3.电源及耗电量的对比

由于CCD的像素由MOS电容构成，读取电荷信号时需使用电压相当大(至少12V)的二相或三相或四相时序脉冲信号，才能有效地传输电荷。因此CCD的取像系统除了要有多个电源外，其外设电路也会消耗相当大的功率。有的CCD取像系统需消耗2~5W的功率。

而CMOS光电成像器件只需使用一个单电源5V或3V，耗电量非常小，仅为CCD的1/8~1/10，有的CMOS取像系统只消耗20~50mW的功率。

4.成像质量的对比

CCD成像器件制作技术起步早，技术成熟，采用PN结或二氧化硅(sio2)隔离层隔离噪声，所以噪声低，成像质量好。

与CCD相比，CMOS的主要缺点是噪声高及灵敏度低，因为CMOS成像器件集成度高，各光电元件、电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰严重，噪声对图像质量影响很大，开始很长一段时间无法进入实用。后来，噪声的问题用有源像素(Active Pixel)设计及噪声补正线路加以降低。近年，随着CMOS电路消噪技术的不断进展，为生产高密度优质的CMOS成像器件提供了良好的条件。已有厂商声称，所开发出的技术，成像质量已不比CCD差。

CMOS成像器件的灵敏度低，是因为像素部分面积被用来制作放大器等线路。在固定的芯片面积上，除非采用更精细的制造工艺，否则为了维持相当水准的灵敏度，成像器件的分辨率不能做得太高(反过来说，固定分辩率的传感器，芯片尺寸无法做得太小)。但目前，利用0.18μm 制造技术己开发出了4096×4096超高分辨率的CMOS图像传感器。

总结:

什么是CCD成像传感器？

CCD代表电荷耦合器件。它是数字和机器视觉相机中用于捕捉静止和移动物体的一种传感器。 CCD传感器捕捉光线，并将其转换为数字数据以转换成图像。在CMOS图像传感器引入之前，CCD传感器被工业机器视觉系统广泛用于质量检查，检查和控制。

什么是CMOS成像传感器？

CMOS代表互补金属氧化物半导体，这是一种为集成电路供电的技术。 CMOS技术为当今的许多电子设备提供动力，包括电池，微处理器，数字和智能手机相机。与CCD传感器不同，CMOS传感器不需要特殊的制造技术。

CCD和CMOS图像传感器的区别

与较新的CMOS传感器不同，CCD传感器需要特殊的制造，而这通常更昂贵。因此，CCD传感器通常具有非常高的质量和光敏感性，能够以较低的噪音提供清晰的图像。

CMOS传感器制造和使用大多数微处理器使用的传统制造技术便宜。他们也被认为是更好的能源效率。根据Jacob Fraden的“现代传感器手册”，CCD传感器可以消耗高达100倍的相对CMOS图像传感器的功率。

简而言之，您很可能会找到一款配备CCD成像传感器的相机，其中光敏度是一个重要的因素，或者高质量，高分辨率的图像使所有的差异。

区分 CCD与CMOS图像传感器

由于其功率效率和成本效益，目前大多数生产环境使用CMOS传感器驱动的机器视觉相机。随着时间的推移，技术也在不断发展，CMOS图像传感器现在可以生成噪声较小的图像。 CMOS传感器上的每个像素都有自己的C2V（电荷 - 电压）转换，因此每个电荷都以数字方式输出。正因为如此，CMOS传感器在处理速度和功率效率方面远远超过。

CCD传感器具有有限数量的节点来转换传感器上的每个像素电荷。这会导致处理速度变慢。但是，由于所有的像素都可以用于CCD结构上的光线捕捉，因此整体输出更加清晰明亮。

对于机器视觉而言，重要的KPI指处理速度和图像噪声。 CMOS传感器允许每个像素进行数字转换，从而带宽更低。或者，高速CCD传感器不像高速CMOS成像器那样大规模并行。结果，每个CCD放大器具有更高的带宽，导致产生的图像上更大的噪声。这就是为什么大多数工业应用都使用最新的CMOS传感器，这种传感器可以被设计成产生噪声少得多的图像。

