走進(jìn)3D視覺系列（六）：新興應(yīng)用驅(qū)動(dòng)下的圖像傳感器

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。

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