綜述：光學(xué)視覺傳感器技術(shù)研究進展

文章轉(zhuǎn)載自紅外新聞

視覺傳感是人類感知外界、認知世界的主要途徑，研究表明人類獲取的外界信息大約有80%來自于視覺。作為感知外界信息的“電子眼球”，視覺傳感器是消費電子、機器視覺、安防監(jiān)控、科學(xué)探測和軍事偵察等領(lǐng)域的核心器件。近年來視覺傳感器技術(shù)發(fā)展迅速，不同類型的傳感器從不同維度提供豐富的視覺數(shù)據(jù)，不斷增強人類感知與認知能力，視覺傳感器研究工作具有重要的理論與應(yīng)用需求。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，天津大學(xué)微電子學(xué)院、長春長光辰芯光電技術(shù)有限公司、中國電子科技集團公司第四十四研究所、中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所、中國科學(xué)院西安分院和中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所的科研團隊在《中國圖象圖形學(xué)報》期刊上發(fā)表了以“光學(xué)視覺傳感器技術(shù)研究進展”為主題的文章。該文章通訊作者為西安光機所汶德勝研究員，主要從事空間光學(xué)載荷技術(shù)、光電成像技術(shù)、快速信號處理技術(shù)方面的研究工作。

本文以典型光學(xué)視覺傳感器技術(shù)為主線，通過綜合國內(nèi)外文獻和相關(guān)報道，從CCD圖像傳感器、CMOS圖像傳感器、智能視覺傳感器以及紅外圖像傳感器等研究方向，梳理論述近年來光學(xué)視覺傳感器技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、前沿動態(tài)、熱點問題和趨勢。

CMOS圖像傳感器技術(shù)基于傳感器工藝架構(gòu)的不同，主要分為正照式、背照式和堆棧式圖像傳感器。CMOS圖像傳感器技術(shù)與性能對比如圖1和表1所示。

圖1 不同架構(gòu)的CMOS圖像傳感器技術(shù)

表1 不同架構(gòu)的CMOS圖像傳感器技術(shù)性能對比

國際研究現(xiàn)狀

CCD圖像傳感器

多光譜TDI CCD

時間延遲積分電荷耦合器件（TDI CCD）在掃描成像時，利用TDI CCD行頻與掃描速度同步的關(guān)系，實現(xiàn)光生信號的累加，達到提高器件響應(yīng)靈敏度和信噪比的目的。TDI CCD最為典型的應(yīng)用是作為成像器件應(yīng)用于衛(wèi)星遙感對地成像。通過在多個TDI CCD上方的增加帶通的濾光片實現(xiàn)不同波長范圍的探測，最終采用圖像融合方式便可獲取彩色影像。

目前國際上只有Teledyne DALSA公司（美國Teledyne下屬公司，位于加拿大）提供星用多光譜TDI CCD產(chǎn)品。目前最新的多光譜TDI CCD產(chǎn)品如表2所示?？梢钥闯觯壳皣H上最新的多光譜TDI CCD發(fā)展水平為12288像素分辨率、7 μm像素尺寸、5譜段光譜分辨分辨率。

表2 Teledyne DALSA公司多光譜TDI CCD產(chǎn)品

國際上目前發(fā)展了一些以歐洲微電子中心（IMEC）的CCD-in-CMOS工藝制作的 單片式多光譜TDI CCD（Bello等，2017）為代表的新型多光譜TDI CCD（圖2和圖3）。通常CCD采用專用的工藝線制造，而其驅(qū)動電路采用常規(guī)的板級電路實現(xiàn)，因而體積大、功耗高。IMEC采用通用的CMOS工藝，將驅(qū)動電路與CCD在單片實現(xiàn)，因而大大改善了器件的驅(qū)動復(fù)雜度同時降低了功耗，還可以實現(xiàn)片上輸出信號的處理，極大改善了后續(xù)的應(yīng)用復(fù)雜度。

圖2 IMEC的CCD-in-CMOS技術(shù)

圖3 IMEC研制的7譜段單片式多光譜TDICCD

高光譜CCD

高光譜技術(shù)是利用分光棱鏡或光柵等將入射光光譜分為幾十個譜段甚至上百個譜段投射到圖像傳感器芯片上，以精細光譜分辨力獲取目標(biāo)信息，從而在得到目標(biāo)的圖像的同時，還可獲取目標(biāo)的光譜信息，實現(xiàn)“圖譜合一”的技術(shù)。由于CCD高均勻性、高動態(tài)和介質(zhì)膜系等簡單的特性，在高幀頻保證下，目前星用高光譜探測器芯片大多采用CCD。國際上高光譜CCD的主要供應(yīng)商為Sarnoff公司。Sarnoff公司開發(fā)了系列高光譜用CCD產(chǎn)品。

國際上高光譜CCD的發(fā)展趨勢為：1）更小像素尺寸、更高幀頻。像素尺寸從18 μm發(fā)展到16 μm，幀頻從500幀/s發(fā)展到1000幀/s以上。支持高光譜成像儀已經(jīng)由空間分辨率30 m、光譜分辨率10 nm發(fā)展到更高水平。2）更大陣列規(guī)模。陣列規(guī)模從512 × 512發(fā)展到4096 × 256。支持高光譜成像儀的幅寬從幾十公里逐漸增大到一百公里以上。

EMCCD

EMCCD即電子倍增CCD，是靈敏度極高的一種半導(dǎo)體光電探測器件。EMCCD在常規(guī)CCD的輸出區(qū)域前增加一段多級倍增區(qū)，在高壓（40～50 V）下雪崩倍增。EMCCD通過較高的增益，抑制器件的讀出噪聲，從而在弱光及極弱光下提高器件的信噪比。