CMOS传感器和GigE Vision

由于机器视觉和自动化高度依赖于速度，EMVA引入了符合成像系统的机器视觉标准，以确保使用最新技术加快处理速度。 GigE Vision是机器视觉系统的最新标准，可确保在极高速度下实现最佳成像。

然而，CMOS图像传感器已经进一步遵从10 GigE机器视觉技术。 10 GigE Vision是最先进的通信协议，比前一代处理速度高出十倍。各种CMOS传感器已被用于制造10 GigE机器视觉系统，包括最新的Sony Pregius CMOS图像传感器

结合CMOS成像器的低噪声，高速度和高功效性能，10 GigE机器视觉系统是旨在满足超高速和快速移动环境中的成像要求的性能强大的设备。

虽然CCD图像传感器在市场上已经有了更长的时间，而且成熟得多，但CMOS传感器快速发展使其成为现代工业机器视觉的首选。

CMOS传感器的应用范围也越来越广泛，包括手机、数码相机、视频会议、电脑摄像头、智能型安保系统、汽车倒车视像雷达等。拿工业生产来讲，红外图像传感器正在成为许多生产流程中的关键部分。随着红外图像传感器成本的降低以及各类新技术的诞生，采用了新架构和新算法的传感器在工业生产中发挥的作用越来越大，既能节约成本，又能实现自动化。

近年来对于CMOS图像传感器大的拉动，莫过于智能手机的普及。随着CMOS图像传感器技术的进步，包括背照式、堆栈式等技术的兴起，以及双摄像头设计陆续出现并成为智能手机的新卖点。

今后，CMOS图像传感器的市场销售额有望进一步增长。从产品的技术发展趋势来看，无论是CCD还是CMOS，其体积小型化、智能化、高像素化仍是业界积极研发的目标。将图像传感器激光雷达组合来提供解决方案，有望赢得更多汽车厂商的青睐。

相机视觉系统中，最重要的莫过于将检测目标的光学图像，聚焦于获得所有图像信息的处理与分析。无论是CCD还是CMOS图像传感器，作为视觉系统中光电转换的核心部件，镜头的质量直接决定着视觉系统的整体性能，因此，选择合适的镜头、设计成像光路是做好视觉系统的重要环节之一。

图像传感器科普

来源：驭势资本

1873年，科学家约瑟·美(Joseph May)及伟洛比·史密夫(WilloughbySmith)就发现了硒元素结晶体感光后能产生电流，由此，电子影像发展开始，随着技术演进，图像传感器性能逐步提升。

1.20世纪50年代——光学倍增管(Photo Multiplier Tube，简称PMT)出现。

2.1965年-1970年，IBM、Fairchild等企业开发光电以及双极二极管阵列。

3.1970年，CCD图像传感器在Bell实验室发明，依靠其高量子效率、高灵敏度、低暗电流、高一致性、低噪音等性能，成为图像传感器市场的主导。

4.90年代末，步入CMOS时代。

图像传感器的历史沿革——PMT

1.光电倍增管（简称光电倍增管或PMT），真空光电管的一种。工作原理是：由光电效应引起，在PMT入射窗处撞击光电阴极的光子产生电子，然后由高压场加速，并在二次加工过程中在倍增电极链中倍增发射。

2.光电倍增管是一种极其灵敏的光检测器，可探测电磁波谱紫外，可见和近红外范围内光源，提供与光强度成比例的电流输出，广泛应用于验血，医学成像，电影胶片扫描（电视电影），雷达干扰和高端图像扫描仪鼓扫描仪中。

图像传感器的历史沿革——CCD

1.数字成像始于1969年，由Willard Boyle和George E. Smith于AT＆T贝尔实验室发明。

2.最初致力于内存→“充电'气泡'设备”，可以被用作移位寄存器和区域成像设备。

3.CCD是电子设备，CCD在硅芯片（IC）中进行光信号与电信号之间的转换，从而实现数字化，并存储为计算机上的图像文件。

4.2009年， Willard Boyle和George E. Smith获得诺贝尔物理学奖。

国际空间站使用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.美国宇航局局长丹尼尔戈尔丁称赞CCD相机“更快，更好，更便宜”；声称在未来的航天器上减少质量，功率，成本，都需要小型化相机。而电子集成便是小型化的良好途径，而基于MOS的图像传感器便拥有无源像素和有源像素（3T）的配置。

