在歷史上,CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器幾乎是同時在20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的。1965年-1970年(20世紀(jì)70年代)，IBM、Fairchild等企業(yè)開發(fā)光電以及雙極二極管陣列。1970年，CCD圖像傳感器在Bell實(shí)驗(yàn)室發(fā)明，并依靠CCD圖像傳感器的高量子效率、高靈敏度、低暗電流、高一致性、低噪音，一直成為圖像傳感器市場的主導(dǎo)。

和CCD圖像傳感器相對比，CMOS圖像傳感器具有低功耗、低操作電壓、片上集成功能、低價格等優(yōu)勢，但是在CMOS圖像傳感器出現(xiàn)初期由于相對較差的性能和較大的像元尺寸，并沒有得到很好的市場，后來隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)(VLSI)和CMOS工藝水平的不斷提高，CMOS圖像傳感器逐漸開始展現(xiàn)出CCD圖像傳感器不具有的優(yōu)勢，在圖像傳感器領(lǐng)域的市場份額逐漸擴(kuò)大。CMOS圖像傳感器的發(fā)展主要有三個階段，分別是無源像素CMOS圖像傳感器(PPS，Passive Pixel Sensor)、有源像素CMOS圖像傳感器(Active Pixel Sensor)和數(shù)字像素CMOS圖像傳感器(DPS，Digital Pixel Sensor)。

在20世紀(jì)90年代初，無源像素CMOS圖像傳感器作為第一代CMOS圖像傳感器進(jìn)入市場，相對初期CMOS圖像傳感器，PPS CMOS圖像傳感器主要改善了信噪比。之后，APS CMOS圖像傳感器作為第二代CMOS圖像傳感器相繼出現(xiàn)，和PPS CMOS圖像傳感器相對比，主要改善了讀出噪聲、數(shù)據(jù)讀出速度，并在之后很長的一段時間內(nèi)，APS CMOS圖像傳感器一度CMOS圖像傳感器的研究焦點(diǎn)。在20世紀(jì)末，美國斯坦福大學(xué)提出了DPS CMOS圖像傳感器，使用像素級模數(shù)轉(zhuǎn)換器和存儲單元，將捕捉到的光信號直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出，旨在解決CCD圖像傳感器在處理動態(tài)范圍和色彩真實(shí)性上的不足，最大程度地降低信號在排列中的衰減和干擾，提升成像質(zhì)量。目前，應(yīng)用在相機(jī)的CMOS圖像傳感器主要是APS CMOS圖像傳感器和DPS CMOS圖像傳感器，相對來說，APS CMOS圖像傳感器技術(shù)相對成熟，而DPS CMOS圖像傳感器技術(shù)越來越成為研究的焦點(diǎn)。得益于超大規(guī)模集成電路技術(shù)(VLSI)和CMOS工藝水平的不斷發(fā)展，在成像應(yīng)用中，CMOS圖像傳感器的量子效率、填充因子等成像性能逐漸可以和CCD圖像傳感器相媲美，占據(jù)的市場份額逐漸擴(kuò)大，猶如如今智能手機(jī)攝像頭大多采用CMOS圖像傳感器，在水下探測、空間對地遙感等成像領(lǐng)域，CMOS圖像傳感器也有可能取代CCD圖像傳感器，進(jìn)而逐漸成為多數(shù)成像領(lǐng)域圖像傳感器的主要選擇。

在過去的十年里，CMOS圖像傳感器(CIS)技術(shù)取得了令人矚目的進(jìn)展，圖像傳感器的性能也得到了極大的改善。自從在手機(jī)中引入相機(jī)以來，CIS技術(shù)取得了巨大的商業(yè)成功。

包括科學(xué)家和市場營銷專家在內(nèi)的許多人，早在15年前就預(yù)言，CMOS圖像傳感器將完全取代CCD成像設(shè)備，就像20世紀(jì)80年代中期CCD設(shè)備取代了視頻采集管一樣。盡管CMOS在成像領(lǐng)域占有牢固的地位，但它并沒有完全取代CCD設(shè)備。

