【導(dǎo)讀】除了簡(jiǎn)單的攝影和顯示，3D擴(kuò)增實(shí)境技術(shù)也用盡了CMOS技術(shù)的所有潛能，提供另類的視覺(jué)空間體驗(yàn)。一如地球上的主要物種，CMOS傳感器已經(jīng)大大進(jìn)化并適應(yīng)其周遭環(huán)境。
I. 引言
早于上世紀(jì)九十年代初，有意見(jiàn)認(rèn)為電荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD) 日漸式微，最終將成為“科技恐龍”。如果用索尼公司(Sony) 2015年的發(fā)布來(lái)看待，這個(gè)預(yù)言好像也有點(diǎn)道理：當(dāng)時(shí)索尼公司正式發(fā)布終止量產(chǎn)CCD 時(shí)間表，并開(kāi)始接收最后訂單。雖然多年前業(yè)界已預(yù)計(jì)這是遲早出現(xiàn)的舉措，但是索尼這一發(fā)布仍然震驚了專業(yè)成像社群。值得一提的是很多工業(yè)或?qū)I(yè)應(yīng)用(就是CMOS 圖像傳感器 (CIS) 的重點(diǎn)市場(chǎng))到現(xiàn)在仍然基于CCD傳感器技術(shù)。到底CCD有什么特點(diǎn)優(yōu)于CIS，使其更具吸引力呢？在發(fā)展初期，CCD和CIS兩種技術(shù)是共存的；后來(lái)CCD被視為能夠滿足嚴(yán)格圖像質(zhì)量要求的高階技術(shù)，而同時(shí)期的CMOS技術(shù)仍然未成熟并受制于其固有噪聲和像素復(fù)雜性等問(wèn)題。在這一時(shí)期，圖像技術(shù)仍然以模擬結(jié)構(gòu)為主，而集成圖像處理功能(系統(tǒng)級(jí)芯片SOC) 這一意念還沒(méi)有被認(rèn)真考量?；谀柖桑夹g(shù)節(jié)點(diǎn)的縮小使得SOC技術(shù)從2000年起快速擴(kuò)展并更具競(jìng)爭(zhēng)力?，F(xiàn)在CIS繼續(xù)致力改進(jìn)光電性能，在很多方面都顯得比CCD優(yōu)勝。如果利用文首提到的“進(jìn)化論”譬喻，其實(shí)可以把CIS視作抵過(guò)多次自然災(zāi)害仍然存活的哺乳類動(dòng)物，而這個(gè)進(jìn)化歷史更是跨越6500萬(wàn)年的史詩(shī)式故事！
II. CCD 和 CMOS：同源異種
CCD的工作原理是將光子信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子包并順序傳送到一個(gè)共同輸出結(jié)構(gòu)，然后把電荷轉(zhuǎn)換成電壓。接著這些信號(hào)會(huì)送到緩沖器并存儲(chǔ)到芯片外。在CCD應(yīng)用中，大部分功能都是在相機(jī)的電路板上進(jìn)行的。當(dāng)應(yīng)用需要修改時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以改動(dòng)電路而無(wú)需重新設(shè)計(jì)圖像芯片。在CMOS圖像傳感器中，電荷轉(zhuǎn)換成電壓的工作是在每一像素上進(jìn)行。CMOS圖像芯片在像素級(jí)把電荷轉(zhuǎn)換成電壓，而大部分的功能則集成進(jìn)芯片。這樣所有功能可通過(guò)單一電源工作，并能夠?qū)崿F(xiàn)依照感興趣區(qū)域或是開(kāi)窗靈活讀出圖像。 一般來(lái)說(shuō)，CCD採(cǎi)用NMOS技術(shù)，因而能夠通過(guò)如雙層多晶硅、 抗暈(antiblooming)、金屬屏蔽和特定起始物料互相覆蓋等特定工藝實(shí)現(xiàn)性能。而CMOS是基于用于數(shù)字集成電路的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝技術(shù)生產(chǎn)，再根據(jù)客戶要求加入成像功能(如嵌入式光電二極管) 。
