Understanding CMOS Image Sensor(一)

转自知乎Camera技术专家 刘斯宁

链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/100777121

前言

摄像机用来成像的感光元件叫做image sensor或imager。CMOS Image Sensor (CIS) 最早是美国喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory, JPL）的一个研究项目，Dr. Eric Fossum 是业界公认的CIS技术发明人。

1992年，Dr. Eric R. Fossum 在美国加州Pasadena(帕萨迪纳)的喷气推进实验室工作，负责NASA一些雄心勃勃的太空探测器的建造和运行。那一年NASA向员工们发出了一个颇为有趣的要求 ——“更快，更好，更便宜”。作为JPL图像传感器研究的负责人，Fossum 负责重新发明NASA太空船上的巨型相机。当时在数码摄影市场上已经应用了CCD技术，但是CCD需要消耗大量的能量和相当多的支持芯片。Fossum 团队发现，如果能够消除在成像阵列中反复转移电荷的需要，那么这两个问题都将解决，于是就诞生了CMOS有源像素传感器。下图是JPL 首个CMOS APS 芯片，只有28×28个像素，像素尺寸40umx40um，诞生于1993年4月。APS 是Active Pixel Sensor （主动像素传感器）的缩写。

CMOS sensor 的本质是自带像素的相机芯片（”camera-on-chip”），每个像素都可以进行自己的电荷转换，从而显着减少产生图像所需要的能量和支持电路。此外，CMOS传感器采用与大多数微处理器和存储器芯片相同的材料和技术制造，使其更容易制造并且最具成本效益。

CMOS的确“更快，更好，更便宜”，但是NASA的反响却并不乐观。Fossum 说“人们完全投入了CCD阵营，不相信这可以做到，甚至都没兴趣听一听。”但是Fossum 不是一个轻易屈服的人，在四处寻求投资无果之后，1995年Fossum 和他的妻子以及一位JPL同事Sabrina Kemeny 用自有资金创办了Photobit 公司。

Eric Fossum 和 Sabrina Kemeny

一年后Fossum 离开了JPL全职加入Photobit，并邀请到了Georgia Tech 新博士毕业生Dr. Michael Kaplinsky 也加入Photobit 继续推进CMOS sensor 设计，这样一干就是5年，其中的艰辛想必也是不堪回首。最终Photobit 于2001年被美光半导体（Micron Technology）收购，成为了美光的CMOS业务部门，Michael 担任美光SoC Group 经理，主导了MT2000 （200万像素CMOS sensor）和的后续300万、500万像素sensor的开发并取得了商业成功。

在美光收购之前的2000年，Fossum 邀请了另一位高人Dr. Junichi Nakamura 加入了Photobit。Dr. Nakamura 毕业于东京大学，在奥林巴斯从事光学工作，并于1993~1996年间在JPL 做访问学者参与CMOS sensor 的设计开发。这位仁兄后来去了日本美光，并出版了一本非常不错的专著，建议从事camera 行业的同仁都该买一本惠存。

2003年Dr. Michael Kaplinsky和一位美光同事Dr. Vladimir Berezin 预见到高清CMOS sensor 的时代已经到来，他们必须做点什么，于是他们成立了Arecont Vision公司开始开发高清安防摄像机，Dr. Berezin 拿出了自己大部分积蓄，而Dr. Kaplinsky 向银行抵押了自己的唯一住房以换取40万美金的创业贷款，当这笔钱还剩下4000块的时候，Kaplinsky 和 Berezin 需要决定公司是准备两个月后关门，还是用这笔钱去Las Vegas参加世界安防展，去那里碰碰运气找找客户，如果找不到也就认命了。显然Kaplinsky 和Berezin 赌对了，在经历了种种磨难之后终于通过展会找到了第一笔订单，公司也迎来了转机和接下来蒸蒸日上的发展。Kaplinsky 于2006年底邀请到了Purdue 新毕业生Mr Sining Liu（也就是笔者）加入Arecont Vision 从事CMOS高清摄像机的开发，使笔者有机会亲身历证了世界安防行业的繁荣伴随着中国安防的崛起和外企的逐渐衰落。在曾经属于AV 的时代，笔者交付的camera 跟随米军部署在伊拉克战场最前线，跟随SpaceX Dragon 货运飞船进入了太空，也曾在东方大国的国庆阅兵仪式中默默服役。

由于发展理念上的分歧，Fossum 后来离开了美光，携巨款去南加州大学过起了安稳的教授生活，凭借历史上的贡献还能时不时获个伊丽莎白女王奖。美光的Pasadena office最终全部关闭，其CMOS部门于2008年独立出来成为了Aptina，后来又在2014年被ON Semiconductor 收购。美光的Pasadena office关闭后催生了一批camera相关的创业公司，有的做高速camera，有的做运动camera，有的做手机camera，有的做安防camera，虽然各有各的艰辛，但也各有各的乐趣。Pasadena是一个特别美丽的城市，笔者周末开车闲逛时也会经常路过JPL，总会想起这段历史。。。

P.S. 据史料记载，1936年时，加州理工大学的五个学生在宿舍里制作火箭燃料，结果发生了爆炸，把宿舍墙炸出了一个洞。令人不可思议的是，学校竟然没有收缴他们的作案工具，而是把他们赶到了郊外的一块河谷上让他们在那里继续做实验，于是他们就用学校的资助在河谷上建了一个火箭实验基地，这就是JPL的前身。那五个学生中就有“中国导弹之父”钱学森。

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