繁体中文
相機模組中CMOS感測器的演變：從實驗室到日常科技
創建於 10.09
走進任何一家電子商店，你會發現相機——無論是在智能手機、運動相機還是安全設備中——都配備了一個微小但強大的組件：CMOS感測器。CMOS是互補金屬氧化物半導體的縮寫，這種芯片徹底改變了我們捕捉光線並將其轉化為數字圖像的方式。但它從實驗室實驗到現代科技的支柱的旅程相機模組不是一朝一夕的。讓我們追溯CMOS感測器的演變，探索它們如何超越舊有技術，適應消費者需求，並塑造影像的未來。
1. 早期時期：CMOS 與 CCD – 感測器主導權之戰（1960年代–1990年代）
在CMOS成为中心舞台之前，电荷耦合器件（CCDs）主导了成像世界。CCDs于1960年代由贝尔实验室开发，擅长将光转换为电信号，具有高灵敏度和低噪声——这对于清晰的照片至关重要。几十年来，它们一直是专业相机、医学成像，甚至像哈勃这样的太空望远镜的首选。
CMOS 技術，與此相比，大約在同一時期出現，但最初被視為“預算替代品”。早期的 CMOS 感測器有兩個主要缺陷：高噪聲（造成顆粒狀圖像）和光敏感度差。與需要外部電路進行信號處理的 CCD 不同，早期的 CMOS 設計將處理元件直接集成在晶片上——這一特性承諾了更低的功耗，但也帶來了權衡。晶片上的電路產生了電氣干擾，破壞了圖像質量，而 CMOS 感測器在動態範圍（捕捉明亮和黑暗細節的能力）上難以匹敵 CCD。
到1980年代，研究人员开始看到CMOS的潜力。它的低功耗使用对便携设备来说是一个游戏规则的改变——这是CCDs无法提供的，因为CCDs快速耗尽电池。1993年，德克萨斯大学奥斯汀分校的一个团队在埃里克·福斯姆博士的带领下取得了突破：他们开发了“主动像素传感器”（APS）设计。APS在CMOS芯片的每个像素上添加了一个微小的放大器，减少了噪声并提高了灵敏度。这一创新使CMOS从一个有缺陷的概念转变为一个可行的竞争者。
2. 2000年代：商業化與消費者CMOS的崛起
2000年代標誌著CMOS從實驗室轉向商店貨架。這一轉變的兩個關鍵因素是：成本和與數字技術的兼容性。
首先，CMOS传感器的制造成本更低。与需要专门生产工艺的CCD不同，CMOS芯片可以使用生产计算机微芯片的相同工厂制造（当时这是一个500亿美元的行业）。这种可扩展性降低了价格，使CMOS对消费电子品牌变得更加可及。
其次，攝像頭模組正在縮小——而CMOS正好符合這一需求。隨著數碼相機取代膠卷型相機，消費者對更小、更輕的設備提出了要求。CMOS的集成處理意味著攝像頭模組不需要額外的電路板，從而減少了尺寸。2000年，佳能推出了EOS D30，這是第一款使用CMOS傳感器的專業單反相機。它證明了CMOS可以提供單反相機質量的圖像，隨後，尼康和索尼等品牌也紛紛跟進。
到2000年代中期，CMOS在消费相机中已超越CCD。市场研究公司IDC在2005年的一份报告中发现，70%的数码相机使用CMOS传感器，而CCD仅占30%。潮流已转变：CMOS不再是“预算选项”——它已成为新的标准。
3. 2010年代：智能手機的繁榮 – CMOS的最大顛覆者
如果2000年代使CMOS成為主流，那麼2010年代則將其變成家庭技術——這要歸功於智能手機。當蘋果在2007年推出iPhone時，它配備了一個200萬像素的CMOS傳感器，但早期的智能手機相機被視為“足夠好”用於休閒拍照，而不是專業相機的競爭對手。隨著消費者開始將手機作為主要相機，這種情況迅速改變。
智能手機製造商需要體積小（以適應纖薄設備）但功能強大的CMOS傳感器（以在低光環境下捕捉高質量圖像）。這一需求推動了三項主要創新：
背面照明 (BSI) CMOS
傳統的CMOS感測器在前面有接線，阻擋了一些光線到達像素。BSI CMOS翻轉了設計：接線在背面，因此更多光線照射到像素上。這使得光線敏感度提高了多達40%，使得低光環境下的照片更加清晰。索尼在2009年推出了BSI CMOS，到2012年，它已成為iPhone 5等旗艦機型的標準配置。
b. 堆疊式CMOS
堆疊 CMOS 將 BSI 向前推進了一步。它不是將處理電路放置在與像素相同的層上，而是將像素層堆疊在單獨的處理層上方。這為更大的像素（能捕捉更多光線）和更快的處理（用於 4K 視頻和連拍模式）騰出了空間。三星 2014 年的 Galaxy S5 使用了堆疊 CMOS，而今天，幾乎所有高端智能手機都依賴於這種設計。
