3D視覺系統(tǒng)的“眼睛”

圖像傳感器，或稱感光元件,，是一種將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)的器件,，它猶如人類的眼睛一樣，感受著大自然的絢麗多姿,。圖像傳感器是組成數(shù)字?jǐn)z像頭的重要組成部分,，廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和其它電子光學(xué)設(shè)備中,。

圖像傳感器

在基于結(jié)構(gòu)光和飛行時(shí)間（ToF）原理的3D視覺系統(tǒng)中,，近紅外圖像傳感器能夠感受近紅外光，將近紅外光信息處理為物體的深度位置（Z軸）,；同時(shí),，可見光圖像傳感器采集物體的二維平面（X與Y軸）可見光信息（Vis Light）；圖像傳感器的信息匯總至專用的圖像處理芯片,，從而得到物體的三維數(shù)據(jù),，實(shí)現(xiàn)空間定位,。兩個(gè)圖像傳感器構(gòu)成了3D視覺系統(tǒng)的“眼睛”，捕捉外界環(huán)境信息,；圖像處理芯片和存儲(chǔ)器構(gòu)成了3D視覺系統(tǒng)的“大腦”,，進(jìn)行信息的處理和存儲(chǔ)。

圖像傳感器的圖像信息采集過程

移動(dòng)市場(chǎng)是圖像傳感器產(chǎn)業(yè)的主要應(yīng)用領(lǐng)域,，盡管手機(jī)數(shù)量接近飽和,，但是由于3D攝像頭的出現(xiàn)，激光雷達(dá),、自動(dòng)駕駛,、無人機(jī)拍攝、生物特征識(shí)別,、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等新興應(yīng)用的需求,，圖像傳感器的市場(chǎng)仍將繼續(xù)保持穩(wěn)定的增長(zhǎng)勢(shì)頭。

洞悉圖像傳感器原理

根據(jù)元件的不同,，圖像傳感器通?？煞譃镃CD（Charge-Coupled Device，電荷耦合器件）和CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor,，互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體器件）兩大類,。

20世紀(jì)70年代，CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器同時(shí)起步,。CCD圖像傳感器由于靈敏度高,、噪聲低，逐步成為圖像傳感器的主流,。但由于工藝上的原因,，敏感元件和信號(hào)處理電路不能集成在同一芯片上，造成由CCD圖像傳感器組裝的攝像機(jī)體積大,、功耗大,。CMOS圖像傳感器以其體積小、功耗低在圖像傳感器市場(chǎng)上獨(dú)樹一幟,。最初市場(chǎng)上的CMOS圖像傳感器,，一直沒有擺脫光照靈敏度低和圖像分辨率低的缺點(diǎn),，圖像質(zhì)量還無法與CCD圖像傳感器相比,。但是，近年來由于CMOS成像技術(shù)不斷提升,、生產(chǎn)成本不斷降低,，智能手機(jī)廣泛采用CMOS圖像傳感器，使得CCD圖像傳感器在市場(chǎng)的占有率從2010年起不斷下降,。圖像傳感器巨頭索尼更是宣布將于2017年停產(chǎn)CCD圖像傳感器,。

1. CCD

早在1969年,，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的維拉·波義耳（Willard S. Boyle）和喬治·史密斯（George E. Smith）發(fā)明了CCD，CCD一度作為傳統(tǒng)膠片的取代物,，引領(lǐng)潮流,。CCD的基本功能是電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移。

構(gòu)成CCD的基本單位是MOS電容器,，類似于MOS晶體管結(jié)構(gòu),，和其它電容器一樣，MOS電容器能夠儲(chǔ)存電荷,。當(dāng)器件受到光照時(shí)（光可從各電極的縫隙間經(jīng)過SiO2層射入,，或經(jīng)襯底的薄P型硅射入），光子的能量被半導(dǎo)體吸收,，產(chǎn)生電子-空穴對(duì),，電子被吸引存貯在勢(shì)阱中，這些電子是可以傳導(dǎo)的,。光越強(qiáng),，勢(shì)阱中收集的電子越多，光弱則反之,，這樣就把光的強(qiáng)弱變成電荷的數(shù)量,，實(shí)現(xiàn)了光與電的轉(zhuǎn)換，而勢(shì)阱中收集的電子處于存貯狀態(tài),，即使停止光照一定時(shí)間內(nèi)也不會(huì)損失,，這就實(shí)現(xiàn)了對(duì)光照的記憶。這是電荷的儲(chǔ)存過程,。