在天文觀測中，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)利用波前探測器實時測量成像系統(tǒng)的波前相位誤差，所觀測的目標(biāo)信號比較微弱，采用高幀頻的EMCCD是最佳的選擇。Teledyne E2V公司開發(fā)了一款高幀頻EMCCD型號為CCD220（圖4）。CCD220像素尺寸為24 μm ×24 μm，最高幀頻大于1300幀/s，最大倍增增益大于1000倍。采用背照技術(shù)，CCD220峰值量子效率超過90%。

圖4 E2V公司CCD220器件實物

Teledyne E2V公司為加拿大開發(fā)了一款4 K × 4 K大陣列的EMCCD，型號為CCD282（Gach等，2014）（圖5）。CCD282工作在光子計數(shù)模式，將用于加拿大10 m光學(xué)望遠鏡。通過降低驅(qū)動擺幅降低時鐘感生噪聲、深度制冷、高增益倍數(shù)（≥1 000倍）、>90%的背照量子效率，達到光子計數(shù)的最佳性能。

圖5 CCD282器件結(jié)構(gòu)與實物

對于EMCCD，電子倍增主要發(fā)生在倍增區(qū)與相鄰的電極之間的邊界區(qū)域，邊界區(qū)域界限越長，則倍增增益越大。Stefanov等人（2018）設(shè)計了一種低電壓的EMCCD，通過增加倍增區(qū)與相鄰電極的交界幾何尺寸，實現(xiàn)了低倍增電壓下相對較高的倍增增益。

CMOS圖像傳感器

正照式架構(gòu)CMOS圖像傳感器技術(shù)

正照式架構(gòu)CMOS圖像傳感器由于其自身架構(gòu)的局限，填充系數(shù)偏低，靈敏度要低于背照式和堆棧式架構(gòu)的傳感器，但因其制造工序相對少，所以其成本也要低于其他架構(gòu)的同類產(chǎn)品，因此對于一些應(yīng)用環(huán)境光線可控、成本控制要求較高的場景，如工業(yè)檢測、機器視覺等領(lǐng)域，正照式架構(gòu)的CMOS圖像傳感器還有著廣泛的市場應(yīng)用，以Sony、AMS、Teledyne E2V等為代表的圖像傳感器企業(yè)推出了一系列正照式架構(gòu)光學(xué)視覺傳感器芯片。

背照式架構(gòu)CMOS圖像傳感器技術(shù)

背照式架構(gòu)光學(xué)視覺傳感器是在正照架構(gòu)的基礎(chǔ)上，對已經(jīng)加工好的正照傳感器晶圓進一步開展綁定支撐硅片、垂直翻轉(zhuǎn)、襯底打薄、表面鈍化、鍍抗反射膜和焊盤刻蝕等工藝后，實現(xiàn)背照式傳感器的制造。通過開展背照式架構(gòu)的光學(xué)視覺傳感器技術(shù)研究，可以使傳感器像素實現(xiàn)100%的填充系數(shù)，進一步提升了芯片的靈敏度，所以此類傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域為生命科學(xué)、天文和醫(yī)療等低照度應(yīng)用場景，確保傳感器在低照度場景下依然保持著高質(zhì)量的成像效果，代表性的背照式架構(gòu)光學(xué)傳感器企業(yè)主要以Sony、Teledyne E2V為主。

堆棧式架構(gòu)CMOS圖像傳感器技術(shù)

為了滿足傳感器小型化和多功能化的應(yīng)用需求，一種全新的傳感器架構(gòu)應(yīng)運而生，這就是目前最先進的堆棧式架構(gòu)光學(xué)視覺傳感器技術(shù)，該架構(gòu)將原本在一個晶圓上的像素區(qū)域和電路區(qū)域，分別做在了兩個晶圓上，并將兩塊晶圓綁定在一起，該種架構(gòu)的出現(xiàn)使傳感器的像素和電路部分可以進行獨立設(shè)計及優(yōu)化，使傳感器電路部分可以與像素部分采用不同的制程工藝，使電路性能可以得到進一步的提升。晶圓綁定方式也從最早的硅通孔（TSV）連接，演變成了通過在像素層和電路層的連接面上構(gòu)建Cu焊盤直接連接的方式進行連接，隨著堆棧式架構(gòu)技術(shù)的不斷發(fā)展，使得未來更多數(shù)量的晶圓綁定成為可能，從而使具有集成圖像處理功能的視覺傳感器成為可能。

Sony最先面向智能手機領(lǐng)域推出了一系列堆棧式架構(gòu)光學(xué)視覺傳感器技術(shù)，并在iphone、三星、小米和OPPO等多款手機上實現(xiàn)了應(yīng)用，其主要特點是在像素層和電路層之間新加入了DRAM層（動態(tài)隨機存儲單元），DRAM層在整個CMOS模組當(dāng)中充當(dāng)緩存角色，用于存儲像素層獲取到的圖像信息，因此大幅提升了傳感器處理數(shù)據(jù)的速度。由于堆棧式傳感器技術(shù)推出較晚，受當(dāng)前技術(shù)的成熟度低和成本高的影響，目前的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在手機等消費類領(lǐng)域。

智能視覺傳感器

量子視覺傳感器

量子視覺傳感器是基于CMOS工藝?yán)脛?chuàng)新的半導(dǎo)體設(shè)計在每個像素元件中縮小了轉(zhuǎn)換電容的電容值，從而極大地放大了每個光子產(chǎn)生的電信號。這種極高的信號放大率，解決了傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器內(nèi)部噪聲過大的問題，尤其在低照度條件下，光子產(chǎn)生的電信號極弱，傳感器內(nèi)部噪聲覆蓋信號，使得目標(biāo)信息無法準(zhǔn)確呈現(xiàn)，通過這種方式實現(xiàn)了在室溫條件下的單光子探測和光子數(shù)分辨（Zizza，2015）。

