淺析圖像傳感器技術(shù)未來發(fā)展的六個方向

從1975年柯達(dá)發(fā)明了第一顆實用CCD圖像傳感器以來，圖像傳感器經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，形成了一個非常大的產(chǎn)業(yè)，參與這一領(lǐng)域的國家和公司越來越多。

從地理分布上看，北美（美國加拿大）約有40家圖像傳感器公司，歐洲（包含以色列）約有54家公司，日韓臺灣新加坡約有43家公司，中國大陸約有17家公司。CIS Foundry（代工廠）有19家公司。

科技公司競爭的背后也是各個國家科研機(jī)構(gòu)的競爭，北美（美國加拿大）約有35個主要圖像傳感器相關(guān)研究組織，歐洲（包含以色列）約有39個，日韓臺灣新加坡約有31個，中國大陸約有10個。其他國家有6個。

眾多公司與科研機(jī)構(gòu)在圖像傳感器領(lǐng)域展開激烈的競爭，技術(shù)的創(chuàng)新也越來越快。在倫敦圖像傳感器峰會上，著名網(wǎng)站《圖像傳感器世界》的站主Vladimir Koifman，同時也是Analog Value這家公司的CTO發(fā)表了一篇演講，指出了6個圖像傳感器熱點技術(shù)方向。

1.近紅外響應(yīng)增強(qiáng)

主要的目的是增加sensor的QE，以應(yīng)對越來越多的sensing應(yīng)用，比如結(jié)構(gòu)光3D sensor（faceID，AR/VR）

CIS 市場的主要廠家（ Sony OV，Smartsens，TSMC） 近紅外增強(qiáng)主要采用金字塔 +DTI 技術(shù)。 還有的廠家采用 Ge-on-Si IR sensor（Artilux/TSMC） 。 SOI（ silicon on insulator）sensor（Shizuoka Uni，ST）。

由于硅材料對近紅外光的吸收系數(shù)很低，所以需要更長的光程才能在硅半導(dǎo)體內(nèi)形成吸收產(chǎn)生電子。Sony在2017年的Nature上第一次發(fā)表了其IPA（Inverted Pyramid Array）結(jié)構(gòu)，普通sensor的表面是平的，這種sensor的表面呈倒金字塔形狀。

從SONY IMX332公開的數(shù)據(jù)可以看到，采用IPA與DTI技術(shù)后，sensor在850nm的感度提到了43%，從700-1200nm的感度提到了70%。后來Smartsense 和OmniVision 也采用了這一技術(shù)。

Shizuoka University 采用SOI deep depletion技術(shù)來提高紅外光的感度。這一技術(shù)用在iTOF上效果很好。iPhone X上ST的IR image sensor使用了 SOI+ DTI技術(shù)。

2.stacked sensor 的像素級互連技術(shù)

與傳統(tǒng)stack sensor上列共用ADC不同，像素級互連技術(shù)可以增加上千倍的ADC，使得每個像素都有單獨的ADC，這樣可以大大提高Global Shutter的readout速度。

Olympus在2013年第一次發(fā)布這一技術(shù)。

Sony和OV都在2018年發(fā)布了這一技術(shù)。不同的是Sony用這一技術(shù)改善Global Shutter的readout速度，OV用這一技術(shù)增加sensor的HDR性能。

3.Global Shutter像素的縮小

歷史上，Global Shutter Pixel尺寸不容易做小，這一直是其使用的一個局限。 不過近些年Global Shutter Pixel 尺寸縮小有增速的趨勢。 Rolling Shutter Pixel 的尺寸縮小停頓了7-8 年，現(xiàn)在又開始加速縮小。

工業(yè)領(lǐng)域sensor的工藝主要是65/55nm工藝，不過TSMC和三星開始向28nm發(fā)展。

4.sensor功能開始走向融合

從應(yīng)用角度來看，相機(jī)已經(jīng)成了beyond Camera，現(xiàn)在的相機(jī)是多傳感器集群應(yīng)用。

如iphone x的傳感器劉海。

如果一顆sensor可以集成多種功能，那就可以更加節(jié)省成本與空間。 比如 RGB-IR sensor。

還有融合Lidar 與Camera功能的sensor。

5.Polarization Sensor

極化傳感器，公眾號之前介紹過Sony的極化傳感器。這種sensor在工業(yè)，機(jī)器視覺，軍事，車載上都有非常有趣的應(yīng)用。

6.高速圖像傳感器

比如用來拍體育運動的高速8K圖像傳感器，可以還原體育運動的慢動作。

1.readout速度達(dá)到3.5um per row。

2.以往的sensor readout是一行行readout，這種sensor可以多行一起readout。

以上6點image sensor創(chuàng)新主要是集中在sensor pixel本身的設(shè)計，工藝的創(chuàng)新，在stack sensor邏輯層集成功能的創(chuàng)新也在飛速發(fā)展中。2020年5月Sony 發(fā)布imx500，這是世界上第一款集成了AI功能的圖像傳感器，Sony與微軟合作利用這種智能sensor與云端應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行融合，比如實現(xiàn)人臉與物體識別，只傳輸人臉與關(guān)注區(qū)域的圖像到云端應(yīng)用，這樣可以大大減小傳輸帶寬與數(shù)據(jù)量。

其他sensor 廠家也不甘落后，有新聞報導(dǎo)SK Hynix正在sensor上集成AI engine，開發(fā)超分辨率，色彩還原，面部識別和物體識別等應(yīng)用。未來幾年，圖像傳感器上集成的圖像處理與AI功能會有更多的技術(shù)創(chuàng)新，讓我們拭目以待。
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