无惧暗光：图像传感器设计创新赋能超清成像

对于众多成像及机器视觉任务而言，速度是重中之重。这一指标的应用场景通常与图像采集帧率及采集时长相关。在工业检测、生产线质量检测等一系列应用中，高速成像技术至关重要，它能确保采集到的图像为终端用户提供尽可能多的有效信息。从这个角度来说，超高速成像技术是辅助用户做出科学决策的关键工具。

图：带微透镜的单光子雪崩二极管（SPAD）阵列特写图

图｜相关论文（来源：Pi Imaging）

终端用户可针对特定应用场景，对图像采集速度进行优化。借助现代化的图像处理软件与人工智能工具，实时图像分析技术已能在各类工业场景中落地应用。

遗憾的是，还有诸多其他因素会影响成像系统的性能，其中不少因素的优化与调控难度更高。

光照条件便是其中之一：光照不足会导致采集到的图像失去使用价值，甚至还会损坏成像系统中的部件与设备。尽管机器视觉、娱乐、园艺等行业早已采用行业标准照明方案或定制化照明设备，但面向其他应用领域的解决方案供应商，仍在攻克光照条件不稳定、多变的难题。

图：索尼半导体解决方案公司推出的 IMX735 型 CMOS 图像传感器专为车载摄像头设计，其有效像素达 1742 万，可提供出色的环境感知与目标识别性能，助力自动驾驶系统进一步提升安全性。

图｜相关论文（来源：Sony Semiconductor）

相关技术进展大多聚焦于传感器层面。针对交通、科学研究等领域的应用需求，研发人员正着力改进传感器系统，以实现复杂暗光环境下的高速、高精度成像。

CMOS 图像传感器的技术优势

尽管商用硅基 CMOS 图像传感器的光谱响应范围通常与人类肉眼一致，约为 400～700 纳米，但该范围往往可拓展至近红外波段。为 CMOS 传感器加装滤光片，还能进一步优化其性能表现。例如，可集成红外截止滤光片；而单色与彩色 CMOS 传感器则具备差异化功能优势，能够满足不同场景的应用需求。

CMOS 传感器主要有两种工作模式：卷帘快门与全局快门。卷帘快门传感器适用于被动照明场景，全局快门方案则更常用于主动照明应用。全局快门传感器可同时对所有像素进行采样，并读取整帧图像，因此能捕捉到高速移动物体无畸变的清晰画面；而传统卷帘快门传感器采用逐行读取像素的方式，无法实现这一点。搭配照明系统使用时，全局快门传感器还能帮助用户大幅降低功耗。

总部位于瑞士的 STMicroelectronics 公司，其全球快门 CMOS 传感器累计出货量已突破 15 亿颗。该公司的此类器件经过专门设计，在近红外波段表现优异，且可适应昏暗的工作环境。

以该公司的 ST BrightSense 系列传感器为例，其像素阵列中的每个像素均覆盖有微透镜，并配备导光管。这些结构可引导光线穿过模组透镜直达光电二极管，实现光子捕捉的汇聚与优化，从而提升传感器的光敏性能，最大化接收光量。在对 940 纳米波长的近红外光进行探测时，对光子传播路径的智能调控，是在保证成像清晰度的同时实现最佳光敏性能的关键。不过，降低像素串扰是一项技术难题，在 940 纳米这一波长下，该问题尤为突出。像素串扰会引发调制传递函数相关问题，进而影响全局快门 CMOS 传感器的成像锐度。

STMicroelectronics 的 ST BrightSense 全局快门 CMOS 传感器，采用先进的背照式像素技术，且具备全像素隔离设计，可确保成像的高锐度，精准捕捉画面细节。背照式传感器能提升量子效率，让光线更直接地抵达电荷转换层。此外，传感器的高光敏特性不仅能增强弱光环境下的成像表现，还可实现高速图像采集与快速响应。这些技术优势已在移动机器人避障、个人电子设备用户识别等应用场景中得到验证，该系列产品也被广泛应用于条形码扫描仪领域。

意法半导体成像相机传感器产品线经理Nicolas Roux表示，使用全局快门 CMOS 图像传感器时，需要在像素内部存储信息，这就必须引入存储节点。而如何确保存储节点不影响传感器的光敏性能，是实现高效弱光成像的关键，同时也是一项技术挑战。

