固态图像传感器的60年演进与光子计数新纪元：从CCD到CMOS-QIS的技术革命

这篇综述系统梳理了近60年固态图像传感器（CCD/CIS）的技术演进，重点解析了电荷耦合器件（CCD）向互补金属氧化物半导体图像传感器（CMOS Image Sensor, CIS）的技术转型，并前瞻性地探讨了三维堆叠（3D Stacked）、量子图像传感器（QIS）等新前沿。文章特别强调光子计数技术（photon-counting）如何突破传统传感器的信噪比（SNR）极限，为低照度成像、科学探测等领域带来革新。通过对比CCD的电荷转移效率（CTE）问题与CIS的片上系统集成优势，揭示了技术迭代如何推动智能手机、医疗内窥镜、自动驾驶等跨领域应用。

　　

固态图像传感器的演进与新技术前沿

1. 引言

   人类捕捉图像的历史可追溯至史前时代，而数字图像传感器的出现彻底改变了光信号采集方式。作为数字相机的核心部件，图像传感器将光子转化为电信号，在智能手机、医疗设备、安防系统等领域广泛应用。从早期电荷耦合器件（CCD）到现今主流的互补金属氧化物半导体图像传感器（CIS），技术的迭代不仅重塑了成像质量标准，更通过社交媒体等载体深刻影响着社会文化进程。

2. 二十世纪发展里程碑

   2.1 摄像管技术的黎明

   电子成像技术始于阴极射线管（CRT）时代，其通过光电阴极表面扫描实现光信号转换。虽然真空管技术通过电荷存储提升了灵敏度，但体积庞大、功耗高等缺陷促使研究者转向固态解决方案。

2.2 1960年代固态传感器的萌芽

霍尼韦尔的光敏结型器件、IBM的扫描器阵列等早期尝试采用主动像素架构，但信噪比（SNR）和固定模式噪声（FPN）问题限制了应用。1967年Weckler提出的p-n结光电二极管首次实现像素内电荷积分，被动像素传感器（PPS）架构由此诞生。

2.3 CCD的黄金时代（1970-1990）

贝尔实验室发明的CCD凭借卓越的电荷转移效率（CTE）成为主流。关键技术突破包括：

• 帧转移（FT）CCD通过光学屏蔽存储区消除拖影

• 行间转移（ILT）CCD采用独立光电二极管（PD）与垂直CCD（VCCD）结构

• 钉扎光电二极管（PPD）通过p⁺钉扎层将界面态固定在耗尽区外，显著降低暗电流

• 微透镜阵列将有效孔径比提升至80%以上

• 拼接技术实现全画幅天文CCD传感器

2.4 CCD的技术瓶颈

随着分辨率提升，CCD暴露出固有缺陷：万次级电荷转移需99.9999%的单次CTE、多晶硅栅极工艺限制集成度、驱动功耗随帧率呈指数增长。这些限制在HDTV时代愈发明显。

2.5 CMOS图像传感器崛起

1990年代两项独立研究推动CIS复兴：

• 爱丁堡大学团队开发低成本被动像素架构

• NASA喷气推进实验室（JPL）发明带电荷转移的主动像素传感器（4T-PPD），关键创新包括：

  • 浮动扩散节点（FD）实现相关双采样（CDS）

  • 片上模数转换器（ADC）和数字信号处理（DSP）

  • 背照式（BSI）工艺将量子效率提升至90%

1. 二十一世纪技术突破

   3.1 制造工艺革新

   • 深沟槽隔离（DTI）技术抑制了亚微米像素的光电串扰

   • 三维堆叠将逻辑电路与像素阵列分层集成，带宽提升10倍

   • 铜混合键合实现每秒TB级数据传输

3.2 专用传感器发展

• 汽车CIS通过交错曝光实现120dB动态范围

• 胶囊内窥镜集成RF模块与微功耗CIS

• 动态视觉传感器（DVS）仅输出像素级光强变化事件

• 间接飞行时间（iToF）传感器实现毫米级测距精度

3.3 量子图像传感器（QIS）

突破传统SNR极限的两种技术路径：

• 单光子雪崩二极管（SPAD）阵列：6.4μm像素实现纳秒级时间分辨率

• CMOS-QIS：1.1μm像素通过超高转换增益（300μV/e^-）实现室温单电子检测，163M像素原型已展示0.15e^- r.m.s.的读出噪声

1. 新前沿技术

   • 超表面透镜（Metalens）有望替代传统光学模组

   • 量子点光谱传感器突破硅基材料带隙限制

   • 区块链技术用于图像真实性认证

   • 完美色彩路由器件消除拜耳阵列伪影

2. 结论

   从CCD到CIS的技术革命证明：图像传感器既是光学与半导体工艺的结晶，更是跨学科创新的试验场。随着QIS等新技术成熟，未来十年或将见证光子级成像在生物医学、深空探测等领域的突破性应用。但技术伦理问题如隐私侵犯、深度伪造等也需同步建立治理框架。