另一方面，對CMOS技術(shù)的驅(qū)動極大地提升了整個成像市場。CMOS圖像傳感器不僅創(chuàng)建了新的產(chǎn)品應(yīng)用程序，而且還提高了CCD成像設(shè)備的性能。本文介紹了CMOS圖像傳感器技術(shù)中最先進(jìn)的技術(shù)，并對未來的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

圖像傳感器的定義和用途

圖像傳感器是一種將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電子信號的電子設(shè)備。轉(zhuǎn)換的方法因圖像傳感器的類型而異

? “模擬”CCD執(zhí)行光子到電子的轉(zhuǎn)換。

? “數(shù)字”CMOS圖像傳感器(CIS)執(zhí)行光子到電壓的轉(zhuǎn)換

圖像傳感器用于數(shù)碼相機(jī)和成像設(shè)備，將相機(jī)或成像設(shè)備接收到的光線轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像。

CIS &VS CCD

今天，有兩種不同的技術(shù)用于數(shù)字圖像采集：

? 電荷耦合器件(CCD)是線性傳感器，其輸出與接收到的光子數(shù)量直接相關(guān)。

? 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS，或CMOS圖像傳感器CIS)是一種較新的并行讀出技術(shù)。

這兩種類型的成像設(shè)備都將光轉(zhuǎn)化為電子(或電荷)，隨后即可處理成電子信號。CCD的設(shè)計目的是將電荷逐個像素地移動，直到它們到達(dá)專用讀出區(qū)域放大器。CMOS圖像傳感器直接在像素上進(jìn)行放大。更高級的CIS技術(shù)提供了一個并行讀出架構(gòu)，其中每個像素都可以單獨(dú)尋址，或者作為一個組并行地讀出

CMOS傳感器的制造成本遠(yuǎn)低于CCD傳感器。由于新型圖像傳感器的價格下降，數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)變得非常便宜和普及。

CCD和CMOS架構(gòu)的存在主要區(qū)別。 每個都有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在不同的應(yīng)用中各顯其能。

現(xiàn)在和未來的CIS技術(shù)

未來CIS技術(shù)采用的路線圖受到三個限制或驅(qū)動因素的推動：

1.尺寸(3維，相機(jī)模組的X，Y和Z)

2.圖像質(zhì)量(分辨率，低光性能，對焦(AF)和穩(wěn)定性(OIS))

3.功能(慢動作影像，圖像分析，運(yùn)動控制)

BSI，3D堆疊BSI，3D混合以及3D順序集成都是影響未來CIS技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。

多年來，CIS市場的競爭格局已經(jīng)發(fā)生了很大的變化。索尼是市場、生產(chǎn)、技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。Omnivision和三星一直保持強(qiáng)勁，Galaxycore和Pixelplus這樣的新玩家也在崛起。同時，集成器件制造(IDM)模型一直是佳能和尼康的強(qiáng)大動力來源，它們都經(jīng)受住了數(shù)碼相機(jī)的緩慢發(fā)展。至于松下，它已經(jīng)與Tower Jazz成立了一家合資公司，以協(xié)助其在高端成像應(yīng)用領(lǐng)域的探索。

智能手機(jī)的應(yīng)用正處于CIS市場份額的領(lǐng)先地位，但許多其他應(yīng)用將成為CIS未來增長的一部分。許多IDM和無晶圓廠公司正在為新興的更高利潤率的成像應(yīng)用開發(fā)芯片，如汽車、安全、醫(yī)療和其他領(lǐng)域。這些應(yīng)用中出現(xiàn)了巨大的機(jī)會，推動了新興供應(yīng)商和現(xiàn)有供應(yīng)商的市場和技術(shù)工作。這些新興的機(jī)遇正在將移動成像技術(shù)推向其他增長領(lǐng)域，我們可能會看到從視覺成像到視覺感知以及其他交互式應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。