1.CCD与CMOS

图像传感器主要有两种类型：CCD和CMOS。

CCD，Charge-Coupled Device 电荷耦合器件，由许多个光敏像元按一定规律排列组成的，每个像元就是一个MOS电容器(大多为光敏二极管)，其电荷存储在每个电容器中，每个电容器的电荷按一定顺序移动从输出端输出再转换成电压检测，最后还要重建图像。优点是成像质量好，噪点低，图像分辨率容易做得比较高，灵敏度较高，全局快门；缺点是功耗大，体积大，帧率低，成本高。

CMOS图像传感器，Complementary Metal Oxide Semiconductor，简单说就是半导体图像传感器。CMOS也有类似的感光，电荷存储与转换，但其中最明显的差异是CMOS是每个像素的电荷直接转换成电压信号读出。优点是集成度高便于小型化，低功耗，低成本，便于后期处理灵活度高；缺点是制程工艺复杂，早期图像质量略差。

现如今，CCD在一些专业领域上还有应用，在普通工业，消费，车载领域上，CMOS优势明显，占据统治地位，原来CCD性能上有优势的一些点像图像质量，灵敏度高，分辨率高，全局快门，CMOS随着广泛应用多年迭代优化，已迎头赶上。时至今日提及图像传感器基本上也是CMOS图像传感器。

2.CMOS图像传感器的性能参数

对于很多产品，CMOS图像传感器是个关键器件，它涉及整个成像系统。它的难点在于它是一个交叉学科的传感器，镜头光学，CIS传感器芯片设计，ISP图像处理算法，holder结构，3A校准标定制程工艺，接口数据传输硬件等领域。它一般归影像部门或传感器部门或光学部门管，但其供电，接口，EMC，ESD这些和硬件相关。下面聊下CMOS图像传感器的性能参数：

1.尺寸：传感器的感光区域的尺寸，常见有1英寸，1/2英寸，1/2.3英寸、1/3英寸、1/4英寸等规格。尺寸越大，通常感光性能更好，信噪比更高。有句话说，底大一寸压死人。当然，底越大成本越高。

2.彩色，黑白（灰度，mono）。灰度。单色或黑白图像传感器不需使用彩色滤光片阵列来捕捉彩色图像，而是直接捕捉光的强度，不涉及颜色信息，有高透光，高灵敏度，低成本，低FPN，易实现高动态等优点，在一些不需要色彩信息的应用场景如机器视觉，运动检测避障这些领域有独特优势。

3.图像尺寸，像素：输出的图像的尺寸，也就是我们经常说的多少W像素。像目前top的有三星2亿像素的，也有IMX700 IMX989这种5000W的，有效像素数：8256 (H) × 6208 (V) 约 5125 万像素，其他常见的还有1280*720，1920*1080，2048*1536,728*560,640*480等等。理论上像素越多，图像分辨率越高，图象越细腻。高像素超高像素一般应用在摄影设备，单反、手机等，在工业，安防，车载这些领域像素点不需要那么高，像素高意味着传输速率、存算速度也要高。另外这里不要只关注总像素，还要关注长宽比。长宽比和后端处理比较相关，例如ISP允许输入的长宽比，如果传感器输出的长宽比和ISP不匹配，那中间还要裁剪或插值，就比较麻烦。

4.像素尺寸。像元尺寸，每个像素的实际物理尺寸，常见的尺寸有0.8um，1.2um，1.4um、2.0um、2.6um、3um等。像素尺寸影响传感器的灵敏度和对光的响应能力，像素尺寸越大意味着可以捕获越多的光子。底一定情况下，像素尺寸和像素数量是矛盾的。在暗光应用场景通常要选择像素尺寸大的传感器。

