圖像傳感器是嵌入式攝像頭的核心部件，其作用是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，是決定成像質(zhì)量的關(guān)鍵。目前主流的圖像傳感器為CMOS傳感器，其技術(shù)原理與性能優(yōu)化直接影響嵌入式攝像頭的應(yīng)用效果。

CMOS傳感器的基本結(jié)構(gòu)由感光像素陣列、行驅(qū)動(dòng)電路、列讀出電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）組成。感光像素陣列是傳感器的核心，每個(gè)像素包含一個(gè)感光二極管（PD）和若干晶體管，感光二極管接收光線后產(chǎn)生光生電荷，電荷量與光照強(qiáng)度成正比；行驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)逐行選中像素；列讀出電路將像素的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；ADC將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸出原始圖像數(shù)據(jù)（RAW數(shù)據(jù)）。

CMOS傳感器的性能優(yōu)化主要圍繞感光能力、噪聲控制、動(dòng)態(tài)范圍三大核心指標(biāo)展開(kāi)。

感光能力優(yōu)化是提升弱光成像質(zhì)量的關(guān)鍵，核心技術(shù)包括像素結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與感光材料升級(jí)。像素結(jié)構(gòu)方面，背照式（BSI）技術(shù)將傳統(tǒng)前照式（FSI）傳感器的感光二極管與晶體管位置互換，減少晶體管對(duì)光線的遮擋，使感光效率提升30%-50%；堆棧式（Stacked）技術(shù)進(jìn)一步將感光層與電路層分離，電路層置于感光層下方，不僅提升感光效率，還能集成更多功能模塊（如ISP、DRAM），實(shí)現(xiàn)更高的集成度。感光材料方面，新型光電二極管材料（如InGaAs）的應(yīng)用，使傳感器能夠響應(yīng)近紅外光，拓展了多光譜成像的應(yīng)用場(chǎng)景；量子點(diǎn)材料的研究則有望進(jìn)一步提升感光靈敏度與色彩還原度。

噪聲控制是提升圖像清晰度的核心，CMOS傳感器的噪聲主要包括暗電流噪聲、讀出噪聲、散粒噪聲。暗電流噪聲是像素在無(wú)光照時(shí)產(chǎn)生的電荷，主要由像素的熱激發(fā)引起，優(yōu)化方法包括降低傳感器工作溫度、采用低暗電流的感光材料、設(shè)計(jì)暗電流補(bǔ)償電路；讀出噪聲是列讀出電路與ADC在信號(hào)讀取過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲，通過(guò)采用高精度ADC、優(yōu)化讀出電路架構(gòu)（如相關(guān)雙采樣CDS技術(shù)），可有效降低讀出噪聲；散粒噪聲是光生電荷的隨機(jī)波動(dòng)引起的，屬于固有噪聲，可通過(guò)增大像素尺寸、提升感光效率，增加光生電荷數(shù)量，降低散粒噪聲的影響。此外，多幀降噪技術(shù)（MFNR）通過(guò)融合多幀圖像的信號(hào)，進(jìn)一步抑制噪聲，提升弱光場(chǎng)景的信噪比。

動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)化是解決逆光、強(qiáng)光比場(chǎng)景成像問(wèn)題的關(guān)鍵，動(dòng)態(tài)范圍指?jìng)鞲衅髂芡瑫r(shí)捕捉的最亮與最暗區(qū)域的亮度比值，單位為dB。傳統(tǒng)CMOS傳感器的動(dòng)態(tài)范圍約為60-80dB，無(wú)法滿足復(fù)雜光照?qǐng)鼍暗男枨?，?yōu)化技術(shù)主要包括雙轉(zhuǎn)換增益（DCG）技術(shù)、HDR成像技術(shù)。雙轉(zhuǎn)換增益技術(shù)通過(guò)切換像素的電荷轉(zhuǎn)換增益模式，在暗部區(qū)域采用高增益模式，提升弱信號(hào)的放大能力，在亮部區(qū)域采用低增益模式，避免信號(hào)飽和，可將動(dòng)態(tài)范圍提升至100dB以上；HDR成像技術(shù)通過(guò)采集多幀不同曝光時(shí)間的圖像，融合亮部與暗部細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)120dB以上的超高動(dòng)態(tài)范圍，是目前嵌入式攝像頭的主流動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)化方案。

此外，像素合并（Binning）技術(shù)也是CMOS傳感器的重要性能優(yōu)化手段，通過(guò)將相鄰的2×2或4×4像素合并為一個(gè)像素，提升單個(gè)像素的進(jìn)光量，同時(shí)降低分辨率，實(shí)現(xiàn)“高感光”與“高分辨率”的靈活切換。例如，在弱光場(chǎng)景下，采用2×2 Binning模式，將4個(gè)1.0μm的像素合并為一個(gè)2.0μm的像素，進(jìn)光量提升4倍，信噪比顯著提高；在強(qiáng)光場(chǎng)景下，關(guān)閉Binning模式，恢復(fù)原始分辨率，保證圖像細(xì)節(jié)。

未來(lái)，CMOS傳感器技術(shù)將朝著更高分辨率、更小像素尺寸、更強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性方向發(fā)展。高分辨率傳感器（如2億像素）將滿足高清成像需求；小像素尺寸傳感器（如0.6μm）將實(shí)現(xiàn)更高的像素密度，縮小傳感器體積；同時(shí)，耐高低溫、抗輻射的特種傳感器將逐步應(yīng)用于工業(yè)、航天等極端場(chǎng)景。