作者：SK海力士CIS ISP部門主管Taehyun Kim博士

麥姆斯咨詢 編譯

攝像頭就像人類的眼睛，依靠鏡頭、濾光片和傳感器等元器件為我們提供清晰的視覺、色彩和深度信息。在我們每天都使用的智能手機(jī)攝像頭中，有一個關(guān)鍵元器件就像人眼的視網(wǎng)膜，那就是CMOS圖像傳感器。

CMOS圖像傳感器技術(shù)的初衷是為人類視覺提供優(yōu)化的圖像信息?，F(xiàn)在，CMOS圖像傳感器正朝著一個新的目標(biāo)發(fā)展——增強(qiáng)人類視覺。它正被用于收集數(shù)字圖像信息，為未來的人工智能（AI）應(yīng)用提供源源不斷的數(shù)據(jù)。CMOS圖像傳感器開始有了一系列新的用途，例如，從制造缺陷篩查到黑暗環(huán)境中的物體檢測等。

隨著移動設(shè)備的拍照功能越來越強(qiáng)大，該領(lǐng)域的競爭也越來越激烈，并且，人們期待這項技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)，以進(jìn)一步推動創(chuàng)新。根據(jù)Research and Markets預(yù)測，到2023年，全球圖像傳感器市場將以6.2%的速度增長至232億美元。

艾里斑衍射成像

拍照成為智能手機(jī)差異化的關(guān)鍵，推動CMOS圖像傳感器增長

很大程度上，圖像傳感器市場的增長主要歸因于產(chǎn)品性能的不斷提高，當(dāng)然，其它因素也在發(fā)揮作用。在智能手機(jī)這個日趨飽和的市場，OEM制造商已經(jīng)將攝像頭創(chuàng)新作為一種與競爭對手實現(xiàn)差異化的關(guān)鍵組件。新型多樣化的攝像頭功能，需要先進(jìn)的成像技術(shù)。低功耗緊湊型圖像傳感器的發(fā)展，以及生物識別領(lǐng)域的更多應(yīng)用，推動了圖像傳感器市場的增長。移動設(shè)備中多攝像頭的應(yīng)用，無疑加速了這一增長趨勢。

對于智能手機(jī)攝像頭，成像質(zhì)量通常與CMOS圖像傳感器相關(guān)，因為其性能直接影響了分辨率、靈敏度和信噪比（SNR）等關(guān)鍵因素。當(dāng)然，它也支持了新產(chǎn)品應(yīng)用的出現(xiàn)，不斷提高成像設(shè)備的性能。因而，智能手機(jī)攝像頭的成像質(zhì)量得以超越小型數(shù)碼相機(jī)，甚至與單反相機(jī)的差距也在不斷縮小。

從成像轉(zhuǎn)向信息獲取

早期來看，CMOS圖像傳感器技術(shù)的目的是為人眼優(yōu)化圖像質(zhì)量。隨著技術(shù)的進(jìn)步，其目標(biāo)已經(jīng)轉(zhuǎn)向為機(jī)器算法提供所需要的圖像質(zhì)量。但是，衍射極限限制了CMOS圖像傳感器的像素微型化。

因此，CMOS圖像傳感器廠商一直在通過開發(fā)器件及處理技術(shù)來提高CMOS圖像傳感器的像素集成水平，并通過圖像信號處理（ISP）技術(shù)來支持更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。這是一個漸進(jìn)的轉(zhuǎn)變過程。

在第一階段，像素工程師致力于彌補(bǔ)由于像素尺寸縮小而不可避免的靈敏度損失，為此開發(fā)了許多創(chuàng)新技術(shù)，例如片上透鏡（或微透鏡）、深光電二極管和背照式技術(shù)等。