图像传感器的历史沿革——CMOS图像传感器

1.CMOS图像传感器使得“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重大突破。

3.芯片相机的崛起为多个领域（车载，军工航天、医疗、工业制造、移动摄影、安防）等领域的技术创新提供了新机遇。

CMOS图像传感器走向商业化

1.1995年2月，Photobit公司成立，将CMOS图像传感器技术实现商业化。

2.1995-2001年间，Photobit增长到约135人，主要包括：私营企业自筹资金的定制设计合同、SBIR计划的重要支持（NASA/DoD）、战略业务合作伙伴的投资，这期间共提交了100多项新专利申请。

3.CMOS图像传感器经商业化后，发展迅猛，应用前景广阔，逐步取代CCD成为新潮流。

CMOS图像传感器的广泛应用

2001年11月，Photobit被美光科技公司收购并获得许可回归加州理工学院。与此同时，到2001年，已有数十家竞争对手崭露头角，例如Toshiba，STMicro，Omnivision，CMOS图像传感器业务部分归功于早期的努力促进技术成果转化。后来，索尼和三星分别成为了现在全球市场排名第一，第二。后来，Micron剥离了Aptina，Aptina被ON Semi收购，目前排名第4。CMOS传感器逐渐成为摄影领域主流，并广泛应用于多种场合。

CMOS图像传感器发展历程

70年代：Fairchild

80年代：Hitachi

80年代初期：Sony

1971年：发明FDA&CDS技术

80年中叶：在消费市场上实现重大突破；

1990年：NHK/Olympus,放大MOS成像仪(AMI)，即CIS

1993年：JPL,CMOS有源像素传感器，

1998年：单芯片相机，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（CIS）是模拟电路和数字电路的集成。主要由四个组件构成：微透镜、彩色滤光片（CF）、光电二极管（PD）、像素设计。

1.微透镜：具有球形表面和网状透镜；光通过微透镜时，CIS的非活性部分负责将光收集起来并将其聚焦到彩色滤光片。

2.彩色滤光片（CF）：拆分反射光中的红、绿、蓝（RGB）成分，并通过感光元件形成拜尔阵列滤镜。

3.光电二极管（PD）：作为光电转换器件，捕捉光并转换成电流；一般采用PIN二极管或PN结器件制成。

4.像素设计：通过CIS上装配的有源像素传感器(APS)实现。APS常由3至6个晶体管构成，可从大型电容阵列中获得或缓冲像素，并在像素内部将光电流转换成电压，具有较完美的灵敏度水平和的噪声指标。

Bayer阵列滤镜与像素

1.感光元件上的每个方块代表一个像素块，上方附着着一层彩色滤光片（CF），CF拆分完反射光中的RGB成分后，通过感光元件形成拜尔阵列滤镜。经典的Bayer阵列是以2x2共四格分散RGB的方式成像，Quad Bayer阵列扩大到了4x4，并且以2x2的方式将RGB相邻排列。

2.像素，即亮光或暗光条件下的像素点数量，是数码显示的基本单位，其实质是一个抽象的取样，我们用彩色方块来表示。

3.图示像素用R（红）G（绿）B（蓝）三原色填充，每个小像素块的长度指的是像素尺寸，图示尺寸为0.8μm。

Bayer阵列滤镜与像素

滤镜上每个小方块与感光元件的像素块对应，也就是在每个像素前覆盖了一个特定的颜色滤镜。比如红色滤镜块，只允许红色光线投到感光元件上，那么对应的这个像素块就只反映红色光线的信息。随后还需要后期色彩还原去猜色，最后形成一张完整的彩色照片。感光元件→Bayer滤镜→色彩还原，这一整套流程，就叫做Bayer阵列。