圖6 光子計數(shù)圖像傳感器技術(shù)

三維成像視覺傳感器

三維成像視覺傳感器能夠獲得圖像的三維信息，在科學(xué)研究、工業(yè)檢測、安全監(jiān)控和消費娛樂等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，商用的三維成像技術(shù)主要有立體視覺技術(shù)，結(jié)構(gòu)光技術(shù)以及飛行時間技術(shù)（ToF）等。其中ToF技術(shù)具有低功耗和微型化的重要優(yōu)勢，能夠滿足便攜式電子設(shè)備的需求，已成為目前三維成像視覺傳感器的研究熱點。

D-ToF傳感器通過使用高分辨率的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）和通常由單光子雪崩二極管（SPAD）實現(xiàn)的高增益光電探測器記錄光子入射時間，直接測量光的飛行時間以計算深度（Ota等，2022）。盡管D-ToF傳感器可以實現(xiàn)較長的探測距離，但其橫向分辨率是有限的。這是因為每個像素通常需要大量的片上存儲器和處理單元，以避免SPAD的光子檢測概率和暗計數(shù)率的影響。在實現(xiàn)具有高橫向分辨率的D-ToF傳感器時，特別是在極端的環(huán)境光條件下，需要在功耗、動態(tài)范圍和幀速率之間進行權(quán)衡。

早期的D-ToF傳感器采用正面照射（FSI）CMOS工藝實現(xiàn)，具有像素尺寸大和橫向分辨率低的缺點。最近，D-ToF傳感器采用了3D堆疊BSI CMOS工藝，以實現(xiàn)小像素尺寸和高橫向分辨率。在這些傳感器中，像素陣列和邏輯電路可以首先在不同的芯片中單獨優(yōu)化，然后通過面對面鍵合技術(shù)連接。

I-ToF傳感器測量調(diào)制光的相移來間接計算深度。與D-ToF傳感器相比，I-ToF傳感器可以實現(xiàn)更高的橫向分辨率。這是因為I-ToF傳感器可以通過執(zhí)行簡單的計算來檢測相移，而無需以像素為單位的大容量存儲器和處理單元。然而，由于光源的發(fā)射功率有限和光電探測器的靈敏度有限，I-ToF傳感器的檢測距離很短。此外，I-ToF傳感器有兩個關(guān)鍵問題：移動物體的運動偽影和背景光的深度誤差。

總體來說，目前D-ToF傳感器的分辨率已經(jīng)提高到100萬像素，SPAD陣列的功耗在高光照條件下顯著增長。在未來，更智能的像素結(jié)構(gòu)和信號處理單元有望實現(xiàn)具有高幀率的節(jié)能D-ToF傳感器。具有高橫向分辨率和深度分辨率的I-ToF傳感器已經(jīng)使用類似于CIS工藝的方法實現(xiàn)。然而，未來仍需要減少來自背景光的運動偽影和深度誤差，以提高應(yīng)用的可靠性。對于H-ToF傳感器，可以采用3D 堆疊BSI CMOS工藝來進一步減小像素尺寸并提高橫向分辨率。

仿生視覺圖像傳感器

傳統(tǒng)視覺傳感器由快門統(tǒng)一控制曝光，以幀為單位記錄動態(tài)影像畫面。例如電影每秒記錄24幀畫面，但從機器視覺的角度來看，這種傳統(tǒng)的傳感器仍存在一定的應(yīng)用缺陷，首先幀間可能丟失高速運動細節(jié)信息，因此傳統(tǒng)視覺傳感器向著高幀率趨勢發(fā)展；其次每幀重復(fù)記錄大量靜態(tài)背景光強信息，因此高幀率高分辨率的視頻流對后端計算造成更大的負擔(dān)，并帶來對數(shù)據(jù)通訊、存儲更大的壓力。

相較于傳統(tǒng)視覺傳感器，生物視覺系統(tǒng)在圖像信息感知以及處理能力上表現(xiàn)更為優(yōu)越。研究者受其成像特性的啟發(fā)，摒棄了幀的概念，提出動態(tài)視覺傳感器（DVS）和脈沖圖像傳感器。傳統(tǒng)視覺傳感器將運動場景量化為圖像序列，而動態(tài)視覺系統(tǒng)圖像傳感器僅輸出變化像素單元的光強信息，將動態(tài)場景量化為微秒級精度的高時間分辨率事件流，并向高速、高精度和小像素尺寸發(fā)展。

微光高動態(tài)視覺傳感器

科技高速發(fā)展的時代，安防、汽車和計算機等領(lǐng)域的新視覺應(yīng)用所需的靈活性更高，需要在室內(nèi)/室外、白天/夜晚以及各種場景下實時工作。高動態(tài)范圍（HDR）傳感器可以用來實現(xiàn)這一目標(biāo)，它在高照度和低照度環(huán)境下都具有優(yōu)異的成像性能。

紅外圖像傳感器

自1959年Lawso研制出碲鎘汞（HgCdTe，MCT）的長波紅外探測器以來，紅外探測器的發(fā)展前沿、技術(shù)引領(lǐng)就掌握在國外幾家主要研究機構(gòu)、廠商手中。近年來常用紅外探測器材料有碲鎘汞、InGaAs、InAs/InGaSb T2SL、量子阱等。利用這些不同材料的特性，圍繞對紅外探測器應(yīng)用需求的不同，國外研究機構(gòu)開展了一系列相關(guān)研究。

