现在，传统的电荷耦合设备（CCD）图画传感器技能已不能满意工业及专业图画抓取（image capture）运用的需求。根据规范CMOS技能的新式图画传感器技能以其高度灵敏性、超卓的静态和动态特性以及在各种体系环境下表现出的易集成性在医用电子产品职业中创始出了一个全新范畴，为用户供给了更多挑选。
从CCD到CMOS：大势所趋
在曩昔三十年左右的时刻里，CCD技能一向被用于图画转化。CCD是一种老练的技能，能够在低噪声的前提下供给优质图画，作为电荷耦合器件在像素间完结图画数据的串行传输。为了到达这个意图，CCD需求数种作业电压、外部时钟发生器以及高档驱动力和剖析电子元件，这些都对空间和电能耗费有很高的要求。因而，此类图画传感器在功用特性以及运用的灵敏性等方面已不能彻底满意当今商场的体系需求。在这种状况下，从CCD图画传感器到CMOS区域传感器的改朝换代已在所难免。
CMOS传感器集各种商场最急需功用于一身：
体系集成度更高
动力要求较低
图画抓取功用更为灵敏
界面智能化程度更高
动态规模更大
感光度更高
更高的体系集成度
跟着数字交融技能（行将数种此前互相独立的功用，如一台小型设备的图画抓取、图画处理以及无线通讯等功用，整合在一起）的开展，商场上对具有自主特性（至少是部分具有自主特性）的子体系的需求越来越多，这种子体系能够在一套产品中供给尽或许多的功用单元。举例来说，在专业丈量技能范畴，配有具灵敏性特色的数码相机、PDA用户界面以及WLAN（无线局域网）衔接的便携式检测设备就能够十分有效地扩展光学检测和监控运用的规模。医学图画处理是别的一个图画传感器传统运用范畴，其运用包含大格局X射线和各种类型的内窥镜查看，以及符合卫生要求的一次性可吞咽“药丸相机”。CMOS技能为这个范畴供给了功用强大的施行渠道：CCD图画传感器依然需求其他技能供给外部逻辑以完结操控和模/数转化功用，CMOS相机芯片则能够以一种技能集图画传感器、操控、转化、剖析逻辑以及HF发射器于一身，并在同一片硅片上完结上述一切功用。体系功用的进一步集成使自主光电传感器体系的呈现成为或许。现在，这种技能的施行能否成功首要取决于其运用规模以及开发本钱和单位产值等基本经济要素。
较低的电源要求
关于具有本钱效益的便携式设备来说，只有当其部件或子体系的电源供给要求较低时，设备的操作才干不受主网络设备的限制。CMOS技能在这一点上占有了显着优势：因为CMOS图画传感器专为电压较低的个人供电电源（约为3.3V至2.5V）规划，而大多数CCD芯片需求多种较高电压供给，如12V等。要满意这种高电压要求，有必要首先由可耗散变压器完结发电，这就需求占有名贵的电路板空间。假如将操控和体系功用集成在CMOS传感器中，则可革除与其他半导体元件进行外部衔接的电缆，一起省却了耗电巨大的设备，体系的总体功用将得到改善。与经过电路板或底板与外部进行通讯比较，芯片内通讯只需很小的电能。这一长处还发生了一个令人惊喜的副效果：CMOS图画传感器噪声水平得到了下降。另一方面，因为模/数转化器集成在图画传感器内部，使易发生搅扰的模仿信号线无须被发射至外部，使这种产品的抗搅扰功用得到改善。与模仿信号相反，数字图画输出信号协助体系开发者轻松完结功用强大的CMOS相机的集成，而无需要害顶部设备，使其在恶劣环境下也能正常运用。因为冷却的或许性很小，设备（药丸相机）所耗电能有限，其温度则需求与体温相适应，因而药丸相机以及内窥镜等医药和人体内部运用仅需较低的电能。
更灵敏的图画抓取功用
在医药和工业运用中，一般只需求抓取图画的某些特定细节，但因为CCD图画传感器运用串行电荷传输，这种传感器读取的内容包含整个图画——即全画幅内容，而所需细节必需在抓取完结后运用独立的剖析电路从整个图画中提取。
与此相反，CMOS图画传感器的结构与存储阵列相似，这样就能够经过二次取样或挑选部分图画区域（取窗）完结个别像素或像素群的寻址和读取操作。
二次取样可供给分辨率较低（但为帧速率的数倍）的规矩取样图画，而取窗功用则能够选取图画的有用区域。窗角坐标经过串行或并行接口传输至CMOS传感器，并在传感器内承受主动处理以操控读取操作。这也是将更多逻辑集成至CMOS传感器的典型状况。因为CCD传感器不适合逻辑电路，因而上述操作关于CCD传感器来说是不或许完结的。
更高的动态规模
在工业和医药运用中，许多有用的场景都在逆光条件下发生，这就要求传感器具有较高的动态规模。假如运用线性传感器，其动态规模刚好与信噪比（SNR）相应，而CMOS图画传感器的多斜率操作能够使动态规模得到大幅添加，一起信噪比则坚持不变，光强度和输出电压之间的分段线性关系能够清楚地显示出这一成果。整个转化进程带上了显着的非线性特色。