5.动态范围，是否带HDR。动态范围表征传感器适用光线亮暗的能力，要知道太阳光下和夜晚两种场景光强差上W倍。动态范围不够最直接的影响就是强光下过曝，暗光下欠曝。一般不带HDR的动态范围在70dB以内，带HDR的能到100 120dB。当然动态范围也好，HDR也好，datasheet上标称的是纸面的，要实际看下成像效果，这个和ISP***关系很大。

6.快门类型。global shutter全局快门，rolling shutter卷帘快门。全局快门的优点就是所有像素都是一次曝光出来的，没有果冻效应，对于运动成像比较友好，缺点就是像素做不到很高，一把曝光，后续的模数转化、数据输出需要很高的带宽支撑。rolling shutter一般就是一行行曝光，边曝光边输出，总体输出速率可以做得很高，高像素大数据量的CMOS基本都是rolling的。在某些高速移动的场景如机器视觉、车载上，global shutter有其独特的优势。

7.输出数据格式。常见的8/10/12bit raw rgb数据，RGB, YUV，甚至还有JPEG数据输出。raw数据是原始数据，数据量比较大；JPEG是压缩后的数据，会丢失很多信息，不利于后期处理。

8.信噪比SNR。高信噪比意味着图像的细节和对比度表现得越好，它其实和传感器尺寸，像元大小，量化噪声，工艺制程等都有关系。

9.最高帧率FPS。通常软件可配，一般最高30FPS,60FPS,120FPS。主要取决于应用场景，很多时候用不到那么高帧率，人眼一般>24帧就看不太出卡顿了。帧率越高，存算带宽要求越高，对于一个存算最多10帧的系统，用120FPS的CMOS也没用，多余的只能丢掉。

10.灵敏度。一般用来表征感光能力，单位是V/lux-sec，1lux光强照射1秒中产生多少电压，值越大表示越灵敏。暗光下要比较关注。

11.CRA，主光线角度，定义是光线从像素边沿可入射到像素内的最大角度，主要和镜头设计相关，镜头设计要匹配。

12.光谱响应特性。表征对各波长光线的感光能力。一般应用的波段是可见光，不要红外紫外，但在红外热成像应用，红外是要的，需使用红外感光的CMOS。

13.Chroma 色彩滤波阵列。彩色CMOS是如何感知彩色图像的？其实是在像素阵列上按一定的规则加了微镜阵列，然后通过特定的算法计算恢复出整个彩色图像。最常见的有bayer coding和Demosaicing 去马赛克变换。有些厂家在这里有些新的理解，如华为的RYYB coding，三星的binning mode。

14.暗电流。可理解是一种“底噪”，完全没有光的时候的电流。理论上完全没有光应该输出全黑的图，但是暗电流会导致输出有点东西。

15.电气上的：

供电电压，一般都有多路供电电源，核电源，IO电源，模拟电源，讲究一个稳定，纹波小，响应好；

功耗，影响电源及发热；

输入时钟频率，一般要求外部输入主时钟，频率范围内结合系统频率设计采用适当的主频；

数据接口：常见MIPI D/C PHY，LVDS,DVP；

上下电时序，上下电时序要严格执行，不然会有概率性起不来、异常损坏之类奇奇怪怪的问题；

工作温度范围，很少超85℃的，对于特别严苛的应用系统层面想办法；

16.安装方式：COB，将Bare Die，裸片直接打线（Wire Bond）的方式把芯片上的信号和线路板连接在一起。CSP，把Die通过半导体封装做成类似BGA的方式，可SMT。TSV硅通孔，对比CSP，差别在于封装设计的时候通过导通孔（Via）来减少走线面积。还有PLCC，CLCC，Neopac等。COB需要专门的机台才能做，对后段模组厂的能力有要求，小模组厂不一定有机台设备。不同的CIS应用对整个装配尺寸制程要求不同，要结合供应链的能力选择合适的CIS。

3.后话

CMOS图像传感器博大精深，浅聊一下。近些年图像相关的应用非常火热，相关职位薪酬也是非常诱人。做技术的了解多些总是好事。