大面陣紅外探測器

大面陣紅外探測器廣泛應(yīng)用于空間紅外遙感領(lǐng)域，在天文學(xué)觀測、光度測量和氣象觀測等方面具有重要價值。為了平衡視場與分辨率之間的矛盾，解決途徑之一就是采用高分辨率、超大規(guī)模的紅外焦平面探測器組件，并通過拼接單片大面陣來獲得更大的探測器陣列規(guī)模。國際上美國（Dorland等，2009）、法國（Nedelcu等，2018）、英國（Feautrier等，2022）、比利時（Gershon等，2013）的科研單位和企業(yè)均對大面陣紅外探測器進行了探索和研究。

美國在大面陣紅外探測技術(shù)領(lǐng)域研究多年，實現(xiàn)了從1 K × 1 K、2 K × 2 K到4 K × 4 K及更大規(guī)模紅外探測器的研制，目前在世界紅外領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。美國洛克威爾科技公司（RSC）已研制出1 K × 1 K、2 K × 2 K、4 K × 4 K規(guī)模的大面陣紅外探測器，讀出集成電路（ROIC）的演進過程如圖7所示。

圖7 RSC ROIC的演進過程

美國雷神視覺（RVS）公司長期為天文學(xué)提供多種規(guī)模的高性能紅外探測器芯片組件，陣列尺寸從1 K × 1 K至8 K × 8 K不等，像素間距范圍達到8～27 μm，光譜響應(yīng)范圍達到0.4～28 μm（Starr等，2016）。圖8中展示了雷神公司生產(chǎn)的碲鎘汞4 K × 4 K（像素間距20 μm）的紅外探測器陣列。

圖8 美國雷神公司HgCdTe 4 K × 4 K紅外陣列

寬譜段紅外探測器

近年來，寬譜段成像技術(shù)由于在遙感、礦產(chǎn)探測和生物醫(yī)學(xué)等方面得到廣泛運用而備受關(guān)注。

高靈敏度紅外探測器

靈敏度是光電探測器最重要的性能指標(biāo)之一，表示探測器捕獲信號的靈敏程度，若數(shù)值越高，則探測器對弱光的探測能力越強。比探測率表征了探測器捕獲弱信號的靈敏度，可通過降低噪聲功率或提高光響應(yīng)度來增加比探測率。由于暗電流噪聲是紅外探測器中不可忽略的噪聲源，可通過抑制暗電流來降低噪聲功率。同時，探測器的響應(yīng)度由外量子效率與光電導(dǎo)增益決定，可以通過引入高外量子效率和高光電導(dǎo)增益的新結(jié)構(gòu)、新材料來實現(xiàn)響應(yīng)度的提升（張金月等，2021）。

雙色/多色紅外探測器

雙色或多色探測器同時獲得多個波段的目標(biāo)信息，能夠有效抑制復(fù)雜背景、排除干擾，從而提高探測目標(biāo)的能力。雙色探測器主要有平面、疊層兩種技術(shù)路線，如圖9所示。

圖9 384×288 InAs/GaSb SL雙色探測器下拍攝的圖像

高溫工作型紅外探測器

紅外探測器通常需要工作在低溫條件下以保證較低的暗電流，因為較大的暗電流會嚴(yán)重降低探測器的性能。然而配備制冷機又會增加探測系統(tǒng)的體積，提高成本和設(shè)計難度。因此為了降低成本、尺寸、重量和功耗，研究人員提出了高溫工作型（HOT）紅外探測器，其關(guān)鍵技術(shù)在于降低暗電流。非制冷探測器可工作在室溫下，常用的熱敏材料以氧化釩和多晶硅為主，前者在精度和靈敏度的性能較為突出，后者更易于實現(xiàn)量產(chǎn)（Glozman等，2006）。

以色列SCD公司是InSb中波紅外焦平面陣列的代表制造商，生產(chǎn)了多款性能穩(wěn)定的HOT紅外探測器。SCD于2022年（Klipstein等，2022）報道了基于T2SL的XBn和XBp探測器，驗證了基于InAs/GaSb和InAs/InAsSb T2SL勢壘探測器在中波波段內(nèi)可在130 K下運行，在長波波段內(nèi)可在77 K下工作，NETD為15 mK，如圖10所示。

圖10 150 K溫度下 XBn 2560 × 20 485 μm間距Crane探測器的成像演示

紅外偏振探測器

偏振作為紅外輻射的重要物理特性，紅外偏振成像技術(shù)能夠同時獲取紅外輻射強度與偏振信息，有效豐富了圖像的特征信息。偏振探測能夠有效區(qū)分人造目標(biāo)與自然物體，可用于追蹤導(dǎo)彈、探測地雷、探查水下目標(biāo)和識別偽裝等任務(wù)。

偏振成像可分為分時成像、分振幅成像（Mudge和Virgen，2011）、分孔徑成像（Pezzaniti和Chenault，2005）和分焦平面成像。其中，分焦平面成像的偏振元件直接集成在FPA上，因其體積小、集成度高以及系統(tǒng)穩(wěn)定等優(yōu)勢成為當(dāng)下偏振成像的主流方式。光學(xué)偏振元件作為傳統(tǒng)偏振探測器不可或缺的部件，但是會導(dǎo)致其響應(yīng)低、空間分辨率低、圖像配準(zhǔn)不佳以及成本較高等問題。若將具有各向異性的半導(dǎo)體材料作為光探測器的感光層，利用其天然的偏振光敏感性，將有效簡化偏振探測器的設(shè)計，適用于制造新型的偏振光電探測器。

