【产品动态】了解CMOS图像传感器的进化：堆栈式与单芯片的区别
发布时间：2025-10-31 16:18:42 阅读数： 116
平面显示器的像素级缺陷检测、基因测序的高速成像、数字病理学的精准分析 —— 这些场景的核心成像部件，正是 CMOS 图像传感器。作为现代视觉技术的 “眼睛”，CMOS 图像传感器已从早期单芯片结构进化到堆栈式设计，两者在性能、结构、应用上差异显著。而 Teledyne DALSA 的 Linea HS?相机，基于领先的 CMOS TDI 技术（堆栈式进阶应用），将堆栈式优势发挥到极致，成为苛刻场景的优选，今天就从结构到性能，拆解两者的核心区别与进化价值。
一、先搞懂：单芯片与堆栈式 CMOS 的核心结构差异
CMOS 图像传感器的核心是 “感光 + 信号处理”，两种结构的本质区别，在于这两个功能的 “布局方式”，就像 “一室一厅” 和 “复式公寓” 的差异，直接决定性能上限：
1. 单芯片 CMOS：“感光与电路挤在同一层”
结构特点：感光二极管（负责捕捉光线）和信号处理电路（放大器、ADC 等）集成在同一块半导体芯片上，电路围绕感光区域周边或穿插布局，就像 “在农田里穿插盖房子”；
核心优势：结构简单、成本低、工艺成熟，研发和制造成本比堆栈式低 30%-50%；
致命局限：感光区域和电路区域相互抢占空间 —— 电路占比越高，感光面积越小，导致灵敏度不足；反之，感光面积大则电路布局受限，信号处理速度慢、噪声高。
典型应用：早期手机相机、低端监控摄像头，比如入门级监控相机的单芯片 CMOS，像素尺寸仅 3μm，低光下噪点明显，动态范围不足 60dB。
2. 堆栈式 CMOS：“感光与电路分层堆叠”
结构特点：采用 “双层堆叠” 设计 —— 上层是纯感光层（仅布置感光二极管，最大化感光面积），下层是独立信号处理层（集成所有电路，布局不受感光区域限制），两层通过微小的 “硅通孔（TSV）” 垂直连接，就像 “复式公寓：上层住人（感光），下层办公（电路）”；
核心优势：感光层无电路占用，像素尺寸可缩小但感光效率不降，同时电路层可搭载更复杂的处理单元，实现高速、低噪、高动态范围；
技术延伸：Linea HS?相机采用的 CMOS TDI 技术，正是堆栈式结构的进阶应用 —— 通过多层感光单元 “时序积分”，进一步提升灵敏度和成像速度，比普通堆栈式更适配高速运动场景。
典型应用：高端工业相机、专业影像设备、精密检测仪器，比如 Linea HS?用于平面显示器检测，能捕捉到 0.1μm 级的微小缺陷。
二、核心性能对比：4 个维度看懂进化优势
单芯片与堆栈式的性能差异，直接影响应用场景的适配性，以下 4 个维度是网民热搜高频点，也是 Linea HS?相机的核心竞争力，用具体数值直观体现：
| 性能维度 | 单芯片 CMOS | 堆栈式 CMOS（含 CMOS TDI） | 关键差异价值 |
| 感光效率 | 像素尺寸 3-5μm，感光面积占比≤70%，低光响应差 | 像素尺寸可至 1.4μm（仍保感光效率），感光面积占比≥90%，Linea HS™像素 5×5μm，高灵敏度设计 | 堆栈式低光下信噪比比单芯片高 2-3 倍，Linea HS™可检测微弱光信号，适配暗场检测场景 |
| 动态范围 | 多在 50-60dB，强光过曝、弱光欠曝明显 | 普遍≥70dB，Linea HS™达 70dB HDR，支持强光弱光同时清晰成像 | 堆栈式可同时捕捉亮区细节（如显示器高亮像素）和暗区缺陷（如微小黑点），单芯片易丢失细节 |
| 信号处理速度 | 行率多≤100kHz，数据传输速率≤1Gbps | Linea HS™最大行率 400kHz，单光纤传输达 8.4Gigapixels / 秒 | 堆栈式处理速度是单芯片的 4 倍以上，Linea HS™可满足基因测序（每秒千?。?、高速生产线检测需求 |
| 噪声控制 | 电路干扰大，读出噪声≥20e- | 电路与感光层隔离，读出噪声≤10e-，Linea HS™增益范围 1x-10x 可调 | 堆栈式噪声比单芯片低 50%，Linea HS™可通过增益调节压制噪声，数字病理学成像无杂点干扰 |
关键补充：CMOS TDI 技术的进阶优势
Linea HS?采用的 CMOS TDI（时间延迟积分）技术，是堆栈式结构的 “性能加强版”—— 通过多层感光单元对运动目标进行 “时序积分”，相当于 “多次曝光叠加”，既提升了灵敏度（比普通堆栈式高 3 倍），又不牺牲成像速度，完美解决 “高速运动目标 + 微弱信号” 的成像痛点，比如在印刷电路板（PCB）高速检测中，既能捕捉到 0.05mm 的微小划痕，又能适配 2m/s 的生产线速度。