这样，场景的暗处就能够经过模数转化器可观的转化规模得到扩展：转化特性曲线在此处最陡，以保证高感光度与高对比度（见图1）。在特性曲线上部水准以外的部分，亮部场景的部分过度曝光维度也可得到充沛捕捉。这样，咱们就有或许得到动态规模高达100dB、模数转化规模为10位的场景图画。
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图1. CMOS图画传感器的结构与存储器相似：部分图画能够以高帧速率被读取 |
感光度得到进步
图画传感器正朝着感光度更高、曝光时刻更短以及像素尺度更小的趋势向前开展。因而，图画传感器必需充沛发挥能够接收到的少数光子的效果。填充因子与量子效应的乘积是衡量像素感光度的要害规范，量子效应能够反映出光子碰击发生的电子数目。几许填充因子即感光像素面积所占的百分比——与CCD传感器不同，CMOS像素并非一切部分都具有“看”的功用。这样，获取高填充因子数就成为CMOS技能开展的要害方针之一。
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图2. 多斜率转化保证高动态规模的获取 |
高填充因子能够使大部分在规范CMOS处理中为无源/非感光的硅片外表转变为感光区域。因为光电二极管也可检测出由整个像素外表下的外延层发生的光电子，因而小型像素能够对以恣意视点入射且被低水平暗电流区分隔的光进行处理（见图2和图3）。
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图3. 由多EPI层集合的光电子能够将感光度进步至近红外（NIR）规模 |
开展趋势
传感器面积缩小代表着一种开展趋势：分辨率为512 x 512像素（每像素尺度为6m x 6m）的客户定制规划五颜六色图画传感器BOCA便是这种开展趋势的典型比如。BOCA传感器用于STM Medizintechnik公司的新式一次性结肠镜产品，这种结肠镜能够对第二大最常见的癌症――结肠癌进行确诊。集成时钟发生器与FPN校正使这种传感器的结构十分紧凑，从而使结肠镜的清洁度和用户友爱程度都得到进步。
极大型传感器面积代表着别的一种开展趋势。这类传感器可用作操作进程杂乱的传统X射线胶片的替代品。运用所谓的拼接技能，CMOS传感器能够以极富本钱效益的方法运用8英寸巨细的晶圆得到出产，未来还可运用12英寸晶圆。这一技能大大加快了现代医学图画处理的速度，而后者至今还在运用由无定形硅制作的光电二极管阵列。
传感器的分辨率也在不断进步之中。举例来说，660万像素传感器IBIS4－6600就已作为主动读取设备成功地为视弱患者供给了DIN A4页面分辨率。这种传感器是具有模仿图画抓取以及片上数字化与信号处理等功用的完好子体系，能够在2.5V供电电压下作业。其2210 x 3002像素传感器阵列以专利的三晶体管N-well像素技能为根底，后者的填充因子尺度到达3.5 x 3.5m。并行输出转化器的速率为4000万样品/秒，其10位分辨率每秒可传送5个全幅画面。为与规范视频编码器衔接，图画传感器在传送10位宽图画数据的一起还可传送图画同步信号、线和像素。
分辨率为3048 x 4560像素的新式IBIS-14000-M图画传感器系由赛普拉斯公司与总部设在Erfurt的X-Fab共同开发，其分辨率可达1385像素。像素巨细为8m * 8m，传感器面积约为全35mm格局。四道模仿输出的帧重复率大于3帧/秒。这种产品支撑一切可编程取窗及二次取样运转形式，其光学动态规模被设定为65dB。现在，数家公司正以这种传感器为根底开发各种生物丈量运用。
越来越大的光谱规模正屈服于CMOS图画传感器的降服之下。跟着经改善的CMOS技能不断涌现，传感器感光度现已能够扩展至近红外（NIR）规模。正是（多）EPI层以及密度不断添加的P型硅片使这一切成为实际。
远景
CMOS图画传感器的商场正在活跃开展之中，必将逐渐生长为大型商场。经过高分辨率、高帧速率、高感光度、低本钱的多规范解决方案，CMOS传感器正在越来越多的运用范畴中留下自己的脚印。不过在这一成果背面，更重要的原因在于，客户定制运用的开发推动了特定价值与体系集成的开展，从而使CMOS技能阔步向前。
表格：赛普拉斯公司（FillFactory）出产的规范CMOS图画传感器以及部分客户定制CMOS图画传感器宗族 |
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