一般的見(jiàn)解是CMOS傳感器的生產(chǎn)成本比CCD低，因而它的效能也較CCD低。這個(gè)假設(shè)是基于市場(chǎng)需求的考量而出的，但是其它專業(yè)市場(chǎng)的意見(jiàn)卻認(rèn)為兩者的技術(shù)水平相若，而CCD甚至可能更經(jīng)濟(jì)[3]。例如大型主要的航天計(jì)劃仍然採(cǎi)用CCD元件，原因不單是CCD在小批量和低成本的考量下在工藝級(jí)實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化，還有是長(zhǎng)期穩(wěn)定供貨的需求考量。同樣地，基于高端CCD的解決方案在科學(xué)成像市場(chǎng)也有主流占有率，而且還有一些新產(chǎn)品在開(kāi)發(fā)階段。情況就是恐龍進(jìn)化成飛鳥(niǎo)，而它們大部分都能夠提供優(yōu)秀的成像功能……
CMOS的擁有經(jīng)改進(jìn)的系統(tǒng)復(fù)雜性，因?yàn)樗旧鲜乔度肓巳缒?shù)轉(zhuǎn)換、相關(guān)雙采樣(CDS)、時(shí)鐘生成、穩(wěn)壓器等系統(tǒng)級(jí)芯片(System-On-Chip，SOC)結(jié)構(gòu)，或是影像后處理等功能，而這些以前都是應(yīng)用系統(tǒng)
級(jí)設(shè)計(jì)才有的功能?，F(xiàn)在的CIS通常是依照從180 nm到近期65 nm的1P4M (1層聚酯，4層金屬) 工藝生產(chǎn)，允許像素設(shè)計(jì)加入非常高的轉(zhuǎn)換因子，便于結(jié)合列增益放大。這使得CMOS的光反饋和光敏感度一般都比CCD為佳。相較于CMOS，CCD芯片的襯底偏壓穩(wěn)定性更好且芯片上的電路更少，所以擁有更顯著的低噪優(yōu)勢(shì)，甚至達(dá)到無(wú)固定模式噪聲的水平。
圖1 – CCD 和 CMOS 結(jié)構(gòu)比較表
表 1 – CCD-CMOS 特點(diǎn)比較表
另一方面，CIS有較低采樣頻率，可以減小像素讀出所需要的帶寬，因而瞬時(shí)噪聲也較小?？扉T會(huì)同時(shí)對(duì)陣列上的所有像素進(jìn)行曝光。但是CMOS傳感器采用這一方法的話，由于每像素需要額外的晶體管，反而占用更多像素空間。另外，CMOS每一像素?fù)碛幸粋€(gè)開(kāi)環(huán)輸出放大器，而因著晶圓工藝的差異，每一放大器的補(bǔ)償和增益會(huì)有所變化，使高或暗的不均勻狀況都比CCD傳感器差。相對(duì)于同級(jí)的CCD傳感器，CMOS傳感器擁有較低的功耗，而芯片上其它電路的功耗也比CCD經(jīng)優(yōu)化模擬系統(tǒng)芯片匹配的解決方案來(lái)得低。取決于供貨量并考慮到CCD導(dǎo)入外部相關(guān)電路功能的成本，CMOS的系統(tǒng)成本也有可能低于CCD。表一總結(jié)了CCD和CMOS的特點(diǎn)，有些功能有利于一種或其他技術(shù)，所以毋需完全分割整體性能或成本。不過(guò)，CMOS的真正優(yōu)勢(shì)是通過(guò)系統(tǒng)級(jí)芯片(system-on-chip)方式實(shí)現(xiàn)導(dǎo)入靈活性，以及其低功耗特點(diǎn)。
I. 關(guān)于噪聲性能的常見(jiàn)誤解
視頻成像鏈的帶寬必需小心調(diào)整，以便最小化數(shù)字化階段的讀出噪聲?？墒沁@一帶寬也必需足夠大以防止圖像出現(xiàn)其他缺陷。這一慣常做法也適用于CCD和CMOS。帶寬的最小閾值是信號(hào)由采樣達(dá)到足夠接近理想水平所需要的時(shí)間決定。誘發(fā)性錯(cuò)誤應(yīng)處于接近最低有效位(Least Significant Bit，LSB) 的可忽略水平。要決定所需要的帶寬，可以應(yīng)用下面的準(zhǔn)則：
