CMOS傳感器技術(shù)的發(fā)展
傳感器制造設(shè)計與方法
Ø背光照明與前光照明
Ø增大傳感器尺寸,減小像素尺寸以提高分辨率
Ø使用微型鏡頭實現(xiàn)大限度的聚光
Ø采用新的相機(jī)接口類型以實現(xiàn)機(jī)械穩(wěn)定性
在過去的幾十年中,智能手機(jī)相機(jī)技術(shù)的發(fā)展一直是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 技術(shù)發(fā)展的前沿。這反過來也推動了傳感器及其制造方法的發(fā)展。在此期間,一般制造技術(shù)的發(fā)展也降低了 CMOS 傳感器的噪音,并提高了可靠性。
圖 1:背光照明像素與前光照明像素的配置。
CMOS 傳感器的結(jié)構(gòu)改變中包含一項特定的更改,即從前光照明更改為背光照明。
圖 2:使用微型鏡頭在傳感器上從更大的角度獲取盡可能多的光。
CMOS 傳感器設(shè)計的另一項重大改進(jìn)是納入微型鏡頭,以獲取盡可能多的光,從而提高傳感器的效率。
對 CMOS 的使用超越了對 CCD 的使用
經(jīng)過這些年的技術(shù)發(fā)展之后,基于多項關(guān)鍵原因,對 CMOS 傳感器的使用已超越對電荷耦合設(shè)備 (CCD) 的使用。CMOS 設(shè)備能獲取圖像,消耗的功率低于 CCD,而且制造成本更低,因此購買價格更低(大約是 CCD 的 1/10)。到 2015 年 2 月 25 日,由于 CMOS 傳感器技術(shù)的普遍使用,導(dǎo)致 Sony 宣布終止 CCD 傳感器技術(shù)的生產(chǎn)。
應(yīng)用需要更高的分辨率
隨著應(yīng)用的需求越來越高,需要更高的圖像質(zhì)量和分辨率。CMOS 制造商曾嘗試通過降低像素尺寸并提高像素數(shù)量來制造分辨率更高的傳感器。這取得了適度的成功,但是也帶來了一些問題,包括更大的傳感器噪音。為了解決該問題,制造商重新使用稍大的像素尺寸,但是使用的傳感器尺寸稍大于 1.1”。此方法提高了傳感器的分辨率,并維持了良好的信噪比 (SNR)。
圖 3:
傳感器上的像素尺寸與傳感器整體尺寸已發(fā)生變化,以適應(yīng)更高的分辨率。
隨著分辨率需求不斷升高,傳感器制造商不但在使用更大的傳感器尺寸,還在尋找新的方式在不犧牲圖像質(zhì)量的前提下降低像素尺寸。一項新傳感器示例是 Sony 的第 4 代 Pregius S 24.5 MP IMX530 CMOS,它是 4/3″ 傳感器(對角 19.3mm),像素大小為 2.74µm(比 3.45µm 小37%)。
但是,隨著像素尺寸的降低和傳感器尺寸的升高,必須對光學(xué)設(shè)計進(jìn)行重大改變,以充分運(yùn)用更高的性能。這需要成像鏡頭設(shè)計納入更多的光學(xué)組件,會導(dǎo)致成像鏡頭的體積和重量更大。這兩項限制使鏡頭設(shè)計者很難制造出接口較 C 接口更大、穩(wěn)定性與可靠性優(yōu)于消費(fèi)級 F 接口的鏡頭。
諸如
TFL和TFL-II接口等鏡頭接口類型具有緊湊的法蘭距離和較大的直徑,適用于諸如 APS-C、APS-H 及其他全畫幅傳感器。這些接口也具有螺紋,具備優(yōu)良的穩(wěn)定性,可支撐很重的鏡頭,其對齊可靠性優(yōu)于 F 接口等卡口型接口。
圖 4:
TFL 與 TFL-II 接口可容納更大的傳感器對角上限。
傳感器制造商正在發(fā)布具有*分辨率的新一代 CMOS 傳感器。Canon 120MXS CMOS 傳感器具有 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。這兩款傳感器的像素尺寸遠(yuǎn)小于行業(yè)中的典型像素尺寸。新的第 4 代 Sony Pregius 傳感器具有更小的尺寸,以及大約 1.7X 的更高成像性能。這些傳感器的像素大小已從 3.45μm 降低到 2.74μm。
圖 5:
由于應(yīng)用需要更高的分辨率,因此傳感器上的像素尺寸在減小。
由于機(jī)器視覺應(yīng)用需要更高的分辨率,因此 CMOS 制造商必須持續(xù)減小各像素的尺寸,并提高傳感器的整體尺寸,以改善圖像質(zhì)量及有效分辨率。
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