國內(nèi)研究進展

CCD圖像傳感器

國內(nèi)在多光譜TDI CCD、高光譜CCD和EMCCD三方面也取得了重要進展，目前的器件性能達到了國際一流水平。

圖11 國產(chǎn)某五譜段多光譜TDI CCD

國內(nèi)在高光譜CCD的研制上，突破了多抽頭健壯性、垂直區(qū)高行頻技術(shù)以及背照高量子效率等關(guān)鍵技術(shù)，后續(xù)將進行更大陣列規(guī)模的高性能高光譜CCD的研制。國內(nèi)在器件表面鍍?yōu)V光膜技術(shù)實現(xiàn)高光譜技術(shù)方面也取得了部分進展。

國內(nèi)在EMCCD的研制方面，突破了背照高量子效率、多抽頭并行讀出、高速低噪聲放大器以及低RC時間延遲技術(shù)，基本達到了工程實用化水平。

圖12 中國電子科技集團公司第四十四研究所對標(biāo)CCD220器件實物

CMOS圖像傳感器

國內(nèi)對于CMOS圖像傳感器技術(shù)的研究起步較晚，最初僅有少部分企業(yè)開展了面向手機等消費類領(lǐng)域的光學(xué)視覺傳感器研究，隨著我國不斷推出對于集成電路產(chǎn)業(yè)的扶持政策，越來越多的企業(yè)開展了視覺傳感器的研究。在科研領(lǐng)域，中國電子科技集團公司第四十四研究所、771所、772所、長春光機所等機構(gòu)均開展了光學(xué)視覺傳感器的研究，產(chǎn)品主要面向大型科學(xué)裝置等應(yīng)用。在商業(yè)領(lǐng)域，長光辰芯、思特威等一系列專注于視覺傳感器研發(fā)的企業(yè)逐漸走向國際，市場份額逐步提升。

正照式架構(gòu)CMOS圖像傳感器

長光辰芯成立于2012年，是國內(nèi)一家專注于高性能CMOS圖像傳感器的設(shè)計的企業(yè)，總部位于長春，在國內(nèi)杭州和大連、比利時安特衛(wèi)普、日本東京設(shè)有研發(fā)中心。

背照式架構(gòu)CMOS圖像傳感器技術(shù)

面向生命科學(xué)、天文和微光夜視等低照度成像領(lǐng)域，長光辰芯自2015年起推出了系列化的背照式架構(gòu)CMOS圖像傳感器產(chǎn)品，其最新推出的亞電子讀出噪聲、適用于微光成像的背照式CMOS圖像傳感器GLUX9701。

堆棧式架構(gòu)CMOS圖像傳感器技術(shù)

面向電影制作、無人機和專業(yè)攝像等領(lǐng)域，長光辰芯發(fā)布了全新GCINE系列中首款產(chǎn)品——GCINE4349，這是長光辰芯基于在工業(yè)級、科學(xué)級CMOS（sCMOS）和攝影級產(chǎn)品方面的技術(shù)基礎(chǔ)而研發(fā)的一款堆棧式架構(gòu)的傳感器產(chǎn)品，該產(chǎn)品專為高端視頻成像設(shè)計，采用4.3 μm像素設(shè)計，49 MP像素全畫幅，支持多種讀出模式下的8 K或像素合并式4 K分辨率輸出。

智能視覺傳感器

量子視覺傳感器

目前，國內(nèi)對于量子視覺傳感器的研究相對較少，尚處在起步的階段。如香港城市大學(xué)和天津大學(xué)方面，針對量子視覺傳感器的建模分析、噪聲消除和圖像重建等方面開展了研究。

仿生視覺圖像傳感器

領(lǐng)先的融合視覺傳感芯片研發(fā)商銳思智芯，在事件驅(qū)動型傳感器領(lǐng)域擁有超過8年研究經(jīng)驗，2022年7月發(fā)布了專門為高端成像應(yīng)用而設(shè)計的融合視覺傳感芯片ALPIX-Eiger，像素尺寸為1.89 μm，分辨率達到8 MP，通過搭載獨創(chuàng)的Hybrid Vision 融合視覺專利技術(shù)，在像素層面實現(xiàn)了圖像傳感和事件感知的融合，可廣泛用于手機、運動相機等小型化智能設(shè)備。

三維成像視覺傳感器

基于飛行時間的三維圖像傳感器的研究方面，國內(nèi)的許多高校、科研院所和企業(yè)作出了很大的貢獻。芯視界在單光子D-ToF（SPAD）技術(shù)和應(yīng)用落地上處于領(lǐng)先地位，是全球率先研究單光子D-ToF三維成像技術(shù)的先驅(qū)之一。2020年發(fā)布了QQVGA分辨率單光子（SPAD）面陣D-ToF傳感器VI4310，分辨率為160 × 120、最高支持120 幀/s刷新率，在200 mW的整體超低功耗下（包括DSP和ISP算法）實現(xiàn)10 m的遠距離探測，在單芯片上實現(xiàn)了核心感光器件SPAD Array及精準(zhǔn)測距電路、圖像處理算法等高度集成。

微光高動態(tài)視覺傳感器

微光高動態(tài)圖像傳感器方面，2018年，中國科學(xué)院大學(xué)的團隊針對科學(xué)級CMOS圖像傳感器進行研究（張元濤，2018），其基底構(gòu)造與CCD傳感器一致，而采用CMOS讀出電路的結(jié)構(gòu)，通過這種方式進一步降低系統(tǒng)噪聲，同時保證了高靈敏度和大動態(tài)范圍的成像要求。

紅外圖像傳感器

國內(nèi)從上世紀(jì)80年代后期陸續(xù)開始紅外焦平面探測器的研制。盡管國內(nèi)的第2代、第3代紅外焦平面技術(shù)在材料、器件工藝、讀出電路、杜瓦和致冷等方面取得一些進展，完成了幾類器件的研制，但還有許多關(guān)鍵技術(shù)還沒有完全突破，可靠性、工程化和通用化與標(biāo)準(zhǔn)化水平有待進一步提高；第4代產(chǎn)品剛開始進行技術(shù)突破，到目前為止，只有為數(shù)很少的工程化產(chǎn)品提供使用。雖然近幾年國家在紅外探測器技術(shù)方面加大投入，但總體水平與西方發(fā)達國家相比仍有較大差距。

