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

CMOS傳感器的基本結構由感光像素陣列、行驅動電路、列讀出電路、模數(shù)轉換器（ADC）組成。感光像素陣列是傳感器的核心，每個像素包含一個感光二極管（PD）和若干晶體管，感光二極管接收光線后產(chǎn)生光生電荷，電荷量與光照強度成正比；行驅動電路負責逐行選中像素；列讀出電路將像素的電信號轉換為電壓信號；ADC將模擬電壓信號轉換為數(shù)字信號，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、動態(tài)范圍三大核心指標展開。

感光能力優(yōu)化是提升弱光成像質量的關鍵，核心技術包括像素結構創(chuàng)新與感光材料升級。像素結構方面，背照式（BSI）技術將傳統(tǒng)前照式（FSI）傳感器的感光二極管與晶體管位置互換，減少晶體管對光線的遮擋，使感光效率提升30%-50%；堆棧式（Stacked）技術進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）的應用，使傳感器能夠響應近紅外光，拓展了多光譜成像的應用場景；量子點材料的研究則有望進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光照時產(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、設計暗電流補償電路；讀出噪聲是列讀出電路與ADC在信號讀取過程中產(chǎn)生的噪聲，通過采用高精度ADC、優(yōu)化讀出電路架構（如相關雙采樣CDS技術），可有效降低讀出噪聲；散粒噪聲是光生電荷的隨機波動引起的，屬于固有噪聲，可通過增大像素尺寸、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（MFNR）通過融合多幀圖像的信號，進一步抑制噪聲，提升弱光場景的信噪比。

動態(tài)范圍優(yōu)化是解決逆光、強光比場景成像問題的關鍵，動態(tài)范圍指傳感器能同時捕捉的最亮與最暗區(qū)域的亮度比值，單位為dB。傳統(tǒng)CMOS傳感器的動態(tài)范圍約為60-80dB，無法滿足復雜光照場景的需求，優(yōu)化技術主要包括雙轉換增益（DCG）技術、HDR成像技術。雙轉換增益技術通過切換像素的電荷轉換增益模式，在暗部區(qū)域采用高增益模式，提升弱信號的放大能力，在亮部區(qū)域采用低增益模式，避免信號飽和，可將動態(tài)范圍提升至100dB以上；HDR成像技術通過采集多幀不同曝光時間的圖像，融合亮部與暗部細節(jié)，實現(xiàn)120dB以上的超高動態(tài)范圍，是目前嵌入式攝像頭的主流動態(tài)范圍優(yōu)化方案。

此外，像素合并（Binning）技術也是CMOS傳感器的重要性能優(yōu)化手段，通過將相鄰的2×2或4×4像素合并為一個像素，提升單個像素的進光量，同時降低分辨率，實現(xiàn)“高感光”與“高分辨率”的靈活切換。例如，在弱光場景下，采用2×2 Binning模式，將4個1.0μm的像素合并為一個2.0μm的像素，進光量提升4倍，信噪比顯著提高；在強光場景下，關閉Binning模式，恢復原始分辨率，保證圖像細節(jié)。

未來，CMOS傳感器技術將朝著更高分辨率、更小像素尺寸、更強環(huán)境適應性方向發(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）將實現(xiàn)更高的像素密度，縮小傳感器體積；同時，耐高低溫、抗輻射的特種傳感器將逐步應用于工業(yè)、航天等極端場景。