三、应用场景划分：没有 “谁更好”，只有 “谁更对”
两种结构的 CMOS 图像传感器并非 “替代关系”，而是针对不同需求的 “精准适配”，结合 Linea HS?的应用案例，更能看清选型逻辑：
1. 单芯片 CMOS：适合 “低成本、低要求” 场景
适配需求：对速度、灵敏度、动态范围要求不高，追求性价比，比如：
入门级监控摄像头（仅需捕捉大致画面）；
玩具相机、低端行车记录仪（成本控制优先）；
简单物体计数（如传送带上的零件数量统计，无精度要求）。
2. 堆栈式 CMOS（含 CMOS TDI）：适合 “高要求、苛刻场景”
适配需求：需要高速、高灵敏度、高动态范围，容忍较高成本，比如 Linea HS?的核心应用：
平面显示器检测：400kHz 高行率 + 5×5μm 像素，可检测 LCD/OLED 屏幕的像素缺陷、划痕，检测精度达 0.1μm，比单芯片相机效率提升 4 倍；
基因测序：8.4Gigapixels / 秒高速传输，配合 HDR 功能，捕捉 DNA 片段的荧光信号，测序速度比单芯片设备快 2 倍，错误率降低 30%；
数字病理学：高灵敏度 + 低噪声，可清晰呈现病理切片的细胞细节，无杂点干扰，医生诊断准确率提升 15%；
PCB 检测：可编程系数集 + 快速系数更改，适配不同规格 PCB 的缺陷检测，GPIO 独立控制功能可联动生产线报警，减少不良品流出。
四、产品推介：Linea HS?相机 —— 堆栈式 CMOS 的性能标杆
Teledyne DALSA 的 Linea HS?相机，作为堆栈式 CMOS TDI 技术的代表产品，不仅完美继承堆栈式的所有优势，更针对工业场景做了精准优化，成为苛刻应用的 “刚需之选”：
1. 核心参数适配苛刻需求
速度与传输：最大行率 400kHz，单光纤电缆传输 8.4Gigapixels / 秒，比同类堆栈式相机快 20%，适配高速生产线、基因测序等场景；
画质与灵活度：8/12 位数据格式可选，70dB 高动态范围，1x-10x 增益可调，既能捕捉微弱信号（如暗场缺陷），又能避免强光过曝（如金属表面反光）；
稳定性与适配性：操作温度 0-65℃，支持 M58/M90 两种透镜支架，兼容不同焦距镜头，CE、FCC、RoHS 合规，工业现场长期运行无故障（MTBF 超 5 万小时）。
2. 厂家技术背书：工业视觉的专业积淀
Teledyne DALSA 作为 Teledyne Imaging Group 旗下核心品牌，深耕 CMOS TDI 技术多年，Linea HS?相机凭借行业领先的性能斩获多项奖项。其产品优势源于：
专属 CMOS TDI 芯片设计，感光与电路分层优化，无信号干扰；
GenICam?兼容接口 + GPIO 独立控制，可无缝对接工业控制系统，快速集成；
全球技术支持（美洲、欧洲、亚太多地设有办事处），上海、东京等地可提供本地化服务，适配不同地区的工业需求。
3. 场景化优势：解决实际痛点
对高速场景：400kHz 行率比单芯片相机快 4 倍，PCB 生产线检测效率提升 300%；
对高精度场景：5×5μm 像素 + 高灵敏度，平面显示器的 0.1μm 缺陷无漏检；
对复杂光环境：HDR 功能 + 增益可调，数字病理学切片的亮区、暗区细节同时清晰，无过曝或欠曝。
五、总结：CMOS 图像传感器的进化逻辑 ——“分层释放性能”
从单芯片到堆栈式，CMOS 图像传感器的进化核心是 “结构优化释放性能上限”：单芯片靠 “简单布局” 降低成本，满足基础需求；堆栈式靠 “分层设计” 解决 “感光与电路的矛盾”，实现高速、高敏、低噪的突破；而 Linea HS?的 CMOS TDI 技术，更是在堆栈式基础上进一步提升 “运动目标成像能力”，成为工业视觉、科研成像的高端标杆。
选型时无需盲目追 “堆栈式”，若预算有限、需求简单，单芯片仍是优??；但如果是高速、高精度、复杂光环境的苛刻场景，堆栈式 CMOS（如 Linea HS?）能显著提升效率与精度，长期来看更具性价比。
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Linea?HS系列 4096 x CMOS TDI多功能相机
型号：Linea?HS
厂家：1stVision
概述：基于Teledyne DALSA行业领先的CMOS TDI技术，获奖的Linea HS?相机是市场上最先进的TDI产品，提供最高性能和独特功能，显著提高许多苛刻应用的可检测性。适用于平面显示器检测、基因测序等多个应用，提供最高性能和独特功能。
