3D視覺(jué)系統的“眼睛”
圖像傳感器，或稱(chēng)感光元件，是一種將光學(xué)圖像轉換成電子信號的器件，它猶如人類(lèi)的眼睛一樣，感受著(zhù)大自然的絢麗多姿。圖像傳感器是組成數字攝像頭的重要組成部分，廣泛應用于智能手機、數碼相機和其它電子光學(xué)設備中。
圖像傳感器
在基于結構光和飛行時(shí)間（ToF）原理的3D視覺(jué)系統中，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(jiàn)光圖像傳感器采集物體的二維平面（X與Y軸）可見(jiàn)光信息（Vis Light）；圖像傳感器的信息匯總至專(zhuān)用的圖像處理芯片，從而得到物體的三維數據，實(shí)現空間定位。兩個(gè)圖像傳感器構成了3D視覺(jué)系統的“眼睛”，捕捉外界環(huán)境信息；圖像處理芯片和存儲器構成了3D視覺(jué)系統的“大腦”，進(jìn)行信息的處理和存儲。
圖像傳感器的圖像信息采集過(guò)程
移動(dòng)市場(chǎng)是圖像傳感器產(chǎn)業(yè)的主要應用領(lǐng)域，盡管手機數量接近飽和，但是由于3D攝像頭的出現，激光雷達、自動(dòng)駕駛、無(wú)人機拍攝、生物特征識別、增強現實(shí)（AR）等新興應用的需求，圖像傳感器的市場(chǎng)仍將繼續保持穩定的增長(cháng)勢頭。
洞悉圖像傳感器原理
根據元件的不同，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，互補型金屬氧化物半導體器件）兩大類(lèi)。
20世紀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)上獨樹(shù)一幟。最初市場(chǎng)上的CMOS圖像傳感器，一直沒(méi)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(wú)法與CCD圖像傳感器相比。但是，近年來(lái)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，美國貝爾實(shí)驗室的維拉·波義耳（Willard S. Boyle）和喬治·史密斯（George E. Smith）發(fā)明了CCD，CCD一度作為傳統膠片的取代物，引領(lǐng)潮流。CCD的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉移。
構成CCD的基本單位是MOS電容器，類(lèi)似于MOS晶體管結構，和其它電容器一樣，MOS電容器能夠儲存電荷。當器件受到光照時(shí)（光可從各電極的縫隙間經(jīng)過(guò)SiO2層射入，或經(jīng)襯底的薄P型硅射入），光子的能量被半導體吸收，產(chǎn)生電子-空穴對，電子被吸引存貯在勢阱中，這些電子是可以傳導的。光越強，勢阱中收集的電子越多，光弱則反之，這樣就把光的強弱變成電荷的數量，實(shí)現了光與電的轉換，而勢阱中收集的電子處于存貯狀態(tài)，即使停止光照一定時(shí)間內也不會(huì )損失，這就實(shí)現了對光照的記憶。這是電荷的儲存過(guò)程。
若CCD的基本單位MOS電容器之間排列足夠緊密，那么MOS電容的勢阱相互耦合，慢慢電荷就可以發(fā)生轉移了。上述結構實(shí)質(zhì)上是個(gè)微小的MOS電容，用它構成像素，既可“感光”又可留下“潛影”，感光作用是靠光強產(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(guò)“顯影”就實(shí)現了圖像的傳遞，最終呈現出一幅完整的畫(huà)面。
CCD的結構和工作原理（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、響應速度快、圖像畸變小等優(yōu)勢。但是，如果想要得到像素高的圖片，需要增加像素數也就是CCD上感光元件的數量，這就帶了制造成本增加和成品率下降等一系列問(wèn)題。因此，CMOS圖像傳感器則應運而生。
2. CMOS
CMOS圖像傳感器（CMOS Image Sensor，簡(jiǎn)稱(chēng) CIS）。CMOS圖像傳感器在問(wèn)世初期成本很高，但隨著(zhù)大規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。雖然某些成像指標差于CCD，但隨著(zhù)工藝的改進(jìn)，CIS的應用范圍逐步擴大。特別是3D攝像頭的出現，CMOS圖像傳感器市場(chǎng)仍能實(shí)現2016~2022年10.5%的復合年增長(cháng)率（CAGR）。攝像頭從2D轉變?yōu)?D，驅動(dòng)著(zhù)CMOS圖像傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)生變化，從成像質(zhì)量到人機交互。新興應用，如無(wú)人機拍攝、生物特征識別、增強現實(shí)（AR）等，也是CMOS圖像傳感器的潛在用戶(hù)。
CMOS圖像傳感器的應用趨勢