意法半导体将这些存储节点与光电二极管集成在同一层。基于这一设计，传感器采用双层架构：顶层仅用于排布像素，底层则专用于集成各类电路，包括模数转换电路、图像信号处理电路、输出接口电路，甚至可集成局部计算机视觉处理电路。这种架构支持对不同层级进行差异化工艺调校：顶层可针对性优化光敏性能，底层则专注于实现低功耗与高集成度的电路设计。

图：Forza Silicon 的 ISIE19 型 CMOS 传感器（上图）与前代 ISIE11 型 CMOS 传感器（下图）的高动态范围（HDR）场景效果对比图

图｜相关论文（来源：Forza Silicon）

Roux还提到，通过采用垂直存储结构设计存储节点，不仅能确保全局快门 CMOS 传感器在弱光环境下的成像效果，还能使其适应光线频繁变化的场景。

“我们的目标是研发出低噪声的全局快门传感器。” Roux指出，“通常来说，全局快门传感器会存在一种我们称之为‘暗噪声’的干扰因素。因此，要打造一款暗噪声控制性能出色的全局快门传感器，难度不小。”

传感器底层集成的各类电路 —— 包括模数转换电路与图像处理电路，同样发挥着重要作用，它们有助于降低噪声，提升传感器的信噪比。

CMOS 传感器的崛起之路

CMOS 传感器的问世及其后续多代迭代发展的历程，其核心驱动力在于成本效益优势。20 世纪 70 年代末至 80 年代，CMOS 传感器凭借更高的性价比，成为电荷耦合器件（CCD）传感器的有力替代方案。尽管彼时 CMOS 传感器在读取噪声与成像质量上均不及 CCD 传感器，但亲民的价格仍推动其实现了初步的市场应用。

此后，CMOS 传感器的可扩展性优势进一步推动其市场渗透率的提升。这一优势虽随技术迭代不断演进，但时至今日依然是其核心竞争力之一。CMOS 的制造工艺，更是成为微电子与光电子领域实现规模化生产的关键所在。

即便 CMOS 传感器已广泛普及，Oxford Instruments Andor 等企业仍在持续研发和销售 CCD 相机。究其原因，CCD 传感器的独特优势在部分应用场景中仍具有不可替代性。

“ Oxford Instruments Andor 至今仍在销售这类深冷型 CCD 相机。”  Oxford Instruments 的 Alan Mullan 表示，“在发光分析等应用场景中，客户需要这类暗电流极低的相机，以支持长时间曝光工作。在这类场景下，CCD 相机的短板 —— 读取速度慢 —— 便显得无关紧要，毕竟每 20 分钟才进行一次信号采集。实验过程中需要长时间累积信号，因此对于探测工作而言，‘暗电流能降到多低’才是重中之重。”

图：高动态范围（HDR）科研级互补金属氧化物半导体（sCMOS）相机拍摄的图像（上图）。牛津仪器 Sona 系列显微镜相机所搭载的背照式 sCMOS 传感器，该传感器适用于荧光显微成像应用（下图）。

图｜相关论文（来源：Excelitas）

图｜相关论文（来源：Oxford Instruments）

像素尺寸作为决定成像质量的基本要素，是传感器设计时的核心考量指标。像素尺寸与成像分辨率之间存在此消彼长的权衡关系，同时还会直接影响传感器的成像灵敏度。更小的像素尺寸能提升图像分辨率，但代价是感光能力的下降。

这就导致传感器在弱光环境下成像时，画面会产生更多的噪声。

谈及 CMOS 图像传感器的普及，尤其是在弱光成像领域的应用，其一大竞争优势在于可制造出像素尺寸远小于 CCD 传感器的产品，这也形成了两者间一种有趣的市场博弈态势。CCD 传感器较大的像素尺寸，使其具备更低的读取噪声与暗电流特性。从本质上来说，传感器上更大的像素面积，才能提供弱光环境下高质量成像所需的灵敏度。

但与此同时，用户也不能忽视 CMOS 传感器的独特效用。成像相机在日间光照充足的环境下可正常工作，但到了夜间弱光或无光环境中，就需要具备相应的补偿能力。而能够在单帧图像中同时采集可见光与红外光信号的 CMOS 传感器，恰好能满足这一需求，具备出色的场景适应性。

