2018年度的國際固態(tài)電路會議：幾項最新影像傳感器技術(shù)亮相

在2018年度的國際固態(tài)電路會議(ISSCC)上，有幾項在影像傳感器技術(shù)方面的新進(jìn)展亮相，超越了以前著重在“選美”的影像擷取，添加了更多情境資訊；這些新進(jìn)展包括了事件導(dǎo)向(event-driven)傳感器、能解決運動中物體影像扭曲問題的全域快門(global shutters)新方法，以及飛行時間(ToF)影像傳感器。

具備動作偵測功能的CMOS影像傳感器

索尼(Sony)在ISSCC發(fā)表的事件導(dǎo)向低功耗CMOS影像傳感器，就是一個為所擷取影像添加情境資訊的好例子，該公司的設(shè)計工程師團(tuán)隊直接在影像傳感器內(nèi)部布置了運動偵測(motion detection)功能。

在一篇論文中，Sony詳細(xì)介紹了一款1/4吋、390萬像素(3.9Megapixel)的低功耗事件導(dǎo)向背照式堆疊(back-illuminated stacked) CMOS影像傳感器，整合了像素讀取電路(pixel readout circuit)，能偵測每一個像素的運動物體。根據(jù)Sony開發(fā)團(tuán)隊的描述，開發(fā)這款事件導(dǎo)向影像傳感器的幕后動機(jī)，是為了滿足那些低功耗、永不關(guān)機(jī)裝置也要配備高畫質(zhì)成像技術(shù)的需求。

隨著諸如家用保全攝影機(jī)、虛擬個人助理等無線連網(wǎng)裝置崛起，物聯(lián)網(wǎng)(IoT)系統(tǒng)設(shè)計工程師也在尋找能延長電池壽命的小型解決方案，事件導(dǎo)向技術(shù)正適合保全系統(tǒng)應(yīng)用；這類影像傳感器內(nèi)建了智能功能，能即時偵測運動物體。

Sony的事件導(dǎo)向傳感器具備像素陣列、列驅(qū)動器(row drivers)、列解碼器(row decoders)、單斜率產(chǎn)生器(single-slope generation)、動作/光偵測功能區(qū)塊、影像訊號處理器、訊框存儲器SRAM、MIPI連結(jié)埠，以及連結(jié)至傳感器控制區(qū)塊的CPU

（來源：Sony）

如上圖所示，當(dāng)Sony事件導(dǎo)向傳感器偵測到運動物體時，CPU會產(chǎn)生一個外部中斷訊號，利用晶片上的自動曝光，以零延遲觸發(fā)對高畫質(zhì)影像的擷取。Sony表示，該影像傳感器利用每個像素區(qū)塊共享之浮動擴(kuò)散(floating diffusion)中的像素加總(pixel summation)，實現(xiàn)了每秒10訊框的運動物體偵測。

Sony位于美國矽谷的影像傳感器設(shè)計中心資深嵌入式軟體工程師Abhinav Mathur表示，該影像傳感器的運作功耗僅1.1mW，而相同的全分辨率、每秒60訊框速率CMOS影像傳感器功耗為95mW；在事件紀(jì)錄的應(yīng)用中，此傳感器能在攝影機(jī)系統(tǒng)的低功耗感測模式下顯著降低功耗與資料頻寬。

Sony事件導(dǎo)向傳感器功能區(qū)塊

（來源：Sony）

ToF傳感器技術(shù)進(jìn)展

3D深度攝影機(jī)正夯，相關(guān)技術(shù)的競爭焦點在于更高分辨率、更低功耗以及更小體積；微軟(Microsoft)在ISSCC簡報了應(yīng)用于Kinect 2動作感測裝置的ToF傳感器進(jìn)展，該傳感器采用的是經(jīng)過改善的連續(xù)波(Continuous-Wave，CW)式ToF技術(shù)，號稱將最新的ToF傳感器推向了百萬像素等級。

Microsoft的最新ToF傳感器

（來源：Microsoft）

Microsoft的團(tuán)隊認(rèn)為，在市面上各種3D影像擷取技術(shù)中，CW ToF成像系統(tǒng)能提供優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、無要求底線，以及高效能深度影像分辨率、低運算成本，還有IR環(huán)境光強(qiáng)度不變 (IR ambient light invariant intensity)同步擷取──即主動亮度(active brightness)──等特性，因此該團(tuán)隊致力于改善CW ToF攝影機(jī)的空間分辨率、精確度以及運作范圍，同時降低其功耗。

此外Microsoft也借由提升調(diào)變對比(modulation contrast)、量子效率以及調(diào)變頻率來改善CW ToF影像傳感器的不確定性與功耗，消除了讀取雜訊與模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，同時以較小像素降低了光學(xué)堆疊的高度。

Microsoft的ToF傳感器規(guī)格

（來源：Microsoft）

小型像素(3.5 x 3.5μm)對新一代ToF傳感器在智能手機(jī)應(yīng)用的競爭上非常重要，Microsoft號稱其方案具備商用全域快門RGB傳感器競爭力，以及適用手持式裝置的小型光學(xué)堆疊；該公司在ISSCC論文中介紹的1024x1024像素ToF全域快門影像傳感器，能在200MHz下達(dá)到87%的調(diào)變對比，采用臺積電(TSMC)的65奈米1P8M背照式CMOS技術(shù)。