把放大鏈帶寬fc，信號(hào)頻率fs和N(即ADC解析率)置入算式計(jì)算。例如N=12時(shí)，數(shù)值則是：
噪聲最由兩個(gè)因素造成：1/f閃爍噪聲和熱噪聲(見(jiàn)圖2)。閃爍噪聲是大自然中常有的噪聲，而它旳頻譜密度和地球自轉(zhuǎn)速度、海底水流、天氣以至氣候現(xiàn)象等活動(dòng)相關(guān)。研究報(bào)告顯示普通蠟燭的閃爍速率是1/f 。在MOS器件和放大鏈各元素中，閃爍噪聲則是技術(shù)工藝誤差生成的缺陷，使電荷被困于柵極氧化物內(nèi)所造成的結(jié)果。電荷進(jìn)出這些“陷阱”，造成晶體管通道內(nèi)的電流不穩(wěn)定 [6]，故又稱「隨機(jī)電報(bào)噪聲」(random telegraph noise，RTS)。利用洛倫茲數(shù)學(xué)模型(Lorentzian mathematical model) 可以形容每一個(gè)“陷阱”的共振行為，而模型的總和(即MOSFET通道表面范圍的所有“陷阱”總和)在1/f頻譜上展示時(shí)，會(huì)全完符合具體噪聲的頻譜密度。結(jié)果顯示，1/f波幅與MOSFET通道表面面積成反比──而不是完全直觀。
圖2 – 頻譜噪聲密度
要去除或減小CIS上的放大器共模差異，浮點(diǎn)的重置噪聲以至晶體管技術(shù)分散，視頻通道通常集成一個(gè)相關(guān)雙采樣(CDS)級(jí)。這一元素把視頻信號(hào)傳送函數(shù)依照下面的算式進(jìn)行轉(zhuǎn)換：
在算式中，fs 是采樣頻率， n是CDS 因子(通常n=2)。如圖3顯示，取決于采樣頻率，這一濾波或多或少地去除1/f噪聲頻率成分，尤其是當(dāng)采樣頻率fs很高的時(shí)候 顯著(換句話說(shuō)，電荷進(jìn)出“陷阱”的動(dòng)作將慢于CDS頻率)。HCDS濾波器結(jié)合放大鏈的低通濾波器可以簡(jiǎn)化為一個(gè)如圖3所示的等效帶通濾波器。圖中的eqBP1 對(duì)應(yīng)一個(gè)一級(jí)帶通濾波器。這裡eqBP1的噪聲頻譜函數(shù)要除以2，以得到一個(gè)帶有HCDS函數(shù)的等效集成噪聲功率 。eqBP2 是eqBP1的陷波估算值。要取得集成噪聲功率，eqBP2 的上限和下限分別按照下列算式進(jìn)行倍增：
圖3 – 噪聲濾波函數(shù)
在圖2和圖3所示的一般狀況下，噪聲性能可依照下面的算式展示：
把算式(1) 和 (4) 合并后，得出總體集成讀出噪聲估算值如下：
有關(guān)算式經(jīng)驗(yàn)證跟數(shù)字仿真結(jié)果相當(dāng)匹配。CCD的讀出噪聲可達(dá)到非常低水平，適合如天文或科學(xué)成像，這些應(yīng)用領(lǐng)域的讀出頻率可以非常低。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含有最小頻帶寬的電子元素，以避免集成進(jìn)信號(hào)的不穩(wěn)定時(shí)脈。在這些應(yīng)用中，噪聲的1/f元件有主導(dǎo)地位。在高速視頻應(yīng)用中， 高噪聲使得信噪比顯著變差。從多個(gè)不同CCD視頻相機(jī)錄得的具體噪聲表示狀況數(shù)據(jù)，確認(rèn)了有關(guān)理論 [5] 。CMOS 圖像傳感器的列式平行讀出布局(見(jiàn)圖一)在這一方面提供優(yōu)勢(shì)。閾值讀出頻率除以列數(shù)，再與CCD數(shù)值比較。在這裡，CIS的讀出噪聲主要由1/f數(shù)值主導(dǎo)。這有助于進(jìn)一步改進(jìn)CMOS技術(shù)在成像方面的性能。近期的結(jié)果顯示，CIS可提供達(dá)到1E-或更低范圍的優(yōu)秀噪聲性能。