“相较于成本高昂的 CCD 传感器，CMOS 传感器大幅降低了弱光成像技术的应用门槛。” Forza Silicon的业务拓展经理Uldric Antao表示。Antao还提到了单光子雪崩二极管（SPAD）这一部件，他指出，这类器件可通过二进制探测方式实现光子计数，在弱光环境下表现卓越，但在强光环境中的适用性则相对较差。

车载应用领域

汽车行业是一个必须直面光照条件多变这一挑战的领域。车载成像的光照考量范围覆盖车内与车外，原因在于需要同时采集这两个区域的图像，才能为驾驶员提供尽可能全面的周边环境信息。其中，夜间行驶时车辆会途经光照条件迥异的区域，这一工况对车载成像系统的挑战尤为突出。

车载成像技术的一大研发目标，是在弱光环境下捕捉到更清晰的图像，同时避免启用会快速消耗电池电量或造成过高功耗的系统。而 CMOS 传感器恰好擅长弱光环境成像，并且能够快速适应光线变暗的场景。

索尼半导体长期深耕高质量图像采集传感器领域，车载传感器是其重点方向之一。该公司认为，当前车载成像领域的热潮，与 21 世纪中后期智能手机成像技术的爆发存在相似之处。针对智能手机市场，索尼半导体的 CMOS 传感器实现了灵敏度、动态范围、分辨率与功耗的平衡。

Sony半导体公关高级经理Yoko Yasukouchi表示，下一个大型市场风口将出现在汽车领域。除工业应用或特殊安防场景外，多数成像系统都在力求达到人眼的视觉标准。这意味着成像系统要能同时清晰捕捉到暗夜星空中的星星，以及强光日光下的景物 —— 这一点对自动驾驶技术而言至关重要。

“尤其是在车载领域，图像传感器需要时刻具备宽动态范围，这样才能让汽车在驶入光线昏暗的停车场、穿过隧道时，都能清晰识别车辆内外的环境。” Sony 欧洲设计中心副主任 Jens Landgraf 指出。光照条件的剧烈变化，进一步提升了车载成像系统对高动态范围的需求。车辆四周的光照强度往往存在差异 —— 车头大灯、车尾刹车灯以及无光区域都会影响成像环境，这也凸显了高适应性传感器的必要性。

CMOS 传感器不仅能优化车外成像效果，也能提升车内图像的采集质量。在车内场景中，成像系统通常会搭配红外照明设备使用，可实时监测驾驶员是否出现困倦状态，或是否突发可能引发严重交通事故的疾病，具备极高的实用价值。此外，基于传感器开发的、能提醒驾驶员放下手机、专注驾驶的辅助系统，也具备快速落地应用的潜力。

图：小鼠脑切片的大视场二维结构光照明显微图像，其空间分辨率约为 130 纳米。

图｜相关论文（来源：Excelitas）

在车载 CMOS 传感器的选型上，系统设计人员更青睐全局快门类型。Landgraf 解释道：“在工业领域以及基于红外技术的应用场景中，全局快门可以与红外光源实现同步控制，能够精准地在图像采集期间对红外光进行脉冲调制，从而在最大化成像质量的同时降低系统功耗。但全局快门也存在短板，尤其是在车载场景下，传感器需要适应宽温度工作区间。因此，我们所有的车载传感器都必须通过严苛的可靠性测试，确保能在零下 40 摄氏度至零上 125 摄氏度的温度范围内稳定运行。”

而在车外感知场景中，卷帘快门传感器被证实具备出色的实用性，因为它能在极端温差环境下稳定工作。这一特性是车载环境中的一大优势，可支持传感器实现高效、低噪声的图像采集。此外，卷帘快门还能让多帧合成高动态范围技术更具成本效益，它可以直接在芯片上完成多帧曝光的合成处理，对存储资源的需求极低。

如今的车载传感器会搭载针对这类宽温区间设计的专用算法库，以此保障其安全性与有效性得到充分验证。不仅如此，鉴于汽车行业对安全性的严苛要求，车载传感器还必须具备长期稳定运行的能力，且无需频繁维护。