大面陣紅外探測器

國內(nèi)研究大面陣的單位和公司有中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所（上海技物所）、昆明物理研究所和華北光電技術(shù)研究所等。我國的大面陣探測器在規(guī)模和像素尺寸方面都努力向國外看齊，現(xiàn)已有諸多產(chǎn)出，但參數(shù)和性能方面仍存在一定差距。

寬譜段紅外探測器

中國科學(xué)院上海技物所于2014年報道了320 ×256（像素間距30 μm）InAs/GaSb T2SL長波紅外焦平面探測器，響應(yīng)波段為8～12 μm，在77 K測試溫度下，探測器100%截止波長為10.5 μm，平均峰值探測率為8.41 × 109 Jones，盲元率為2.6%，不均勻性為6.2%。

高靈敏度紅外探測器

中國科學(xué)院上海技物所于2022年（于春蕾等，2022）報道了國內(nèi)首個2 560 × 2 048（像素間距10 μm）InGaAs短波紅外焦平面探測器。同時，國內(nèi)許多學(xué)者針對提升探測器的靈敏度，提出了新的技術(shù)途徑和器件。

目前國內(nèi)有許多高等院校的科研隊伍致力于解決探測器的高靈敏度的問題，已取得顯著突破，需要與企業(yè)展開密切合作，推動產(chǎn)學(xué)研深度融合，盡快將技術(shù)途徑等科研成果實現(xiàn)產(chǎn)出。

隨后，本文還對雙色/多色紅外探測器、高溫工作型紅外探測器、紅外偏振探測器等進行了介紹。

國內(nèi)外研究進展比較

CCD圖像傳感器

國內(nèi)在多光譜TDI CCD、高光譜CCD和EMCCD三方面取得了重要進展，目前的器件性能達到了國際一流水平。

國產(chǎn)多光譜TDICCD已經(jīng)批量應(yīng)用于高分辨率遙感成像衛(wèi)星，國產(chǎn)高光譜CCD突破了關(guān)鍵技術(shù)，國產(chǎn)EMCCD基本具備了工程化應(yīng)用能力。

CMOS圖像傳感器

通過對上述正照式、背照式和堆棧式架構(gòu)的CMOS圖像傳感器技術(shù)的國際國內(nèi)研究現(xiàn)狀進行比較分析可知，在工業(yè)、醫(yī)療和天文等專業(yè)影像領(lǐng)域，國際和國內(nèi)的視覺傳感器企業(yè)所開展的研究方向基本一致，針對不同架構(gòu)的傳感器類型，均有著國際領(lǐng)先的代表性產(chǎn)品，如背照式架構(gòu)研究方面，日本Sony推出了2.74 μm像素的系列化背照式全局快門產(chǎn)品，國內(nèi)的思特威也同樣推出了4 μm/4.2 μm像素系列化背照式全局快門產(chǎn)品；美國Teledyne E2V推出了一系列科學(xué)級背照式產(chǎn)品，峰值量子效率超過90%， 國內(nèi)的長光辰芯則推出了科學(xué)級背照式CMOS視覺傳感器產(chǎn)品，峰值量子效率最高可達95%。

綜合比較來看，國際的視覺傳感器企業(yè)數(shù)量更多，產(chǎn)品豐富，并且在視覺傳感器領(lǐng)域的研究起步早，擁有豐富的光學(xué)視覺傳感器的技術(shù)基礎(chǔ)，以Sony為代表的傳感器企業(yè)引領(lǐng)了全球視覺傳感器技術(shù)的發(fā)展。雖然國內(nèi)在視覺傳感器領(lǐng)域的研究起步較晚，但近些年隨著政府大力支持集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，推出了一大批產(chǎn)業(yè)扶持政策，越來越多的企業(yè)把研發(fā)方向放在了光學(xué)視覺傳感器方向，使得我國的光學(xué)視覺傳感器技術(shù)實現(xiàn)了突飛猛進的發(fā)展，推出了一系列具有國際同類領(lǐng)先水平的高性能視覺傳感器產(chǎn)品，在全球圖像傳感器市場所占的市場份額逐步提升，研發(fā)能力已經(jīng)達到國際同類的最高水平。

智能視覺傳感器

由于我國CMOS圖像傳感器研究和產(chǎn)業(yè)化起步較晚，國內(nèi)在CMOS圖像傳感器領(lǐng)域的研究與世界先進水平相比還有一定差距，不過近年來隨著對該領(lǐng)域關(guān)注度的提升，越來越多的機構(gòu)加入了該領(lǐng)域的研究。

1）三維成像視覺傳感器。在三維成像視覺傳感器方面，由于ToF技術(shù)對光學(xué)傳感芯片要求相對較高，國外芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展較早且產(chǎn)業(yè)鏈較為完善，目前國外傳感器芯片廠商在國內(nèi)ToF產(chǎn)業(yè)鏈中基本占據(jù)著主導(dǎo)地位，國內(nèi)智能端的三維圖像傳感器供應(yīng)也都被日本索尼公司等公司壟斷。