前照式（FSI）与背照式（BSI）

早期的CIS采用的是前面照度技术FSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED），拜尔阵列滤镜与光电二极管（PD）间夹杂着金属（铝，铜）区，大量金属连线的存在对进入传感器表面的光线存在较大的干扰，阻碍了相当一部分光线进入到下一层的光电二极管（PD），信噪比较低。技术改进后，在背面照度技术BSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED）的结构下，金属（铝，铜）区转移到光电二极管（PD）的背面，意味着经拜尔阵列滤镜收集的光线不再众多金属连线阻挡，光线得以直接进入光电二极管；BSI不仅可大幅度提高信噪比，且可配合更复杂、更大规模电路来提升传感器读取速度。

CIS参数——帧率

帧率（Frame rate）：以帧为单位的位图图像连续出现在显示器上的频率，即每秒能显示多少张图片。而想要实现高像素CIS的设计，很重要的一点就是Analog电路设计，像素上去了，没有匹配的高速读出和处理电路，便无办法以高帧率输出出来。

索尼早于2007年chuan'gan发布了首款Exmor传感器。Exmor传感器在每列像素下方布有独立的ADC模数转换器，这意味着在CIS芯片上即可完成模数转换，有效减少了噪声，大大提高了读取速度，也简化了PCB设计。

CMOS图像传感器的应用

CMOS图像传感器全球市场规模

2017年为CMOS图像传感器高增长点，同比增长达到20%。2018年，全球CIS市场规模155亿美元，预计2019年同比增长10%，达到170亿美元。

目前，CIS市场正处于稳定增长期，预计2024年市场逐渐饱和，市场规模达到240亿美元。

CIS应用——车载领域

1.车载领域的CIS应用包括：后视摄像(RVC)，全方位视图系统(SVS)，摄像机监控系统（CMS），FV/MV，DMS/IMS系统。

2.汽车图像传感器全球销量呈逐年增长趋势。

3.后视摄像(RVC)是销量主力军，呈稳定增长趋势，2016年全球销量为5100万台，2018年为6000万台，2019年预计达到6500万台。

4.FV/MV全球销量增长迅速，2016年为1000万台，2018年为3000万台，此后，预计FV/MV将依旧保持迅速增长趋势，预计2019年销量可达4000万台，2021可达7500万台，直逼RVC全球销量。

车载领域——HDR技术方法

1.HDR解决方案，即高动态范围成像，是用来实现比普通数位图像技术更大曝光动态范围。

2.时间复用。相同的像素阵列通过使用多个卷帘（交错HDR）来描绘多个边框。好处：HDR方案是与传统传感器兼容的最简单的像素技术。缺点：不同时间发生的捕获导致产生运动伪影。

3.空间复用。单个像素阵列帧被分解为多个，通过不同的方法捕获：1.像素或行级别的独立曝光控制。优点：单帧中的运动伪影比交错的运动伪影少。缺点：分辨率损失，且运动伪影仍然存在边缘。2.每个像素共用同一微透镜的多个光电二极管。优点：在单个多捕获帧中没有运动伪影；缺点：从等效像素区域降低灵敏度。

4.非常大的全井产能。

车载领域——闪变抑制技术

1.多个集成周期（时间多路传输）。在每个整合期内对光电二极管充电进行多次进行采样，样品光电二极管比LED源频率更高。

2.多个光电二极管（空间多路复用）。使用较大的光电二极管捕捉较低的轻松的场景；使用较小的不灵敏光电二极管在整个帧时间内集成（减轻LED闪烁）。

3.每个像素由两个光电二极管构成。其中包含一个大的灵敏光电二极管和一个小的不灵敏光电二极管，小型不灵敏光电二极管可在整帧中合并，从而减轻LED闪烁。优势在于有出色的闪变抑制、计算复杂度低；劣势在于更大更复杂的像素架构、更复杂的读数和电路定时、大型光电二极管和小型光电二极管和之间的光谱灵敏度不匹配。

车载领域——阵列摄像机

1.阵列摄像机是一种新兴的摄像机技术，是指红外灯的内核为LED IR Array的高效长寿的红外夜视设备，可能是可行的LED检测解决方案。

2.用于LED检测的低灵敏度摄像头可以实现图像融合的组合输出，并能够实现单独输出，或同时输出。主要优势在于亮度高、体积小、寿命长，效率高，光线匀。

3.目前，阵列摄像机还面临着诸多挑战。首先，汽车光学对准误差难以保持温度范围；其次，图像融合面向应用和复杂的计算；最后，高灵敏度和低灵敏度图像之间难以融合.

