了解 CMOS 感測器：大多數成像技術的現代標準

從智慧型手機到科學儀器，影像感測器是當今視覺技術的核心。其中，CMOS感測器已成為主導力量，為從日常拍照到先進顯微鏡和半導體檢測等各種應用提供動力。

互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術是一種電子架構和製造製程技術，其應用範圍極為廣泛。事實上，可以說CMOS技術是現代數位時代的基石。

什麼是CMOS感測器？

CMOS影像感測器（CIS）使用主動像素，這意味著相機的每個像素都包含三個或更多電晶體。 CCD和EMCCD像素則不包含電晶體。

每個像素中的電晶體使得這些「主動」像素能夠被控制，訊號透過「場效應」電晶體被放大，並且資料能夠被訪問，所有這些操作都是並行進行的。與整個感測器或感測器的大部分區域使用單一讀出路徑不同，CMOS相機它至少包含一整行讀出型類比數位轉換器 (ADC)，感測器的每一列都配有一個（或多個）ADC。每個 ADC 可以同時讀取其所在列的值。此外，這些「主動像素」感測器與 CMOS 數位邏輯相容，從而增強了感測器的潛在功能。

這些特性共同賦予了CMOS感測器高速的測量能力。然而，由於並行性的提高，單一ADC能夠以更高的精度測量檢測到的訊號，且測量時間更長。更長的轉換時間使得即使在高像素密度下，CMOS感測器也能實現極低的雜訊。正因如此，以及其他創新，CMOS感測器的讀取雜訊通常比CCD感測器低5到10倍。

現代科學CMOS（sCMOS）相機是CMOS的一個特殊子類型，專為科學研究應用中的低雜訊和高速成像而設計。

CMOS感測器的工作原理是什麼？（包括捲簾快門與全域快門的差異）

典型的CMOS感測器的工作原理如圖所示，並在下文中進行了概述。請注意，由於下文所述的操作差異，全域快門CMOS相機和捲簾快門CMOS相機的曝光時間和操作方式會有所不同。

註：如正文所述，CMOS相機的讀出過程在「捲簾快門」相機和「全局快門」相機之間有所不同。無論哪種情況，每個像素都包含一個電容器和一個放大器，它們根據檢測到的光電子計數產生電壓。對於每一行，每一列的電壓都由列類比數位轉換器同時測量。

捲門

1. 對於捲簾快門 CMOS 感光元件，從頂行（或分割畫面感應器相機的中間行）開始，清除該行的電荷，開始該行的曝光。
2. 當「行時間」過去（通常為 5-20 μs）後，移動到下一行，從步驟 1 重複操作，直到整個感測器曝光完畢。
3. 每一行在曝光期間都會累積電荷，直到該行完成曝光時間。最先開始曝光的行將最先完成曝光。
4. 一行曝光完成後，將電荷轉移到讀出電容器和擴大機。
5. 然後將該行中每個放大器的電壓連接到列ADC，並測量該行中每個像素的訊號。
6. 讀出和重設操作將需要「行時間」才能完成，之後下一行開始曝光時，其曝光時間將結束，然後從步驟 4 開始重複此過程。
7. 當頂行讀出完成後，如果底行已開始曝光目前幀，頂行即可開始曝光下一幀（重疊模式）。如果曝光時間短於畫面時間，則頂行必須等待底行開始曝光。最短曝光時間通常為一行時間。

Tucsen FL 26BW 冷卻式 CMOS 相機這款相機採用Sony IMX533 感光元件，並運用了這種捲簾快門技術。

全球快門

1. 開始擷取時，同時清除整個感測器中的電荷（像素阱的全局重置）。
2. 暴露過程中會累積電荷。
3. 曝光結束後，收集到的電荷會被轉移到每個像素內的掩膜阱中，在那裡等待讀取，而不會對新偵測到的光子進行計數。有些相機在這個階段會將電荷轉移到像素電容器。
4. 偵測到的電荷儲存在每個像素的遮蔽區域中，像素的活動區域可以開始曝光下一幀（重疊模式）。
5. 從掩模區域讀取資料的過程與捲簾快門感測器一樣：從感測器的頂部開始，一行一行地將電荷從掩模阱轉移到讀出電容器和放大器。
6. 該行中每個放大器的電壓連接到列ADC，並測量該行中每個像素的訊號。
7. 讀取和重設操作將需要「行時間」才能完成，然後該程序將從步驟 5 開始對下一行重複進行。
8. 讀取所有行後，相機即可讀取下一幀，然後可以從步驟 2 或步驟 3（如果曝光時間已過）重複此過程。

Tucsen 的 Libra 3412M 單色 sCMOS 相機採用全域快門技術，能夠清晰快速地捕捉運動中的樣本。

CMOS感測器的優缺點

優點

● 更高的速度CMOS感測器的資料吞吐量通常比CCD或EMCCD感測器快1到2個數量級。
● 更大的感測器更快的資料吞吐量可以實現更高的像素數和更大的視野，最高可達數千萬甚至數億像素。
● 低噪音一些 CMOS 感測器的讀取雜訊可以低至 0.25e-，與 EMCCD 相媲美，而無需增加額外的雜訊源的電荷倍增。
● 像素尺寸靈活性消費級和智慧型手機相機感光元件將像素尺寸縮小到 ~1 μm 範圍，而像素尺寸高達 11 μm 的科學相機很常見，甚至有高達 16 μm 的相機。
● 更低的能耗CMOS相機的低功耗特性使其能夠應用於更廣泛的科學和工業領域。
● 價格與生命週期低階CMOS相機的價格通常與CCD相機相近或更低，而高階CMOS相機的價格則遠低於EMCCD相機。它們的預期使用壽命應該遠遠超過EMCCD相機。

缺點

● 捲門大多數科學CMOS相機都採用捲簾快門，這會增加實驗工作流程的複雜性，或限制某些應用。
● 更高濃度的黑電t：大多數 CMOS 相機的暗電流比 CCD 和 EMCCD 感測器高得多，有時會在長時間曝光（> 1 秒）時引入明顯的雜訊。

CMOS感測器目前應用領域

由於其多功能性，CMOS感測器被廣泛應用於各種領域：

● 消費性電子產品智慧型手機、網路攝影機、單眼相機、運動相機。
● 生命科學CMOS感測器功率顯微鏡相機用於螢光成像和醫學診斷。

● 天文學望遠鏡和空間成像設備通常使用科學級CMOS（sCMOS）來實現高解析度和低雜訊。
● 工業檢驗自動光學檢測（AOI）、機器人技術和用於半導體檢測的相機採用CMOS感測器以實現速度和精度。

● 汽車：高級駕駛輔助系統（ADAS）、後視攝影機和停車攝影機。
● 監控與安防低光照和運動偵測系統。

CMOS 的速度和成本效益使其成為大批量商業用途和專業科學工作的首選解決方案。

為什麼CMOS如今已成為現代標準

從CCD到CMOS的轉變並非一蹴而就，但卻是必然的。以下是CMOS如今成為影像產業基石的原因：

● 製造優勢：採用標準半導體製造生產線，降低成本並提高可擴展性。
● 性能提升：捲簾快門和全域快門選項、改進的低光照靈敏度和更高的幀率。
● 整合與智能CMOS感測器現在支援片上AI處理、邊緣運算和即時分析。
● 創新：堆疊式 CMOS、量子影像感測器和曲面感測器等新興感測器類型均基於 CMOS 平台建構。

從智慧型手機到科學相機CMOS 已被證明具有適應性強、功能強大且面向未來的特徵。