光学新动态 | CMOS传感器技术的发展

在过去的几十年中，移动电话与智能手机相机技术的发展一直是互补金属氧化物半导体 (CMOS) 技术发展的最前沿。这反过来也推动了传感器及其制造方法的发展。在此期间，一般制造技术的发展也降低了 CMOS 传感器的噪音，并提高了可靠性。

图 1:背光照明像素与前光照明像素的配置。

CMOS 传感器的结构改变中包含一项特定的更改，即从前光照明更改为背光照明。

图 2：使用微型镜头在传感器上从更大的角度获取尽可能多的光。

CMOS 传感器设计的另一项重大改进是纳入微型镜头，以获取尽可能多的光，从而提高传感器的效率。

经过这些年的技术发展之后，基于多项关键原因，对 CMOS 传感器的使用已超越对电荷耦合设备 (CCD) 的使用。CMOS 设备能获取图像，消耗的功率低于 CCD，而且制造成本更低，因此购买价格更低（大约是 CCD 的 1/10）。到 2015 年 2 月 25 日，由于 CMOS 传感器技术的普遍使用，导致 Sony 宣布终止 CCD 传感器技术的生产。

随着应用的需求越来越高，需要更高的图像质量和分辨率。CMOS 制造商曾尝试通过降低像素尺寸并提高像素数量来制造分辨率更高的传感器。这取得了适度的成功，但是也带来了一些问题，包括更大的传感器噪音。为了解决该问题，制造商重新使用稍大的像素尺寸，但是使用的传感器尺寸稍大于 1.1”。此方法提高了传感器的分辨率，并维持了良好的信噪比 (SNR)。

随着分辨率需求不断升高，传感器制造商不但在使用更大的传感器尺寸，还在寻找新的方式在不牺牲图像质量的前提下降低像素尺寸。一项新传感器示例是 Sony 的第 4 代 Pregius S 24.5 MP IMX530 CMOS，它是 4/3″ 传感器（对角 19.3mm），像素大小为 2.74µm（比 3.45µm 小37%）。

但是，随着像素尺寸的降低和传感器尺寸的升高，必须对光学设计进行重大改变，以充分运用更高的性能。这需要成像镜头设计纳入更多的光学组件，会导致成像镜头的体积和重量更大。这两项限制使镜头设计者很难制造出接口较 C 接口更大、稳定性与可靠性优于消费级 F 接口的镜头。

诸如 TFL和TFL-II接口等镜头接口类型具有紧凑的法兰距离和较大的直径，适用于诸如 APS-C、APS-H 及其他全画幅传感器。这些接口也具有螺纹，具备卓越的稳定性，可支撑很重的镜头，其对齐可靠性优于 F 接口等卡口型接口。

图 4：TFL 与 TFL-II 接口可容纳更大的传感器对角上限。

传感器制造商正在发布具有极高分辨率的新一代 CMOS 传感器。Canon 120MXS CMOS 传感器具有 120MP 的分辨率和 2.2μm 大小的像素，而 Canon 2U250MRXS CMOS 具有 250MP 的分辨率和 1.5μm 的像素。这两款传感器的像素尺寸远小于行业中的典型像素尺寸。新的第 4 代 Sony Pregius 传感器具有更小的尺寸，以及大约 1.7X 的更高成像性能。这些传感器的像素大小已从 3.45μm 降低到 2.74μm。

图 5： 由于应用需要更高的分辨率，因此传感器上的像素尺寸在减小。

由于机器视觉应用需要更高的分辨率，因此 CMOS 制造商必须持续减小各像素的尺寸，并提高传感器的整体尺寸，以改善图像质量及有效分辨率。