车载领域——机器视觉传感器技术趋势

全局快门。CMOS传感器有两种快门方式，卷帘快门和全局快门。卷帘快门通过对每列像素使用A/D来提高读取速度，每列像素数量可达数千。任何一个转换器数字化的像素总数显著减少，从而缩短了读取时间，提高了帧速率。但整个传感器阵列仍必须转换为一个一次排，这导致每行读出之间的时间延迟很小。和机械式焦平面快门一样，卷帘快门对高速运动的物体会产生明显的变形。而且因为其扫描速度比机械式焦平面快门慢，变形会更加明显；全局快门则大大改善了应用于高度运动对象时的变形问题。

改进的近红外（NIR）响应、高灵敏度滤色片阵列（RCCB）、数据加密处理、更高的帧速率、集成传感和处理、3D成像。

CIS应用——手机领域

尽管2019智能手机销量低迷，手机图像传感器的销售也可实现约20％的增长。

随着多镜头相机变得越来越普及，以及传感器尺寸的增加。未来所有智能手机制造商都会发布具有比以往更具价值的传感器型号。

手机领域——手机摄像头发展史

主摄像头：第一部拍照手机——智能手机——双摄/多摄：2000年，夏普首次推出可拍照的手机；随后智能手机时代到来，主摄像头素质不断提升；目前，双摄/多摄已成为主流。

前置摄像头：自拍——3D-sensing：前置摄像头素质同步提升，目前越来越多厂商加入人脸识别功能。

手机领域——手机摄像模组

摄像模组构成:

CMOS——决定照片质量的关键因素

手机领域——主摄像素升级

手机领域——CMOS迭代升级

1.随着技术的发展，越来越多的手机开始注重拍照的硬件升级。摄像头和CMOS成为了产品突出差异性的卖点之一。抛开镜头差异，成像质量与CMOS大小成正比，主摄像素提升推动CMOS迭代升级。

2.随着技术的发展，手机的CMOS也在日益增大，1/1.7英寸级的CMOS如今成为手机摄像头传感器的新选择。而更多手机也用上了1/2.3英寸级的传感器。

3.作为手机CMOS最大的上游供应商，也研发出了堆栈结构的CMOS。它在传统的感光层与底部电路之间增加了一层DRAM动态存储器，从而让感光元件具备短时间拍摄大数据量影像的能力。

手机领域——光学变焦趋势

手机摄像头过去以像素升级为主；受CMOS尺寸限制，手机摄像开始注重变焦能力。

变焦有光学变焦与数码变焦两种。光学变焦通过光学原理调整焦距，成像画质无损。数码变焦就是通过软件算法来放大/缩小，通过插值计算，成像有损，有较多噪点。

为了进一步提升手机成像素质，注重变焦能力；而传统专业相机的光学系统无法移植到手机上。手机变焦往往会采用“双摄变焦”，采用两个定焦镜头，利用其物理焦距的不同，实现变焦效果；显然，单摄已经无法满足对光学变焦的需求了。

手机领域——第四个摄像头：3D-sensing

目前主流的3D深度摄像主流有两种种方案：结构光、TOF。iPhone采用前者，华为采用后置。

结构光（Structured Light）：结构光投射特定的光信息到物体表面后，由摄像头采集。根据物体造成的光信号的变化来计算物体的位置和深度等信息，进而复原整个三维空间。