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)效應晶體管所構成?？梢钥吹筋伾珵V鏡的紅、綠、藍的比例為1:2:1，綠色的比例高于其他兩種顏色，這是因為人眼對綠色最敏感，這樣可以模擬人眼的視覺(jué)感受。光源經(jīng)由顏色濾鏡照射光電二極管，在光電二極管內產(chǎn)生電子-空穴對。將電子-空穴對分離，并經(jīng)硅場(chǎng)效應晶體管放大信號送至數據線(xiàn)，最后經(jīng)圖像處理芯片處理后輸出影像。
CMOS圖像傳感器結構示意圖
前照式（Front-illuminated Structure，FSI）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?xún)r(jià)比等優(yōu)勢。從工作原理來(lái)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。對于較大的像素，FSI都十分有效，因為像素堆疊（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(lái)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。采用BSI構建像素，光線(xiàn)無(wú)需穿過(guò)金屬互連層。BSI的第一步是匯聚進(jìn)入光電二極管光學(xué)區域的入射光，其光學(xué)要求與FSI相同，不過(guò)現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器件結構對比
而由索尼首創(chuàng )的堆疊式BSI技術(shù)正在改變競爭格局和市場(chǎng)狀態(tài)。堆疊BSI圖像傳感器分層堆疊像素，包括片上背照式結構像素的形成，芯片包括用于信號處理的電路，將代替用于傳統背照式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)對焦（AF）和光學(xué)防抖（OIS）。除了獲得更佳畫(huà)質(zhì)與先進(jìn)功能，“堆疊式結構”的使用還幫助索尼實(shí)現更為緊湊的產(chǎn)品尺寸。
日韓稱(chēng)霸，多數廠(chǎng)商齊成長(cháng)
最近幾年，麥姆斯咨詢(xún)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)研究報告，《CMOS圖像傳感器產(chǎn)業(yè)現狀-2017版》和《3D成像和傳感-2017版》報告已于近期發(fā)布，歡迎咨詢(xún)購買(mǎi)。
在2016年，CMOS圖像傳感器產(chǎn)業(yè)領(lǐng)導者索尼獨占42%的市場(chǎng)份額，而三星獲得18%的市場(chǎng)份額。盡管東芝（Toshiba）表現不佳，退出市場(chǎng)，但是去年三分之二的廠(chǎng)商都有所增長(cháng)。三星（Samsung）、豪威科技（Omnivision）、松下（Panasonic）都實(shí)現了同比增長(cháng)15%的優(yōu)秀業(yè)績(jì)。這些“大玩家”的發(fā)展，彰顯出亞洲廠(chǎng)商在CMOS圖像傳感器產(chǎn)業(yè)中的重要地位。意法半導體（STMicroelectronics）通過(guò)開(kāi)發(fā)3D飛行時(shí)間（ToF）器件來(lái)重啟CMOS圖像傳感器業(yè)務(wù)。這些器件可以實(shí)現從“接近感測”到“距離測量”，再到“3D成像”。如果意法半導體在蘋(píng)果iPhone 8中的應用傳聞最終成真，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(chǎng)商的市場(chǎng)份額情況
隨著(zhù)3D視覺(jué)的興起，用于測量景深的近紅外圖像傳感器受到追捧，多家廠(chǎng)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(kāi)深入研究，為消費類(lèi)、汽車(chē)類(lèi)、工業(yè)類(lèi)領(lǐng)域的圖像傳感器廠(chǎng)商提供獨特的像元技術(shù)（pixel technology）。對于工業(yè)類(lèi)應用，索尼（Sony）/Softkinetic將其技術(shù)授權給德州儀器（TI）；對于汽車(chē)類(lèi)應用，索尼（Sony）/Softkinetic則將其技術(shù)授權給邁來(lái)芯（Melexis）。其它領(lǐng)先廠(chǎng)商還包括璦鐠瑞思（ESPROS）、英飛凌（Infineon）/ PMD等。當然，中國廠(chǎng)商也在蓄力儲備，如艾普柯（Epticore）、思比科（Superpix）等。
璦鐠瑞思通過(guò)其獨有的工藝技術(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達到很高的光電效應，進(jìn)而實(shí)現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相機和TDI相機，以及基于硅的廣域光譜傳感器。艾普柯是國內一家直接做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(xún)主辦的『“微言大義”研討會(huì )：3D攝像頭技術(shù)及應用』上，璦鐠瑞思和艾普柯將就其公司的創(chuàng )新產(chǎn)品、技術(shù)和應用發(fā)表演講，歡迎報名參加獲取更多的訊息！
聯(lián)系客服