圖4 – 讀出噪聲作為fs的函數(shù)
II. MTF 和 QE：成像質(zhì)量的支柱
量子效率(Quantum efficiency ，QE) 是直接影響圖像傳感器光電性能的因素，因?yàn)楣怆娹D(zhuǎn)換效率的任何損耗都會(huì)直接減低信噪比 (Signal-To-Noise- Ratio，SNR) 。它的影響是兩方面的，因?yàn)楫?dāng)散粒噪聲(信號(hào)的平方根)是主要噪聲源時(shí)，QE不單是信噪比的被除數(shù)(信號(hào))，同時(shí)也是除數(shù)(噪聲)。在這一點(diǎn)之上，CCD和CMOS處于同一水平，可是CCD在QE改進(jìn)方面累積有多年的技術(shù)工藝優(yōu)化，而在CIS的QE改進(jìn)發(fā)展相對(duì)較遲?；诠栉镔|(zhì)的物理特性，較長(zhǎng)的波長(zhǎng)能穿透光敏轉(zhuǎn)換地帶，所以會(huì)使用厚的外延材料來(lái)增加上紅色和近紅外線波長(zhǎng)的QE。根據(jù)比爾朗伯定律(Beer-Lambert law)，被吸收的能量是與介質(zhì)的厚度成指數(shù)關(guān)係。高端應(yīng)用的 CCD 利用較厚的硅物質(zhì)和背照(back side illumination ，BSI)工藝以恢復(fù)高寬帶QE和近紅外線(near infrared ，NIR)敏感度，因而擁有優(yōu)勢(shì)。
圖5 – QE 指標(biāo)
隔行傳輸CCD(interline transfer CCD，ITCCD) 是基于特定的生產(chǎn)工藝，導(dǎo)入所謂的“垂直溢漏”(vertical overflow drain，VOD)或“垂直抗暈”(vertical antiblooming，VAB)功能。VAB開(kāi)發(fā)于1980年代初期，具有非常好的性能，但缺點(diǎn)是會(huì)減低紅色的反饋并拒絕頻譜中的NIR部份。
圖 6 – 深耗盡方法
因?yàn)檫@個(gè)原因，ITCCD不能從BSI中獲益。而高端CCD因?yàn)槭褂么怪笨箷灩に嚕詻](méi)有這一限制。而CMOS也具有同一特點(diǎn)：在薄的感測(cè)層上，因?yàn)殡姾刹粫?huì)在像素之間滲透，所以沒(méi)有串?dāng)_的缺點(diǎn)。結(jié)果是ITCCD和標(biāo)準(zhǔn)CIS都能夠?qū)崿F(xiàn)良好的空域解析度或調(diào)制轉(zhuǎn)換函數(shù)(modulated transfer function，MTF) 。要增加NIR部份和敏感度，需要顯著增加物料厚度，但是厚物料會(huì)增加光電串?dāng)_，引致MTF衰減。成像質(zhì)量是MTF和QE的綜合結(jié)果(即所謂的檢測(cè)量子效率Detective Quantum Efficiency，DQE)，所以必需同時(shí)考量空域和時(shí)域因素。圖6顯示利用硅摻雜方法恢復(fù)MTF的深耗盡(deep depletion)光電二極管。一般來(lái)說(shuō)，CIS使用類似集成電路的常用技術(shù)(特別是DRAM/內(nèi)存工藝)生產(chǎn)，所以不會(huì)牽涉上述的特定工藝配方。不過(guò)近期的技術(shù)研究文章展示適用于CIS的特定工藝導(dǎo)入方案，能實(shí)現(xiàn)出色的QE改進(jìn)甚至相對(duì)接近高端CCD的水平(見(jiàn)圖5)。最新的CMOS技術(shù)趨勢(shì)可說(shuō)是突飛猛進(jìn)，引進(jìn)了如導(dǎo)光板、深槽隔離(deep trench isolation，DTI)、埋藏微透鏡，以及在光敏范圍下嵌入包含像素晶體管的迭層芯片等技術(shù)。
III. 固有缺陷
