2021年03月19日 | CMOS传感器如何在像素和尺寸上取得突破进展

2021-03-19 来源：EEWORLD

多年来，电荷耦合器件(CCD)一直是数字成像的主导技术，在灵敏度、速度和可靠性方面都具有卓越优点。然而，随着制造工艺改进，基于CMOS的技术已超过了CCD。索尼注意到了这一趋势。自2015年开始以后的十年，他们决定停止CCD开发的进程。

自柯达早期的像素内电荷转移CMOS图像传感器以来，CMOS图像传感器已经取得了长足的进步。近日，柯达的CMOS图像传感器获得了技术与工程艾美奖。

Decades of breakthrough technologies by Kodak paved the way for current CMOS-based image sensors

柯达数十年的突破性技术为目前基于CMOS的图像传感器铺平了道路。

作为该领域加速创新的证明，索尼和OmniVision分别针对不同的市场:工业成像和医疗成像都发布了全新的CMOS图像传感器。

Diagram of a CMOS-based image sensor

一个基于CMOS图像传感器的示意图，由一个光敏芯片组成，用导线连接到一个IC封装里。

对这些新设备进行评估，可以为了解数字成像的方向以及随后对使用CMOS图像传感器的工程师的影响提供一个窗口。

用于工业成像的索尼高分辨率图像传感器

索尼近期发布了一款大画幅CMOS图像传感器IMX661，号称拥有“行业最高的有效像素”，达到1.28亿像素。该产品的特点是增加了像素数，使光学尺寸比工业设备常用 C 卡口对应的普通 1.1 英寸图像传感器大了近 10 倍，并采用了索尼独创的全局快门像素技术 “PregiusTM”，可拍摄无运动失真的图像。此外，采用索尼独创的设备配置和接口技术，可实现高速图像读取数据，读取速度比前代产品快了近 4 倍。对于从事工业成像的工程师来说，这个数字究竟意味着什么?

在不影响分辨率的情况下扩大模具尺寸

在像素大小敏感度(传感器的单个活动元素)和相对于模具尺寸的分辨率之间是一个反比关系。其结果被称为图像格式。

光学安装的流行标准被称为C-mount，使用1.1英寸的格式传感器，这似乎不适合IMX661的3.6型封装。索尼似乎将其最新设备作为c -mount式光学的替代产品进行宣传，但其图像分辨率要高得多。

全局快门受热捧

IMX661传感器采用索尼专有技术“Pregius”提供全球快门。与卷帘式快门不同，全球快门允许传感器捕捉高速物体的未失真图像。

Global shutter

全局快门是一种对抗相对于像素柱移动的物体图像失真的特性。

当进入处理单元的读出仍然是连续的，光敏元件在一个全局快门中被均匀地暴露，确保场景在时间上被采样为单个帧。

提高ADC转换分辨率

进入处理单元的读出仍然是连续的，光敏元件在一个全局快门中均匀地曝光，确保一个场景被采样为一个单一的时间帧。

改进ADC转换分辨率的能力为固定摄像机和移动摄像机(如汽车摄像机)的应用提供了大量设计可变性。

OmniVision的医疗级传感器减少了侵入性诊断

当索尼在光学方面野心勃勃，OmniVision也在缩小其医疗级传感器系列之间的差距，同时在光学格式、分辨率和电力需求方面保持高标准。

破纪录的传感器尺寸

OmniVision推出最新CMOS图像传感器OHOTA10，OmniVision声称，他们已经打破了自己的吉尼斯世界纪录，拥有“世界上最小的商业图像传感器”。新OHOTA10将上一代OV6948的大小从575 μm2减少到550 μm2。

OH01A采用PureCel-S堆叠芯片架构，满足下一代一次性和可重复用内窥镜和导管的需求，包括小尺寸、高分辨率和具成本效益等。OH01A是世界首款在2.5 x 1.5mm封装尺寸中提供1280x800分辨率和每秒60帧帧率的医疗图像传感器。

OH01A的这些特性使它成为许多诊断内窥镜手术的理想图像解决方案，包括气道管理（食管镜检查、喉镜、胸腔镜、胸膜镜、支气管镜、纵隔镜）以及泌尿外科（宫内肾镜）应用等。“由于导管需进入人体内进行诊断，医生需要更小的、具更高分辨率和最佳图像质量的图像传感器。”OmniVision首席市场营销发展经理Tehzeeb Gunja表示，“同时，他们还需要宽广的视觉角度和近焦点距离，以及低功耗以减少热量，提升患者舒适度。OH01A图像传感器满足以上所有需求。”

OH01A拥有1/11-英寸光学尺寸，1.1微米像素和原始数据输出。它提供1280 x 800分辨率，也可调整至720p高清显示（16：9宽高比）或800 x 800方形显示。两个模式都以每秒帧速60运行，图像清晰无抖动。该传感器的PureCel-S堆叠像素架构可提供最高质量的图像，同时提升了感光度、全井容量，无光晕和低色串扰。

OH01A图像传感器也适用于立体显示应用，两个OH01A可同步运行为手术过程提供3D图像。功耗也比上一代医疗图像传感器降低25%，使内窥镜尖端温度更低，让病人更舒适。在一个小型模块中，32度的高主光线角度可以提供更宽的视觉范围，从而可使用更短的硬质内窥镜尖端，使弯曲半径更紧密。

为微创探针而设计

OmniVision预计，这种新的光学套件将为设计人员打开大门，为诊断应用创造更小的微创探针。

Yole Développement成像技术和市场分析师Chenmeijing Liang表示:“这些最先进的CIS (CMOS图像传感器)技术正在满足当今关键的内窥镜需求，以更高的图像质量和更好的对比度支持医生的诊断过程或手术过程，同时增加患者的舒适度。”

OmniVision new image sensor

“它们还允许在不改变图像分辨率的情况下，对神经系统、耳鼻喉科或儿科应用的侵入性较小的成像技术。”

提高分辨率，降低功耗

此外，尽管封装尺寸减小了，但42%的像素缩小使得光学分辨率增加了两倍。

然而，对于设计这些系统的工程师来说，最欣慰的改进是功耗的提高，从25mw提高到20mw，光学格式也从1/36 "降低到1/31 "，这使得封装尺寸更小了。

基于CMOS技术提供了卓越的抗噪性和动态范围，因为它们集成了放大器并在像素列将模拟信号转换为数字信号。

基于CMOS的图像传感器花了几十年的时间才取代CCD成为主要的光学传感器。然而，随着光学晶片制造工艺的改进和像素尺寸的减小，CMOS已经成为当今主流技术。

CMOS

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