TOF（Time Of Flight）：TOF系统是一种光雷达系统，可从发射极向对象发射光脉冲，接收器则可通过计算光脉冲从发射器到对象，再以像素格式返回到接收器的运行时间来确定被测量对象的距离。

手机领域——手机摄像模组数量

单只手机摄像模组需求量增加

从传统的单摄，到双摄市场渗透率逐渐成为市场主流，再到三摄、全隐藏式摄像头、3D摄像头的创新式开拓，单只手机摄像模组的需求看涨。

iPhone X、小米8、OPPO FIND X、三星Galaxy S9 单只摄像模组需求量均为4,；此外，华为P20 Pro和Mate20 Pro均配备5组摄像模组。

手机领域——多摄带动CMOS用量提升

根据Yole的统计显示，平均每部智能手机CMOS图像传感器数量在2024年将达到3.4个，年复合增长率达到6.2%。

手机摄像头数量增加，CIS出货量成倍增长。为了提高照相画质，手机引入了双摄、甚至三摄、四摄。

安防领域——视频监视技术发展历程

闭路电视监控系统发展历程：录像带录像机（VCR）→数字视频录像机（DVR）→网络视频录像机（NVR）。视频监控系统越来越复杂，性能也不断升级。

安防领域——当前监控摄像机类型

高清摄像头中使用的图像传感器对分辨率的要求较高，在60帧/秒等高帧率下能够实现720P或1080P的清晰度。

宽动态范围摄像机的芯片上集成宽动态范围摄像技术以及图像处理技术，能在极暗和极亮环境下拍摄。

3D立体摄像级具有在动态光环境中保持追踪精度的能力，可与视频分析技术配合使用。

安防领域——红外线摄像技术

红外线摄像技术分为被动和主动两种类型。

被动型：拍摄对象自身发射红外光被摄像机接受以成像。这类设备昂贵并且对周围环境不能良好反映，所以在夜视系统中基本不采用。

主动型：配置有红外灯主动向外发射红外辐射，使红外摄像机接收反射回来的红外光，增强夜视能力。目前红外摄像机基本都配置LED红外发光二级管。

主动型红外摄像机包含摄像机、防护罩、红外灯、供电散热单元。它贴切的名称为红外线增强摄像机。感光元件的频谱足够宽时能对红外线到可见光的连续谱产生感应，形成包括红外线在内的光敏感。在普通可见光强下，宽范围感光元件增加了红外频段，在弱光条件下，也能获得清楚的图像。

安防领域——红外光成像

红外线摄影术以成像为目标。伴随着电子与化学科技的进展，红外线摄像技术逐渐演化出三个方向。

1.近红外线底片：感应范围为波长700nm～900nm。在成像乳剂中加入特殊染料，利用光化学反应，使这一波域的光变化转为化学变化从而形成影像。

2.近红外线电子感光材料：感应范围为波长700nm～2,000nm。利用含硅化合物晶体的光电反应形成电子信号，进过进一步处产生影像。

3.中、远红外线线感应材料：感应范围为波长3,000nm～14,000nm。需要使用冷却技术和特殊的光学感应器，加工处理形成电子影像。

安防领域——全球市场规模

全球红外摄像机设备市场规模在2017年近30亿美元，其中商用摄像机市场规模20亿美元，军用摄像机市场规模10亿美元。预计2016-2022年商用领域红外摄像机市场规模年均复合增长率为5.6%，军用领域的年均复合增长率为 8.8%。2022年市场总规模将近43亿美元。

全球安防摄像机市场销量在2015年约28万件，其中监视摄像机约8万件，安保系统摄像机约20万个。预计到2021年安防摄像机市场销量约64万件，其中监视摄像机约22万件，年均复合增长率为18%，安保系统摄像机约42万个，年均复合增长率约13%。

图像传感器应用——医疗影像

与其他具有更高产量和更高成本敏感性的市场相比，图像传感器在医疗影像市场应用有其鲜明的特点：其封装步骤通常由设备制造商控制。

图像传感器技术正逐渐在行业中创造颠覆性力量，从2014年开始，市场发展迅速，行业竞争加剧：韩国和中国出现更多新参与者，成为现有大型企业的潜在障碍，行业完全整合的可能性降低。