c. 更高的像素和动态范围
到2010年代末，CMOS传感器达到了48百万像素（MP）及以上。小米2019年的Mi 9配备了48MP的索尼传感器，而三星的108MP传感器（用于Galaxy S20 Ultra）则推动了细节的极限。传感器的动态范围也有所改善——从2000年代的8 EV（曝光值）提升至今天的14 EV+——使得相机能够在拍摄日落时不至于让天空过曝或前景变暗。
4. 2020年代至今：用於人工智能、物聯網及其他領域的CMOS傳感器
今天，CMOS传感器不再仅仅用于相机——它们正在推动智能技术的新纪元。以下是它们如何演变的：
a. AI 整合
現代CMOS感測器與AI晶片協同工作，以實時增強影像。例如，Google的Pixel 8使用一個50MP的CMOS感測器，搭配AI來“計算”照片：它減少噪點，調整顏色，甚至在你按下快門之前修正模糊的照片。AI還使得物體追蹤（用於視頻）和肖像模式（準確模糊背景）等功能成為可能。
b. 物聯網與安全
CMOS 感測器小到可以放入物聯網設備中，例如智能門鈴（例如，Ring）和嬰兒監視器。它們也用於具有夜視功能的安全攝像頭——得益於紅外線（IR）靈敏度，CMOS 感測器可以在完全黑暗中捕捉清晰的圖像。根據市場研究公司 Yole Développement 在 2023 年的報告，物聯網攝像頭模組將推動 CMOS 感測器銷售在 2028 年前每年增長 12%。
c. 專用於利基用途的專業傳感器
CMOS 感測器正被量身定制以適應特定行業：
• 汽車：自駕車使用CMOS感測器（稱為“影像感測器”）來檢測行人、交通燈和其他車輛。這些感測器具有高幀率（高達120 fps），以捕捉快速移動的物體。
• 醫療：微型CMOS傳感器用於內窺鏡以觀察體內情況，高靈敏度傳感器有助於X光和MRI成像。
• 太空：NASA的毅力號探測器使用CMOS感測器拍攝火星的照片。與CCD不同，CMOS能夠承受太空的嚴酷輻射，使其非常適合探索。
d. 更低的功耗，更高的效率
隨著設備變得更智能，電池壽命仍然是一個優先考量。新的CMOS設計使用“低功耗模式”，在傳感器未啟動時可減少30-50%的能量使用。例如，配備CMOS傳感器（用於心率監測和健身追蹤）的智能手錶可以在單次充電下持續數天。
5. 未來：CMOS在相機模組中的下一步是什麼？
CMOS 感測器的演變顯示出沒有放緩的跡象。以下是三個值得關注的趨勢：
a. 全球快門CMOS
大多數CMOS感測器使用“滾動快門”，這會逐行捕捉圖像——這可能會導致失真（例如，在快速移動的視頻中建築物傾斜）。全球快門CMOS一次捕捉整個圖像，消除了失真。它已經在專業相機中使用（如Sony的FX6），但價格昂貴。隨著成本下降，全球快門將進入智能手機，使動作視頻和虛擬現實內容更加流暢。
b. 多光譜成像
未來的CMOS感測器將不僅捕捉可見光——它們還將檢測紅外線、紫外線（UV）甚至熱輻射。這可能讓智能手機測量溫度（用於烹飪或健康檢查）或穿透霧氣（用於駕駛）。三星和索尼已經在測試多光譜CMOS，預計到2026年將推出商用設備。
c. 更小、更强大的传感器
摩爾定律（預測更小、更快的晶片）同樣適用於CMOS。研究人員正在開發“納米像素”CMOS感測器，像素寬度僅為0.5微米（μm）（目前的像素為1-2 μm）。這些微小的感測器將適用於智能眼鏡和隱形眼鏡等設備，為增強現實/虛擬現實和健康監測開啟了新的可能性。
結論
從一個嘈雜、被忽視的CCD替代品到現代成像的引擎，CMOS傳感器走過了漫長的道路。它們的演變是由消費者需求推動的——對更小的設備、更好的照片和更智能的技術——並且與智能手機、人工智能和物聯網的興起息息相關。
今天，每次您用手機拍照、掃描二維碼或查看監控攝像頭時，您都在使用CMOS傳感器。隨著技術的進步，這些微小的芯片將不斷推動可能性的極限——無論是捕捉火星探測器的自拍、驅動自駕車，還是讓我們以從未想像過的方式看待世界。
對於建立相機模組或消費科技的企業來說，掌握CMOS趨勢是關鍵。隨著感測器變得更智能、更小巧和更高效，它們將持續影響我們與數位世界的互動——每次一個像素。
聯繫
留下您的信息，我們將與您聯繫。
WhatsApp
WeChat