CMOS | 摄影名词

CMOS，全称“互补金属氧化物半导体”（Complementary Mtal–Oide–Smiconductor 。它通过互补对称的P型MOS管和N型MOS管实现逻辑功能，广泛应用于各类集成电路的制造。

具体到影像领域，CMOS图像传感器（Cmos Image Senor，简称CIS）在今天的影像设备中也占据统治地位。它本质上是自带像素的芯片（Camera-On Chip），每个像素单元可以独立完成电荷转移与电压放大。

* 在本文内，CMOS代表半导体工艺，用CIS表示“CMOS图像传感器”。

在今天，绝大多数CIS都内置模数转换器（Analog-to-Digital Converter，简称ADC），可以向图像传感器输出数字信号。一些先进产品还集成了图像处理器或存储芯片，可以完成数据的初步处理与暂存。

▲ 一款索尼全画幅CMOS

易错项

是CMOS不是COMS！

CIS对比CCD

和CCD相比，CIS具有生产难度低、集成度高、良品率高等优点：

- 和广义上的CMOS相同，CIS可以在半导体生产线上制造。

- CCD需要搭配复杂的驱动系统才能将信号有序读取并放大；而CIS可将光电二极管、驱动器、控制器、ADC以及其他模块集成在一块芯片上，这有助于降低整个拍摄模块的尺寸和功耗。

- CCD上一个像素失效则意味着整行无法使用，CIS上个别像素失效可以通过屏蔽算法补偿，通常不影响使用。所以图像传感器尺寸越大、像素越高，CIS的成本优势就越明显。

▲ 索尼半导体官网的CMOS/CCD差异示意图

CIS的最主要短板是读取时间：逐行读取整个画面通常需要几十毫秒。由于行与行之间存在时差，在拍摄高速运动物体（比如高尔夫球杆、直升机螺旋桨），或在运动状态下拍摄（比如乘坐汽车/火车拍摄两侧的电线杆、护栏）时，直线会变得弯曲或倾斜。目前，缩短读取时间的办法有扩大ADC规模，在图像传感器上集成DRAM，又或者在像素单元内集成存储器等。

▲ 来自佳能全局快门传感器介绍页面

时间线

1980年，NEC公司发明了钉扎光电二极管（PPD），实现了低延迟、低噪声和更高的量子效率。这种二极管首先被用于CCD，后来也应用于CIS。同一时期，以奥林巴斯、东芝、佳能为代表的厂商开始研发替代CCD的图像传感器。

1993年，NASA JPL实验室的Eric R. Fossum（福萨姆）开发了基于CMOS、支持像素内电荷转移功能的图像传感器，成为当今CIS的鼻祖。他本人也因此荣获有“工程界诺贝尔奖”之称的Charles Stark Draper Prize for Engineering（查尔斯·斯塔克·德雷普奖）。

不过，Fossum的发明并没有得到NASA重视。为了继续研究，他创立了Photobit，后来被Micron（美光）收购。