图像传感器在医疗影像市场具有多元应用场景：X-ray、内窥镜、分子成像、光学相干断层扫描以及超声成像。

医疗影像——市场规模

医疗成像设备行业是一个巨大的350亿美元的市场，2016-2022年预计复合年增长率达5.5％。

2016年，医疗传感器市场规模3.5亿美元，预计2016-2022年复合增长率8.3％，到2022年将达6亿美元。

根据应用技术不同，医疗图像传感器可分为CCD， CIS，a-Si FPD（非晶硅薄膜晶体管平面探测器），a-Se FPD（非晶硒薄膜晶体管平板探测器），SiPM（硅光电倍增管）、cMUT（电容微机械超声换能器）和pMUT（压电微机械超声换能器）。

医疗影像——市场规模

CMOS传感器凭借其在通过更小的像素尺寸获得更高分辨率、降低噪声水平和暗电流以及低成本方面的优越性在医疗影像领域得到越来越广泛的应用，未来市场看涨。

CCD市场保持稳定。医用a-Si FPD因其简单性和大面板内置能力仍应用广泛；SiPM专用于分子成像；cMUT用于超声成像，可提供更高分辨率，更高速度和实时3D成像。

医疗影像——产业链

目前，CMOS图像传感器主要应用于X-Ray以及内窥镜领域。

CIS医疗影像应用——X-Ray

X射线成像的第一次应用是在医疗领域，由Wilhelm于1895年完成。如今，X射线成像技术应用已拓展到工业无损检测（NDT）以及安全领域。但医疗市场仍是X-Ray射线成像的主力应用场景。

X-Ray探测设备市场规模

2018年X射线探测设备市场价值20亿美元，预计2018-2024年复合年增长率5.9％，2024年达到28亿美元。

2018年，医疗领域市值达14.8亿美元，占比约74%，预计2017-2024年复合增长率4.5%，2024年市值达19亿美元。

目前，X射线成像几乎完全基于半导体技术。使用非晶硅（aSi）和CMOS的平板探测器占据了市场的最大份额，其次是硅光电二极管阵列探测器。预计铟镓锌氧化物（IGZO）平板将于2021年进入市场，直接与aSi和CMOS竞争，但CMOS仍然是主流应用。

2018年，以CMOS X-Ray成像设备市场收入2.45亿美元，预计2024年将增长到5.1亿美元，年复合增长率13%。

CIS医疗市场应用——内窥镜

内窥镜检查不但能以最少的伤害，达成观察人体内部器官的目的，也能切取组织样本以供切片检查，或取出体内的异物。二十世纪末微创手术的发展进一步促进了内窥镜的应用。

普通电子内窥镜：将微型图像传感器在内窥镜顶部代替光学镜头，通过电缆或光纤传输图像信息。电子内窥镜与光纤内窥镜类似，有角度调节旋钮、充气及冲水孔、钳道孔、吸引孔和活检孔等。

CMOS电子内窥镜：照明光源通过滤色片，变成单色光，单色光通过导光纤维直达电子内窥镜前部，再通过照明镜头照在受检体的器官粘膜。器官粘膜反射光信号至非球面镜头，形成受检部位的光图像，CMOS图像传感器接收光图像，将其转换成电信号，再由信号线传至视频处理系统，经过去噪、储存和再生，显示在监控屏幕上。CMOS电子内窥镜可得到高清晰度图像，无视野黑点弊端，易于获得病变观察区信息。