若CCD的基本單位MOS電容器之間排列足夠緊密,，那么MOS電容的勢(shì)阱相互耦合，慢慢電荷就可以發(fā)生轉(zhuǎn)移了,。上述結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是個(gè)微小的MOS電容,，用它構(gòu)成像素，既可“感光”又可留下“潛影”,，感光作用是靠光強(qiáng)產(chǎn)生的電子電荷積累,，潛影是各個(gè)像素留在各個(gè)電容里的電荷不等而形成的。若能設(shè)法把各個(gè)電容里的電荷依次傳送到輸出端,，再組成行和幀并經(jīng)過“顯影”就實(shí)現(xiàn)了圖像的傳遞,，最終呈現(xiàn)出一幅完整的畫面。

CCD的結(jié)構(gòu)和工作原理（以P型硅為例）

CCD具有技術(shù)成熟,、成像質(zhì)量高,、靈敏度高、噪聲低,、動(dòng)態(tài)范圍大,、響應(yīng)速度快,、圖像畸變小等優(yōu)勢(shì)。但是,，如果想要得到像素高的圖片,，需要增加像素?cái)?shù)也就是CCD上感光元件的數(shù)量，這就帶了制造成本增加和成品率下降等一系列問題,。因此,，CMOS圖像傳感器則應(yīng)運(yùn)而生。

2. CMOS

CMOS圖像傳感器（CMOS Image Sensor,，簡(jiǎn)稱 CIS）,。CMOS圖像傳感器在問世初期成本很高，但隨著大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展,，量產(chǎn)能力提升,，成本降低。相比CCD,，CMOS圖像傳感器功耗更低,，集成度高，讀取電路簡(jiǎn)單,，讀取速度快,。雖然某些成像指標(biāo)差于CCD，但隨著工藝的改進(jìn),，CIS的應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大,。特別是3D攝像頭的出現(xiàn)，CMOS圖像傳感器市場(chǎng)仍能實(shí)現(xiàn)2016~2022年10.5%的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）,。攝像頭從2D轉(zhuǎn)變?yōu)?D,，驅(qū)動(dòng)著CMOS圖像傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)生變化，從成像質(zhì)量到人機(jī)交互,。新興應(yīng)用,，如無人機(jī)拍攝、生物特征識(shí)別,、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等,，也是CMOS圖像傳感器的潛在用戶。

CMOS圖像傳感器的應(yīng)用趨勢(shì)

CMOS圖像傳感器由微透鏡,、顏色濾鏡,、金屬電路、光電二極管,、硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管所構(gòu)成,?？梢钥吹筋伾珵V鏡的紅,、綠,、藍(lán)的比例為1:2:1，綠色的比例高于其他兩種顏色,，這是因?yàn)槿搜蹖?duì)綠色最敏感,，這樣可以模擬人眼的視覺感受。光源經(jīng)由顏色濾鏡照射光電二極管,，在光電二極管內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì),。將電子-空穴對(duì)分離，并經(jīng)硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管放大信號(hào)送至數(shù)據(jù)線,，最后經(jīng)圖像處理芯片處理后輸出影像,。

CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

前照式（Front-illuminated Structure，F(xiàn)SI）曾經(jīng)為CMOS圖像傳感器所采用的主流技術(shù),，具有大批量生產(chǎn)能力,、高可靠性和高良率以及頗具吸引力的性價(jià)比等優(yōu)勢(shì)。從工作原理來講,，光是從前面的金屬電路進(jìn)入,，然后再聚焦在光電二極管上。對(duì)于較大的像素,，F(xiàn)SI都十分有效,，因?yàn)橄袼囟询B（pixel stack）高度與像素面積之比很大，致使像素的孔徑也很大,。日益縮小的像素需要一系列像素技術(shù)創(chuàng)新來解決FSI技術(shù)在材料和制造方面的局限性,。

背照式（Back-illuminated Structure，BSI）是如今的技術(shù)趨勢(shì),。采用BSI構(gòu)建像素,，光線無需穿過金屬互連層。BSI的第一步是匯聚進(jìn)入光電二極管光學(xué)區(qū)域的入射光,，其光學(xué)要求與FSI相同,，不過現(xiàn)在微透鏡的位置更接近光電二極管，需要淀積更厚的微透鏡材料層,，以獲得更短的焦距,。