“嵌入式光電二極管” (pinned photodiode，PPD) 或“空穴堆積二極管”(hole accumulation diode，HAD) 最初開(kāi)發(fā)目的是消除延遲并把全部電荷從光電二極管轉(zhuǎn)移到ITCCD寄存器[12]。CMOS圖像傳感器的一個(gè)重大發(fā)展是在2000年代初期引進(jìn)ITCCD光電二極管結(jié)構(gòu)[11]，如圖7所示。在CMOS中，像素結(jié)構(gòu)多數(shù)以每像素的晶體管數(shù)目來(lái)表示。大部分 CMOS圖像傳感器傾向使用電子卷簾快門(electronic rolling shutter)，這有助于集成并只需少至三個(gè)晶體管 (3T)就能實(shí)現(xiàn)。雖然有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，3T像素結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是電路來(lái)自kT/C (或溫度) 噪聲的像素生成時(shí)域噪聲會(huì)較大，而且不能輕易消除。
圖 7 – ITCCD 和 5T CMOS 圖像對(duì)比圖
嵌入式光電二極管最初引進(jìn)到CIS以去除來(lái)自浮動(dòng)擴(kuò)散重置的噪聲，后來(lái)并引進(jìn)到四晶體管像素(4T)結(jié)構(gòu)中。4T結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)雙采樣(CDS)以消除重置瞬時(shí)噪聲。這一結(jié)構(gòu)也允許晶體管在像素間共用布局，以便于把每像素的有效晶體管數(shù)目減到兩個(gè)或更少。事實(shí)證明，每像素的晶體管數(shù)目減少，能夠空出更多范圍供光敏部分或填充因子去更直接地把光線耦合到像素上。不過(guò)如圖8所示，在擷取視頻或包含快動(dòng)作的圖像時(shí)，ERS會(huì)導(dǎo)致更多圖像變形。PPD會(huì)在第二級(jí)時(shí)工作，以進(jìn)行全局快門(GS)擷取。它能夠去除ERS偽影并進(jìn)一步消除時(shí)域噪聲、暗電流和固定模式噪聲。接近PPD的第五個(gè)晶體管(5T)的功能是排除過(guò)多的電荷并調(diào)整重迭模式的集成時(shí)間(在集成時(shí)讀出)。
圖 8 – 圖像瑕疵：CMOS ERS 變形
全局快門(GS)模式一般配合 ITCCD使用，但在某些狀況下會(huì)對(duì)彌散現(xiàn)像敏感。
圖 9 – 圖像瑕疵：CCD 彌散
彌散是在電荷轉(zhuǎn)移時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)像，會(huì)在影像上產(chǎn)生直線如圖9。這瑕疵在高反差圖像上尤其顯著，但不應(yīng)把它和相似的光暈現(xiàn)像混淆。最常用的解決方案是導(dǎo)入幀行間轉(zhuǎn)移(frame-interline transfer，F(xiàn)IT) CCD結(jié)構(gòu)，而FIT也擁有較高視頻速率的優(yōu)點(diǎn)。與CMOS等效的彌散參數(shù)是全局快門效率(Global Shutter Efficiency，GSE) ，
有時(shí)也稱為寄生光敏度(parasitic light sensitivity，PLS) ，是對(duì)應(yīng)于傳感節(jié)點(diǎn)到光電二極管的敏感度比例。ITCCD 的GSE 值一般介乎于-88dB 到 -100dB [13]，在CMOS則是-74dB 到 -120dB 甚至是3D迭層結(jié)構(gòu)的 -160dB 。利用先進(jìn)訂製像素微鏡片(如zerogap) 可在從改進(jìn)波長(zhǎng)反饋的敏感度到減小CMOS像素上的二極管所造成的填充因子損失方面實(shí)現(xiàn)顯著的分別。它也是改進(jìn)GSE性能的主要因素。