當(dāng)像素尺寸達(dá)到約一微米時，第二階段開始了，更側(cè)重于減少串?dāng)_。在此階段，為了抑制光和電串?dāng)_，開發(fā)了彩色濾光片層金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和硅光電二極管深溝槽隔離工藝等新技術(shù)。通過這些新技術(shù)創(chuàng)新，CMOS圖像傳感器平臺有望發(fā)展成為一種支持先進(jìn)附加功能的“信息”傳感器，而不僅限于成像質(zhì)量的提高。

新技術(shù)的興起

這些創(chuàng)新背后的一個重要驅(qū)動因素是傳感器堆棧技術(shù)的出現(xiàn)。在傳統(tǒng)圖像傳感器結(jié)構(gòu)中，像素和電路都布局在同一襯底上，因此縮小無光區(qū)域?qū)τ诳s小CMOS圖像傳感器尺寸至關(guān)重要。這種情況下，只能實現(xiàn)模擬/數(shù)字電路的基本功能，為額外功能增加電路非常受限。

傳統(tǒng)傳感器和堆棧傳感器的結(jié)構(gòu)對比

基于先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝，SK海力士的堆棧傳感器已經(jīng)能夠?qū)⒑唵蔚娜斯ぶ悄埽ˋI）硬件引擎嵌入ISP（圖像信號處理）單元的底層襯底上。同時，超分辨率、色彩恢復(fù)、人臉識別和目標(biāo)識別等基于機(jī)器學(xué)習(xí)的新技術(shù)也在不斷開發(fā)中。

這些新型芯片將在多個應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮作用，其中一些創(chuàng)新已經(jīng)開始進(jìn)入市場。

索尼不久前發(fā)布了兩款智能視覺傳感器，這是世界上第一款為云服務(wù)配備AI處理功能的圖像傳感器。這些產(chǎn)品為開發(fā)人工智能攝像頭創(chuàng)造了機(jī)遇，可以使零售和工業(yè)領(lǐng)域的多種應(yīng)用成為可能，有助于打造最優(yōu)化的云端互連系統(tǒng)。

例如，將配備這些圖像傳感器的攝像頭安裝在建筑入口時，它們可以計算進(jìn)入建筑的訪客數(shù)量；當(dāng)安裝在零售貨架上時，它們可以檢測庫存數(shù)量；而當(dāng)它們安裝在天花板上，可以確定人員最聚集的區(qū)域。由于使用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的ISP技術(shù)可以從輸入圖像中提取各種特征并將其分類，因此，CMOS圖像傳感器將成為信息傳感器的關(guān)鍵組件，收集關(guān)于圖像、位置、距離和其它生物特征信息等各種數(shù)據(jù)。

當(dāng)它們應(yīng)用于自動駕駛車輛時，這一性能將變得更為關(guān)鍵。在自動駕駛車輛中，至少將使用10個攝像頭來監(jiān)測車輛周圍環(huán)境。為了提高檢測精度，它們必須滿足各種要求，例如支持遠(yuǎn)距離目標(biāo)分類的高分辨率，即使在黑暗環(huán)境中也能識別目標(biāo)的HDR功能，以及降低中央處理器計算量的ISP預(yù)處理等。

自動駕駛車輛上布置的攝像頭位置

在安防領(lǐng)域，則需要對CMOS圖像傳感器內(nèi)置ISP中的圖像信號進(jìn)行壓縮和加密，然后將其傳輸?shù)酵獠刻幚砥鳌Ｈ绻麍D像信號未加密就直接對外傳輸，則會增加安全漏洞和信息泄露的可能性。因此，CMOS圖像傳感器中的加密功能至關(guān)重要。

突破移動成像，賦能信息感知

目前，智能手機(jī)應(yīng)用在CMOS圖像傳感器市場占據(jù)了主要的市場份額，不過，還有許多應(yīng)用有望成為CMOS圖像傳感器未來增長的驅(qū)動力，尤其是隨著機(jī)器視覺應(yīng)用的增長和發(fā)展。這些新興機(jī)遇正在推動CMOS圖像傳感器技術(shù)從移動成像拓展至其它增長領(lǐng)域，我們可能會看到從視覺成像向傳感及其它交互應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。