CIS模块的小型化是其应用于医疗设备的关键，特别是对于较小的柔性视频内窥镜。如喉镜，支气管镜，关节镜，膀胱镜，尿道镜和宫腔镜。

小直径视频内窥镜发展历程

背面照明（BSI）技术成功地提高了CIS模块的灵敏度，使得更小像素成为可能。

新开发的图像传感器封装（如硅通孔（TSV）技术）可最大限度地减少CIS模块所需的占位面积。

微电子器件微装配的进步也促进了CIS的小型化。

索尼图像传感器发展历程

发展CIS以来，索尼相继开发出背照式CIS，推出2层/3层堆叠技术，从数码相机市场切入手机传感器市场，抢占市场份额。

索尼图像传感器

索尼将CCD推向世界后，一直在不断创新图像传感器。索尼公司正在推动小型高性能图像传感器的进一步发展：高灵敏度背光CMOS图像传感器和堆叠式CMOS图像传感器。索尼的图像传感器有助于提高全球数码相机的吸引力。索尼图像传感器应用在相机，移动终端，自动驾驶，安防，工业领域等多个领域。

索尼Exmor——柱并联A/D转换电路

Exmor是索尼2007年推出的一项新技术，用于片上模拟到数字信号转换，即由传统的外置ADC升级为内置ADC。

外置ADC传感器传输数据时，每列像素产生的信号先通过降噪电路，汇聚后再通过外部总线传输到单个或数个ADC之中。而Exmor每列像素都内置一个ADC，数量多，且可在低频下运行，可有效减少噪声，并实现高速提取。此外，内置ADC使得Exmor输出的数字信号，抗干扰性强，更易于长距离布线。IMX035是此系列推出的首款产品。

索尼Exmor R——背照式CIS

2008年，索尼推出Exmor R系列，采用BIS（背照式）设计，是第一款推出该技术的传感器。FIS（FRONT-SIDE ILLUMINATED，前照式）结构下，Bayer阵列滤镜与光电二极管（Photo-diode）之间存在大量金属连线，阻隔了大量光线进入感光层。而在BIS结构下，金属连线被转移到光电二极管（Photodiode）的背面，光线不再被阻挡，信噪比大幅度提高，而且可以采用更复杂、更大规模电路来提升传感器读取速度。

索尼Exmor RS——CIS堆栈技术

二堆叠：2012年，索尼推出Exmor RS系列，该系列采用堆叠式结构（Stacked Structure）。BIS结构下，Bayer阵列周围依然存在大量电路，而此堆叠式结构通过TSV（Through Silicon Via,硅通孔）技术连接到另一张芯片，实现将信号处理电路叠放于像素区下方。

三堆叠：2017年2月，索尼宣布推出业内首个配备DRAM的三层堆叠式CIS，可在失真度最小化的情况下高速读取静态图片，支持在全高清模式下拍摄帧率最大为1000fps的慢动作视频。新款CIS在传统两层堆叠结构中间新加入DRAM层，用于缓存、读取、处理图像信息；此外，为了实现高速读取，用于将模拟视频信号从像素转换为数字信号的电路已经从2层结构倍增到4层结构。

索尼——相机端CIS

SLVS-EC是索尼与2018年开发的串行总线，单个通道带宽较高。但IMX410未采用堆栈技术，像素也不高。索尼半导体再没有提供高像素的全幅CIS，甚至取消了36MP的IMX-094，鉴于Z7、S1R存在，索尼半导体高像素全幅CIS可能改为定制提供。

索尼——相机端CIS应用

介质格式传统上指静物摄影中的胶片格式以及使用胶片的相关照相机和设备。包括6x4.5厘米（有时介质格式称为“64格式”），6x6、6x7、6x8、6x12、6x17cm…在数字摄影中，介质格式是指根据介质格式胶片摄影使用而改编的照相机，或者是指使用大于35mm胶片框的传感器的照相机。此外，我们还发布了3.4（44x33毫米）和4.2（53x40毫米）型图像传感器，像素为100M或150M。

360度高质量成像主要产品为IMX533，9M像素，像素尺寸为3.76μm。

索尼——移动端CIS

HDR解决方案有时间多路传输交错HDR方案及空间多路复用交错HDR方案。当不同的捕获时刻对象处于不同的位置时，时间复用交错HDR方案首次了解由于场景中的运动而产生的运动伪影（重影）。图像伪影的存在是因为每个捕获对象的分辨率的降低。而具有拆分像素（多个像素，每个像素即光电二极管分享同样的东西）可以减轻伪影的影响。