IV. CMOS 成像技術(shù)的未來(lái)
CCD技術(shù)特別適合時(shí)間延遲積分(time delay integration，TDI)領(lǐng)域。TDI(在掃描場(chǎng)景時(shí)，電子同步的積分和累加)的導(dǎo)入相對(duì)直接，只需要一個(gè)電荷轉(zhuǎn)移器件就可以完成。這技術(shù)最初用于信噪比最大化，然后用于CIS CCD以保存良好的圖像定義(MTF)。近年多個(gè)于模擬區(qū)域(電壓) 或數(shù)字區(qū)域復(fù)製信號(hào)累加的嘗試，為CMOS TDI開(kāi)拓新的發(fā)展方向。不論在太空地面觀測(cè)或是在機(jī)器視覺(jué)方面，CCD延遲積分結(jié)構(gòu)的低噪聲和高敏感度性能都廣受歡迎。不過(guò)現(xiàn)時(shí)最令人期待的發(fā)展是基于CMOS工藝、但擁有CIS CCD的優(yōu)點(diǎn)以及電荷轉(zhuǎn)移寄存器結(jié)合行式ADC轉(zhuǎn)換器的技術(shù) 。雖然有長(zhǎng)足進(jìn)步，CMOS圖像傳感器的敏感度在光線非常微弱應(yīng)用(如只有幾十微流明的環(huán)境) 仍然受限于讀出噪聲。使用電子倍增技術(shù)的EMCCD 顯示出在降噪方面的巨大潛力，因而受到科學(xué)成像市場(chǎng)的注意。一般來(lái)說(shuō)，就如 CCD被CMOS 傳感器取代一樣， EMCCD 也有潛力朝著電子倍增CMOS (electron multiplying CMOS，EMCMOS)的方向發(fā)展[20]。一如EMCCD，EMCMOS計(jì)劃改進(jìn)光線非常微弱應(yīng)用中的圖像質(zhì)量，以配合科學(xué)或監(jiān)視方面的應(yīng)用。CMOS 技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)更小更具智能的系統(tǒng)、降低功耗，以減低量產(chǎn)的成本。(即所謂的 SWAP-C 方法)。電子倍增的原理是在讀出鏈任何加入任何噪聲前為信號(hào)進(jìn)行增益，使得噪聲被增益攤分，以改進(jìn)信噪比?；贑CD原理，信號(hào)會(huì)以電子包的形式傳送，然后在讀出之前共同對(duì)每一個(gè)像素進(jìn)行倍增。CMOS的信號(hào)是在電壓域，因而倍增工作必需在源跟隨晶體管把噪聲加進(jìn)信號(hào)并傳送到浮點(diǎn)之前完成。
隨著3D成像的流行，需要物件深度的信息，飛行時(shí)間(Time-Of-Flight，TOF)技術(shù)在這一方面派上用場(chǎng)。TOF的原理是在傳感器平面上設(shè)置人工脈沖光源并發(fā)射出去，然后把反饋的反射波段用于相關(guān)函數(shù)計(jì)算來(lái)得出距離。這一技術(shù)于1995年于 “鎖定”CCD中首次提。而TOF在CMOS的應(yīng)用則是由CCD像素的啟發(fā)而來(lái)。另一方法則是使用電流輔助光子解調(diào)器(Current Assisted Photonic Demodulators，CAPD)測(cè)量深度。兩種方法都實(shí)現(xiàn)了工業(yè)3D傳感器的量產(chǎn)并實(shí)現(xiàn)了一系列的應(yīng)用如計(jì)算人數(shù)、安全監(jiān)控、計(jì)量學(xué)、工業(yè)機(jī)器人、手勢(shì)辨識(shí)和先進(jìn)汽車駕駛者輔助系統(tǒng) (ADAS)等。這是都是CCD技術(shù)衍生的意念成功過(guò)度到CMOS作改進(jìn)，再實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用大規(guī)模導(dǎo)入的典型例子。
