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仿真、模擬、有限元分析、多物理場……這些術語是不是早已成為每位仿真人的“日常”？大家是否知曉其背后的技術原理和演進趨勢，正深刻地改變著世界？

CMOS圖像傳感器是一種采用互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術的半導體器件，旨在將入射光轉換為數字圖像。與大多數數字攝像頭一樣，其通過半導體芯片表面的數千個光子探測器來檢測入射光。每個探測器通過將光子的能量轉換為電流來測量吸收的光子的頻率（顏色）和數量（亮度）。然后，連接在每個探測器上的晶體管將電流放大。這種類型的圖像傳感器被稱為有源像素傳感器（APS）。

由于CMOS圖像傳感器采用標準半導體制造技術制成，因此芯片通常包括信號處理、模數轉換器和片上數字邏輯。這就構成了一個完整的芯片攝像頭。該技術支持眾多成像應用，包括智能手機上的微型數字攝像頭、高清高速專業攝像機以及衛星上的地球觀測傳感器。

CMOS與CCD圖像傳感器

20世紀60年代末，兩大主導圖像傳感技術——感光耦合元件（CCD）和CMOS傳感器，幾乎同時得到開發。兩者都利用了光電效應，當光粒子[1]/光子被原子吸收并將能量傳遞給原子中的電子時，就會發生光電效應。

如果吸收了足夠的能量，原子就會發射出電子，從而在半導體材料中產生負電荷。圖像傳感器中吸收光、產生電子的區域被稱為光電二極管。光電二極管被排列成一個陣列，可以測量聚焦在其表面的光的顏色和強度。

在CCD傳感器中，來自光電二極管的電子被捕獲到一系列電容器中，然后進行放大。在CMOS傳感器中，電子被直接輸入到晶體管中，并在探測器處放大。CCD方法的最大優勢是電容器位于光電二極管后面，可為每個像素提供更大的光吸收區域。CMOS傳感器中的晶體管緊鄰光電二極管，僅留下30%的表面區域（被稱為填充因子）用于光探測。

CMOS技術是一種成熟的半導體制造工藝，因此與CCD攝像頭相比，CMOS傳感器的制造成本要低得多。最初，CCD傳感器的使用頻率更高，因為其能夠生成噪點更少、質量更高的圖像，而CMOS傳感器則在需要更節能或更低成本的解決方案時被采用。

隨著時間的推移，半導體制造技術的改進使CMOS圖像傳感器中的像素尺寸得以縮小，并且片上數字信號處理可以解決質量問題。這些改進使其圖像質量與CCD傳感器不相上下，同時保持了更低成本和更高能效的優勢。因此，到2010年代末，低功耗、高分辨率CMOS圖像傳感器成為大多數應用的首選。

如今，CCD設備主要用于需要低噪點和更高敏感度的高端應用，如攝影天文學、機器視覺系統和顯微鏡攝像頭。但是，CMOS圖像傳感器也正在進入這些應用領域。

CCD與CMOS技術比較

CMOS圖像傳感器的幾何結構

CMOS圖像傳感器由像素陣列組成，每個像素由四個光電探測器捕獲，其中一個用于紅色，一個用于藍色，兩個用于綠色。由于每個像素都是一個2x2陣列，而要過濾的顏色只有三種，因此有一種顏色須重復出現。綠色被選作了重復顏色，是因為其是人眼最敏感的顏色。這種顏色排列被稱為Bayer濾波模式，在奇數列上重復藍色和綠色，在偶數列上則是綠色和紅色。

每個光電探測器都構建在硅基板上，并包含一個用于收集光子的光電二極管和三個晶體管：列選擇器、放大器和復位晶體管。光電探測器頂部有一個彩色濾光片和一個將光聚焦到光電二極管上的微透鏡。

每個光電探測器都由硅基板、勢阱和測量入射光子的光電二極管組成。彩色濾光片和微透鏡對光進行過濾和聚焦，晶體管和總線放大并傳輸產生的電流。

該光電探測器陣列以芯片為中心，裝配在透鏡的焦平面。此外，該陣列還被用于裝配和輸出數字圖像的模擬和數字電路所包圍。

CMOS圖像傳感器的設計注意事項

CMOS圖像傳感器是一個復雜的系統，其能夠處理各種問題——從原子級的物理一直到將其封裝到設備裝配體中的機械要求。設計新型CMOS傳感器的團隊應考慮以下方面：

光子設計

光電二極管的行為對于CMOS傳感器的性能至關重要。設計人員必須考慮光子學參數，例如光學效率、量子效率、暗電流和產生的電荷等。此外，設計還必須考慮被檢測光的波長，從紅外到可見光再到紫外。

光學設計

CMOS圖像傳感器的準確性和效率取決于投影到傳感器陣列上的圖像質量。光學工程師必須開發一種優化的透鏡裝配體，以便在表面上呈現清晰、平整的投影。為了獲得更準確的傳感器響應，還應考慮從透鏡到傳感器表面空間變化的非正常入射光的影響。此外，他們還需要設計每個光電傳感器頂部的微透鏡，以向光電二極管輸送盡可能多的光，并了解入射光對傳感器的影響。

模擬與數字電路設計

有源像素傳感器的優勢之一在于，將所有必要的模擬和數字電路作為集成電路放置在與傳感器相同的芯片上，從而打造出一款芯片攝像頭。電路設計人員需要考慮功率問題，還有時序、信號完整性以及其他因素，同時在盡可能小的外形尺寸中放置盡可能多的像素。此外，他們還需要高效的模數轉換器（ADC）和芯片本身的數字圖像處理功能。

封裝

芯片設計完成后，需要對其進行保護，并為將要使用圖像的電子設備提供連接。封裝必須解決熱、應力和振動問題，同時降低成本。光學芯片通常與使用或支持攝像頭系統的其他組件一起封裝。

CMOS圖像傳感器的未來

半導體制造技術的改進對圖像傳感器功能具有直接影響。隨著特征尺寸的減小，架構師可以將更多像素放置到更小的區域中。因此，消費者最常見到的情況是，手機攝像頭的像素數不斷增加，而體積不變或更小。

采用CMOS圖像傳感器的攝像頭的速度也在不斷提高。另一個增長領域是百萬像素攝像頭在汽車應用中的普及，其能夠使駕駛員更好地了解周圍環境，并為自動駕駛系統提供信息。

專家預測，傳感器芯片上的數字圖像處理工作將進一步加強，以產生更優質的數字圖像。人們也正在研究光電二極管的不同幾何結構，從光電探測器上的紅綠藍（RGB）濾光片切換到青黃品紅（CYM）濾光片，以獲得更高的敏感度和更強的電信號。此外，業內也還在努力提升近紅外（NIR）成像中的弱光敏感度和性能。

文章來源：Ansys光電大本營

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