像素內(nèi)雜訊消除

松下(Panasonic)在ISSCC展示其有機(jī)光導(dǎo)薄膜(organic photoconductive film，OPF) CMOS影像傳感器技術(shù)最新進(jìn)展──將OPF CMOS影像傳感器中的光電轉(zhuǎn)換功能與電路分離；借由這種獨特架構(gòu)，該公司團(tuán)隊將新開發(fā)的高速雜訊消除技術(shù)以及高飽和度技術(shù)整合至電路，同時利用傳感器的獨特敏感度控制功能來改變施加到OPF的電壓，因此實現(xiàn)全域快門功能。

OPF CMOS影像傳感器與傳統(tǒng)全域快門傳感器的架構(gòu)比較；Panasonic聲稱其最新傳感器是業(yè)界首款提供8K分辨率、60fps訊框速率、450k電子飽和度，并具備全域快門功能

（來源：Panasonic）

在過去，廣播電視與保全應(yīng)用的高分辨率、高保真度攝影機(jī)，如8K超高分辨率電視系統(tǒng)與采用堆疊傳感器方案的8K攝影機(jī)的共同缺陷，是采用滾動快門(rolling-shutter)而非全域快門。在全域模式下，快門運作能同步擷取所有像素的影像；而滾動快門模式的有機(jī)CMOS影像傳感器，則是以逐行(row by row)方式曝光與運作。

Panasonic表示，滾動快門會導(dǎo)致失真問題，特別是在高速成像以及多視角影像合成應(yīng)用時

（來源：Panasonic）

Panasonic新開發(fā)的傳感器號稱能即時擷取不失真的運動物體影像，該公司認(rèn)為這對多視角與高速、高分辨率攝影機(jī)特別有益，例如機(jī)器視覺與智能交通監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用；而因為光電轉(zhuǎn)換與電路能分開設(shè)計，利用像素內(nèi)增益開關(guān)(in-pixel gain-switching)技術(shù)能達(dá)到高飽和度特性，電壓控制敏感度調(diào)變技術(shù)則是借由改變施加至OPF的電壓來調(diào)整敏感度。

Panasonic新開發(fā)的CMOS影像傳感器能擷取8K分辨率影像，甚至在高對比度的場景中；同時具備全域快門功能，可用全像素擷取同步影像

（來源：EE Times）

支援200公尺距離的成像光達(dá)

東芝(Toshiba)的工程師團(tuán)隊在ISSCC發(fā)表的是長距離、高分辨率光達(dá)(LiDAR)系統(tǒng)最新技術(shù)，利用來自目標(biāo)物反射光子(reflected photon)的ToF資訊；而因為其目標(biāo)是距離量測(distance measurement，DM)，該團(tuán)隊將支援距離定在200公尺，也就是一輛行駛于高速公路上的汽車，感測正在接近的其他車輛或物體的最理想距離。

而Toshiba的團(tuán)隊也指出，若要在城市區(qū)域?qū)崿F(xiàn)安全可靠的自動駕駛車輛，光達(dá)系統(tǒng)必須要有寬廣視角與高分辨率，才能完整感知周遭情況；要實現(xiàn)此目標(biāo)的一個棘手挑戰(zhàn)是，光達(dá)系統(tǒng)得時常與強(qiáng)烈的背景光線(例如陽光)對抗，那也是光達(dá)系統(tǒng)最主要的雜訊來源。

車用光達(dá)系統(tǒng)的偵測距離要求以及Toshiba的解決方案規(guī)格

（來源：Toshiba）

Toshiba介紹了一種結(jié)合時間至數(shù)字值轉(zhuǎn)換器(Time-to-Digital Converter，TDC)與模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)的光達(dá)SoC，配備了一種命名為智能累加技術(shù)(Smart Accumulation Technique，SAT)的功能，號稱能讓光達(dá)系統(tǒng)達(dá)到200公尺的視距以及自動駕駛車輛需要的高分辨率影像。

根據(jù)Toshiba的說法，SAT能利用來自ADC的強(qiáng)度與背景光資訊，識別并累計僅從目標(biāo)物反射的數(shù)據(jù)，因此與傳統(tǒng)的累加技術(shù)相較，其分辨率能達(dá)到四倍。該TDC/ADC組合架構(gòu)放寬了ADC采樣率需求，以支援短距離DM精確度；此外該概念驗證支援200公尺距離的光達(dá)系統(tǒng)，DM距離是傳統(tǒng)設(shè)計的兩倍，可實現(xiàn)240x96像素分辨率與0.125%的DM精確度。

Toshiba光達(dá)方案與傳統(tǒng)設(shè)計的性能比較

（來源：Toshiba）

像素平行接合技術(shù)

不只Panasonic，Sony也注意到滾動快門影像傳感器擷取運動物體影像失真的問題，指出像素內(nèi)模擬存儲器(in-pixel analog memory)與像素平行(pixel-parallel) ADC雖是潛在解決方案，但這些技術(shù)都無法支援百萬像素分辨率，因為它們都沒有解決在一個像素中讀寫ADC數(shù)字訊號的時序限制(timing constraint)問題。

Sony在ISSCC論文中提出的方案，是利用具備每像素單一ADC的堆疊影像傳感器，在CMOS傳感器實現(xiàn)全域快門

（來源：Sony）

Sony的堆疊式背照CMOS影像傳感器，配備146萬像素14位元ADC，采用像素級接合技術(shù)(pixel-level bonding technology)。該公司表示，具備正向回饋電路的次臨界值比較器(subthreshold comparator)有助于降低比較器運作電流與電路區(qū)域最小化，能降低功耗。

編譯：Judith Cheng

(參考原文： Rivals Expand Image Sensor Scope，by Junko Yoshida)