CMOS 技術(shù)導(dǎo)入也衍生出新的應(yīng)用范圍。舉個(gè)例子，跟CCD在1980年代在專業(yè)相機(jī)領(lǐng)域替代現(xiàn)像管(vidicon tubes)相似，單光子雪崩二極管(Single- Photon Avalanche Diode，SPAD) 原來(lái)的開(kāi)發(fā)目的是作為光電倍增管(photomultiplier tubes，PMT)的固態(tài)替代產(chǎn)品。SPAD基本上是在所謂的蓋革模式(Geiger mode)中，依照擊穿模式上的反壓進(jìn)行偏置的p-n 結(jié)。不過(guò)這結(jié)構(gòu)十分不穩(wěn)定，任何能量改變都會(huì)導(dǎo)致雪崩效應(yīng)。這一特點(diǎn)被用于單光子感測(cè)。通過(guò)在SPAD和輸入電壓之間導(dǎo)入一個(gè)簡(jiǎn)單的電容元件，利用被動(dòng)抑制原理開(kāi)閉雪崩，或使用嵌入式MOSFET通道啟動(dòng)主動(dòng)抑制原理達(dá)到同一目的。這樣就可以製作代表量子事件的數(shù)字信號(hào)。根據(jù)原理，SPAD 一個(gè)基于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的CMOS技術(shù)，無(wú)需用于圖像傳感器的專門工藝。不過(guò)因?yàn)樗枰獜?fù)雜的電路，SPAD陣列的工作也較為復(fù)雜。跟光子的到達(dá)一樣， SPAD的引發(fā)和事件記數(shù)依定義是非同步的。CMOS技術(shù)因而是不二之選。例如這就能夠非常快速地啟動(dòng)掃描像素陣列，以確認(rèn)已轉(zhuǎn)換的像素。這些幀組合后就能製作一個(gè)視頻序列 [23]。
V. 總結(jié)
早期一些宣稱CCD年代終結(jié)的文章已被視為預(yù)言，只是實(shí)際的過(guò)渡時(shí)間比預(yù)計(jì)的長(zhǎng)許多。另一方面開(kāi)發(fā)用于CMOS圖像傳感器的圖像結(jié)構(gòu)種類和創(chuàng)新性都大大超越前人想像。隨著晶體管蝕刻工藝縮小化和CMOS生產(chǎn)技術(shù)演進(jìn)，這些創(chuàng)新都變得可行。大型工業(yè)成像廠商除了價(jià)格，還繼續(xù)在光電性能方面進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)?，F(xiàn)在的使用者已經(jīng)不是單單在乎于拍照，而是擷取人生中各個(gè)重要時(shí)刻，因而期待不論在任何光線狀況下都能拍出完美的照片。工業(yè)應(yīng)用也因著這些改進(jìn)，在其它一般范圍上得益。越來(lái)越多視覺(jué)系統(tǒng)也基于消費(fèi)者市場(chǎng)趨勢(shì)而調(diào)整其圖像傳感器要求，圖像縮小就是一個(gè)例子。而高速處理能夠提升高成本生產(chǎn)機(jī)器的產(chǎn)量并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化工藝和檢查，所以也是一個(gè)重要的經(jīng)濟(jì)因素。新的應(yīng)用正把傳感器推向性能極限并不允許圖像內(nèi)有更多噪聲，推動(dòng)了單光子成像技術(shù)。除了簡(jiǎn)單的攝影和顯示，3D擴(kuò)增實(shí)境技術(shù)也用盡了CMOS技術(shù)的所有潛能，提供另類的視覺(jué)空間體驗(yàn)。一如地球上的主要物種，CMOS傳感器已經(jīng)大大進(jìn)化并適應(yīng)其周遭環(huán)境。
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