FSI、BSI和3D堆疊式BSI器件結(jié)構(gòu)對(duì)比

而由索尼首創(chuàng)的堆疊式BSI技術(shù)正在改變競(jìng)爭(zhēng)格局和市場(chǎng)狀態(tài),。堆疊BSI圖像傳感器分層堆疊像素,，包括片上背照式結(jié)構(gòu)像素的形成，芯片包括用于信號(hào)處理的電路,，將代替用于傳統(tǒng)背照式CMOS圖像傳感器的支撐襯底,。該種圖像傳感器還能集成更多功能，如自動(dòng)對(duì)焦（AF）和光學(xué)防抖（OIS）。除了獲得更佳畫質(zhì)與先進(jìn)功能,，“堆疊式結(jié)構(gòu)”的使用還幫助索尼實(shí)現(xiàn)更為緊湊的產(chǎn)品尺寸,。

日韓稱霸，多數(shù)廠商齊成長(zhǎng)

最近幾年,，麥姆斯咨詢攜手Yole定期發(fā)布圖像傳感器及3D攝像頭新聞動(dòng)態(tài),，每年也都出版產(chǎn)業(yè)研究報(bào)告，《CMOS圖像傳感器產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀-2017版》和《3D成像和傳感-2017版》報(bào)告已于近期發(fā)布,，歡迎咨詢購(gòu)買,。

在2016年，CMOS圖像傳感器產(chǎn)業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者索尼獨(dú)占42%的市場(chǎng)份額,，而三星獲得18%的市場(chǎng)份額,。盡管東芝（Toshiba）表現(xiàn)不佳，退出市場(chǎng),，但是去年三分之二的廠商都有所增長(zhǎng),。三星（Samsung）、豪威科技（Omnivision）,、松下（Panasonic）都實(shí)現(xiàn)了同比增長(zhǎng)15%的優(yōu)秀業(yè)績(jī),。這些“大玩家”的發(fā)展，彰顯出亞洲廠商在CMOS圖像傳感器產(chǎn)業(yè)中的重要地位,。意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）通過開發(fā)3D飛行時(shí)間（ToF）器件來重啟CMOS圖像傳感器業(yè)務(wù),。這些器件可以實(shí)現(xiàn)從“接近感測(cè)”到“距離測(cè)量”，再到“3D成像”,。如果意法半導(dǎo)體在蘋果iPhone 8中的應(yīng)用傳聞最終成真,，那么這將可能成為2017年最大的CMOS圖像傳感器事件。

2016年CMOS圖像傳感器廠商的市場(chǎng)份額情況

隨著3D視覺的興起,，用于測(cè)量景深的近紅外圖像傳感器受到追捧,，多家廠商已經(jīng)推出新款成像產(chǎn)品。索尼（Sony）/Softkinetic一直在上述領(lǐng)域展開深入研究,，為消費(fèi)類,、汽車類、工業(yè)類領(lǐng)域的圖像傳感器廠商提供獨(dú)特的像元技術(shù)（pixel technology）,。對(duì)于工業(yè)類應(yīng)用,，索尼（Sony）/Softkinetic將其技術(shù)授權(quán)給德州儀器（TI）；對(duì)于汽車類應(yīng)用,，索尼（Sony）/Softkinetic則將其技術(shù)授權(quán)給邁來芯（Melexis）,。其它領(lǐng)先廠商還包括璦鐠瑞思（ESPROS）、英飛凌（Infineon）/ PMD等,。當(dāng)然,，中國(guó)廠商也在蓄力儲(chǔ)備,，如艾普柯（Epticore）、思比科（Superpix）等,。

璦鐠瑞思通過其獨(dú)有的工藝技術(shù),，使得背照式CCD/CMOS工藝相融合，可在非常寬的光頻譜范圍內(nèi)達(dá)到很高的光電效應(yīng),，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)具有更高性能的光學(xué)傳感器,；其圖像傳感器非常適用于超快速圖像采集,，高靈敏度ToF 3D相機(jī)和TDI相機(jī),，以及基于硅的廣域光譜傳感器。艾普柯是國(guó)內(nèi)一家直接做ToF和VCSEL二合一的深度傳感器公司,。在2017年9月11日由麥姆斯咨詢主辦的『“微言大義”研討會(huì)：3D攝像頭技術(shù)及應(yīng)用』上,，璦鐠瑞思和艾普柯將就其公司的創(chuàng)新產(chǎn)品、技術(shù)和應(yīng)用發(fā)表演講,，歡迎報(bào)名參加獲取更多的訊息,！