同時，在相關(guān)的性能優(yōu)化以及結(jié)構(gòu)創(chuàng)新中，國內(nèi)外也存在著較大差距。2016年，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所報道了256 × 256分辨率ToF圖像傳感器，測距誤差為1.6%。2018年，日本索尼公司推出了320 × 240分辨率的ToF傳感器，1 m處的測距誤差為5.9 mm。同年，索尼公司推出VGA分辨率ToF傳感器產(chǎn)品IMX456QL，已廣泛應(yīng)用于各類智能終端，其1 m處分辨率約為6 mm。2018年，美國微軟公司報道了基于光柵解調(diào)像素的1 024 × 1 024分辨率ToF圖像傳感器，測距誤差達到1.2%。目前我國研究技術(shù)較之國外還有相當(dāng)大的差距，這需要一定的時間和努力去彌補。

2）仿生視覺圖像傳感器。在仿生視覺圖像傳感器方面，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)起步較晚。2012年、2013年天津大學(xué)研制出了電路但是沒有進行流片驗證，2017年深圳大學(xué)設(shè)計的動態(tài)視覺傳感器進行流片后功能卻未實現(xiàn)，一定程度上反映了與國外的差距較大。國外在2015年開始就對信號的完整性、靈敏度以及抑制噪聲方面展開了研究并頗有成效。國內(nèi)也對信號的靈敏度研究頗有進展，例如天津大學(xué)設(shè)計的DVS通過在像素單元增加堆疊的二極管連接亞閾值MOS管來增強像素的靈敏度，除此之外，Chen等人（2019）提出的ATIS可以融合時基對比度檢測和亮度測量，也是國內(nèi)動態(tài)視覺傳感器的重要突破之一。

3）微光高動態(tài)圖像傳感器。在微光高動態(tài)圖像傳感器方面，雖然國內(nèi)近幾年在微光圖像傳感器方向的發(fā)展突飛猛進，但是與國外的先進技術(shù)相比，在轉(zhuǎn)換增益、讀出噪聲、量子效率和動態(tài)范圍等方向還是有所差距。從全球市場來看，索尼和三星是絕對的技術(shù)引領(lǐng)者和市場占有者，國內(nèi)的豪威科技、格科微電子和思特威等企業(yè)在車載、安防等領(lǐng)域占據(jù)著一定的市場。另外，天津大學(xué)、上海集成電路研發(fā)中心以及中國科學(xué)院等單位也具有一定的技術(shù)實力。

總體來說，我國CMOS圖像傳感器研究和產(chǎn)業(yè)化雖然起步較晚，但國內(nèi)的眾多高校、研究院所和企業(yè)都已經(jīng)開展了深入的研究，積累了很多寶貴的經(jīng)驗和研究成果，為我國研制世界一流的CMOS圖像傳感器芯片產(chǎn)品提供了強有力的支撐。

紅外圖像傳感器

在紅外探測器發(fā)展方面，與國外科研機構(gòu)相比，國內(nèi)的科研機構(gòu)對于紅外探測器的研究起步較晚。因此，歐美的科研機構(gòu)一般處于“領(lǐng)跑”的狀態(tài)，而國內(nèi)的科研機構(gòu)更多的是屬于“跟跑”的狀態(tài)：大多數(shù)紅外探測器的開創(chuàng)性工作由歐美科研機構(gòu)開展， 完善了紅外探測的材料理論，建立了完整高性能的紅外探測器生產(chǎn)工藝與生產(chǎn)設(shè)備。而國內(nèi)的科研機構(gòu)開展的主要是對其提出技術(shù)路線的跟隨與優(yōu)化，雖然可以在類別和功能已經(jīng)逐步趕上，但在性能、規(guī)模和集成度方面與國外仍有較大的差距。此外在紅外探測器的生產(chǎn)制造方面仍然受到很大的約束。大規(guī)模的紅外讀出電路的生產(chǎn)這一關(guān)鍵工序目前主要仍掌握在國外廠商，紅外探測器材料生長、耦合和封裝測試相關(guān)的儀器設(shè)備目前主要供應(yīng)商也為國外廠商。需要國內(nèi)的研究機構(gòu)與產(chǎn)業(yè)界共同合作，推動紅外探測器生產(chǎn)制造的國產(chǎn)化替代，減小我國紅外探測器的生產(chǎn)周期、生產(chǎn)成本和生產(chǎn)良率，大面陣紅外探測器國內(nèi)外參數(shù)對比如表3所示。

表3 大面陣紅外探測器國內(nèi)外參數(shù)對比

另外，在民用非制冷領(lǐng)域國內(nèi)的探測器廠商，如高德紅外、艾睿光電、大立科技和颯特紅外等，均在非制冷紅外探測器方面投入了力量進行攻關(guān)， 并發(fā)布了很多非制冷紅外相關(guān)的新產(chǎn)品，也具備了批量化的生產(chǎn)能力?；谥袊鼮閺V闊的應(yīng)用需求， 國內(nèi)非制冷紅外探測器目前發(fā)展蓬勃、勢頭強勁。未來通過學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的機構(gòu)的合作，共同促進紅外探測器的產(chǎn)業(yè)發(fā)展（表4和表5）。

表4 國內(nèi)外雙色紅外探測器對比

表5 國內(nèi)外HOT紅外探測器對比

發(fā)展趨勢與展望

1）多光譜TDI CCD方面。未來基于CCD和CMOS融合工藝的CCD感光—CMOS電路讀出的多光譜TDI CCD架構(gòu)將逐漸成熟并大量應(yīng)用。2）高光譜CCD方面。未來圍繞更高幀頻、更大陣列規(guī)模、背照高量子效率寬光譜響應(yīng)、背照高調(diào)制傳遞函數(shù)等技術(shù)進一步發(fā)展。以器件表面鍍?yōu)V光膜實現(xiàn)高光譜探測的新型探測器技術(shù)也將繼續(xù)完善并實用化。3）EMCCD方面。除了大面陣、光子計數(shù)等具有極致性能的EMCCD之外，低驅(qū)動電壓EMCCD、具備全天時成像功能的浮柵放大器信號選擇型EMCCD將繼續(xù)發(fā)展。