科研级互补金属氧化物半导体传感器

科研级互补金属氧化物半导体传感器（sCMOS）于21 世纪初面市，这是仙童成像（Fairchild Imaging）、安道尔科技（Andor Technology）与 PCO 成像三家企业联合研发的成果。该传感器基于标准 CMOS 工艺制造，凭借创新型像素架构，实现了低噪声与高速度的独特结合。这种架构使 sCMOS 传感器的读取噪声远低于电荷耦合器件（CCD）传感器（约 3–4 个电子）和传统 CMOS 传感器（约 10 个电子），同时还能满足科研成像与视觉应用所需的高帧率要求。

sCMOS 传感器专为科研与夜视领域设计，在光学显微镜领域应用广泛；它的问世，助力定位显微镜、超分辨显微镜等技术达到了当前的性能水平。定位显微镜的成像原理并非单纯捕捉光强信息，而是采集分子的位置信息（源于未聚焦图像），从而突破光学衍射极限，实现超高分辨率成像。在结构光照明显微技术中，sCMOS 传感器可使成像分辨率提升约 1 倍。此外，sCMOS 传感器还推动了荧光显微镜技术的发展，使其能够实现对活体生物的长期观测。

不过，尽管多种光学显微与成像技术都因 sCMOS 传感器及相机的应用而获益，这并不代表这类传感器不存在局限性。Mullan 指出：“sCMOS 相机的一大问题在于，其暗电流与热噪声水平远高于 CCD 相机。”

但首款 sCMOS 传感器研发团队成员、Excelitas公司的Gerhard Holst表示，sCMOS 传感器兼具低读取噪声、高帧率与高分辨率的特性，已然成为变革多种科研成像领域的关键技术支撑。

技术挑战

成像技术的发展趋势往往遵循一个相似的规律：在不增大光学尺寸的前提下，力求实现像素微型化，即在相同的感光区域内集成尺寸更小的像素单元。当前，部分弱光成像技术会采用一种名为像素合并或像素耦合的技术，通过合并像素的方式提升弱光感光能力，但这种方法会降低图像分辨率，不过最终输出的弱光成像效果通常仍能满足使用需求。

尽管 CMOS 传感器仍是当前的主流技术，但部分技术方向的发展已陷入瓶颈。Landgraf 特别指出，CMOS 成像技术在像素尺寸与量子效率两个维度上，正逐渐逼近其物理极限。

这也凸显出一个核心问题：在弱光及近红外波段实现高质量成像，本质上是一项极具挑战性的任务。通常而言，提升弱光环境下的成像效果，往往需要以牺牲分辨率或色彩还原度为代价。在弱光场景中，CMOS 传感器需要具备更高的量子效率与更大的光电二极管面积，才能捕捉到更多光线；而像素尺寸更大的 CCD 传感器，则受制于读取速度慢、功耗高的短板。

噪声抑制同样是一项技术难题。对于 CMOS 传感器，可以采用时域滤波技术，通过对每秒 120 帧的图像数据进行采集、对比与平均处理，来实现降噪。但更快的读取速度会带来更高的功耗，而功耗增加又可能产生额外的噪声。与许多技术一样，这其中存在着难以避免的性能取舍。

单光子雪崩二极管（SPAD）相机成像技术是一种颇具潜力的解决方案，这类相机能够从单个光子中提取大量信息。不过，目前这类系统在物理尺寸与像素尺寸上仍偏大，同时也难以适应光照条件多变的场景。

CMOS 传感器的未来发展

CMOS 传感器的技术进步将持续推动弱光成像系统朝着更小型化、更经济实惠的方向发展。更小尺寸的传感器还能预留出更多空间，用于集成其他技术，从而进一步降低噪声、缩短响应时间。

在堆叠架构的推动下，人工智能技术与片上功能集成度的提升，将为 CMOS 技术带来额外的发展动力。堆叠技术支持解耦式研发流程：像素芯片可独立完成研发，之后再与承担芯片特定功能的逻辑芯片集成；同时，该技术还能赋予用户功能修改的灵活性，且不会影响顶层晶圆的像素性能。

Landgraf 预测，堆叠技术甚至有望助力 CMOS 传感器实现人工智能运算。他表示：“目前已有将存储器与图像传感器堆叠集成的设计理念，这一方案有望打造出一款小型的边缘人工智能设备，让神经网络运算可以直接在图像传感器上完成。”

“通过在图像传感器上搭载存储器和处理单元，传感器无需输出完整的视频流，只需输出识别结果即可 —— 比如识别出‘人’‘物体’这类信息…… 具体输出内容取决于在芯片上加载的神经网络模型。”

作者

Lauren LeCours、 Joe Kuczynski

资讯来源

photonics.com, December 2025