從全球市場來看，Yole公布的2020年CMOS圖像傳感器市場報告顯示，CMOS圖像傳感器的市場價值達到了207億美元，預(yù)計到2026年全球CMOS圖像傳感器市場總量將達到315億美元。2020年7月，國務(wù)院印發(fā)的《新時期促進集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》指出，中國芯片自給率要在2025年達到70%。而我國目前半導(dǎo)體自給率僅達到36%，國產(chǎn)化替代刻不容緩。因此，CMOS圖像傳感器的發(fā)展前景良好。隨著自動駕駛、智能交通和機器視覺等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對CMOS圖像傳感器提出更高靈敏、更寬動態(tài)范圍以及更低噪聲的需求，CMOS圖像傳感器的發(fā)展面臨更高技術(shù)要求的挑戰(zhàn)。因此，研究高量子效率、高滿阱容量像素設(shè)計技術(shù)及低噪聲高速度讀出電路設(shè)計技術(shù)，對于提高我國圖像傳感器自主研發(fā)水平，滿足國內(nèi)對于高端CMOS圖像傳感器的需求，具有極大的科學(xué)價值和經(jīng)濟效益。

背照式架構(gòu)的CMOS圖像傳感器將成為傳感器市場的主流產(chǎn)品，背照式架構(gòu)傳感器憑借超過靈敏度，已經(jīng)成為生命科學(xué)、天文和廣電等專業(yè)影像領(lǐng)域的第一選擇，并且各個圖像傳感器企業(yè)均已經(jīng)推出了面向工業(yè)領(lǐng)域的背照式全局快門傳感器產(chǎn)品，未來隨著背照式架構(gòu)技術(shù)的不斷成熟，制造成本逐漸下降，背照式架構(gòu)的圖像傳感器將會在更多的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用，成為未來傳感器市場的主流產(chǎn)品。

高集成度的智能化視覺傳感器將成為研究重點，隨著堆棧式架構(gòu)技術(shù)的快速發(fā)展，讓視覺傳感器實現(xiàn)小型化的同時，多功能化也成為全球在視覺傳感器方向的研究重點，2020年索尼最新推出世界首款集成了AI運算單元的智能化視覺傳感器IMX500，通過堆疊式工藝，在傳感器的邏輯晶圓上設(shè)計配備了DSP，專門用于AI信號的處理和緩存，雖然該傳感器在處理復(fù)雜的分析任務(wù)方面還存在瓶頸，但高集成度的智能化視覺傳感器有可能打破傳統(tǒng)的圖像傳感器和處理器分離的模式，必將成為各企業(yè)競相研發(fā)的重點。

ToF技術(shù)具有低功耗和微型化的重要優(yōu)勢，能夠滿足便攜式電子設(shè)備的需求。近年來國內(nèi)外不斷展開研究，提出了各種高分辨率、低測距誤差的ToF傳感器結(jié)構(gòu)。然而，目前ToF傳感器仍存在量程與精度無法兼顧，抗背景光干擾差以及三維信息解算慢等問題，需要發(fā)展新型的設(shè)計技術(shù)。仿生視覺圖像傳感器未來可面向多傳感器融合的神經(jīng)形態(tài)工程系統(tǒng)發(fā)展。將視覺、語音及觸覺等多神經(jīng)形態(tài)傳感器融合，應(yīng)用于神經(jīng)形態(tài)工程的智能感知系統(tǒng)。

紅外探測器經(jīng)過近50年的蓬勃發(fā)展，已經(jīng)成功研制響應(yīng)覆蓋短波到甚長波，規(guī)模從長線列覆蓋到8 K × 8 K大面陣，多色集成的各類高性能紅外探測器，具有成像系統(tǒng)體積小、質(zhì)量輕、功耗低、系統(tǒng)靈敏度高以及工作幀頻高等一系列優(yōu)點。然而，隨著紅外探測需求的進一步提升，如目標(biāo)多變、背景復(fù)雜、復(fù)雜環(huán)境和任務(wù)多元等應(yīng)用挑戰(zhàn)還需要從以下幾個方面進一步發(fā)展：

1）紅外大面陣探測器均存在非均勻性問題，非均勻性影響探測精度，特別是在弱信號探測時尤為嚴(yán)重。解決該問題需要從紅外探測器材料生長工藝，讀出電路一致性以及讀出電路與探測器耦合進行入手。2）針對自動駕駛等復(fù)雜紅外背景的應(yīng)用，單一波段的紅外探測器容易受環(huán)境變化的干擾，導(dǎo)致無法對目標(biāo)進行準(zhǔn)確識別。需要發(fā)展具有多維度信息獲取能力的紅外探測器，同時獲取多個光譜維、偏振維的紅外圖像。3）探測器向高集成度、小型化方向發(fā)展，這主要體現(xiàn)在像元間距越來越小，陣列規(guī)模越來越大。后端需要處理的圖像壓力越來越大，需要將整個紅外探測系統(tǒng)與紅外焦平面進行集成，發(fā)展感存算一體的紅外探測器，將智能化的處理技術(shù)在片上進行集成。發(fā)展新型紅外微分探測器，將抑制復(fù)雜背景的功能置于讀出電路端，實現(xiàn)暗弱目標(biāo)探測的對比度和圖像信噪比的提升。4）提高紅外探測器的環(huán)境適應(yīng)性，紅外探測器廣泛應(yīng)用的一個主要約束就是對低溫環(huán)境的要求，如何降低高性能紅外探測器的工作溫度需求、降低工作功耗、提高組件封裝的集成度也是未來一段時期的主要研究內(nèi)容。

論文鏈接： DOI: 10.11834/jig.230039