走进3D视觉系列（六）：新兴应用驱动下的图像传感器

走进3D视觉系列（六）：新兴应用驱动下的图像传感器
2017-07-08 21:24:44   来源：麦姆斯咨询   评论：   点击：

图像传感器，或称感光元件，是一种将光学图像转换成电子信号的器件，它犹如人类的眼睛一样，感受着大自然的绚丽多姿。图像传感器是组成数字摄像头的重要组成部分，广泛应用于智能手机、数码相机和其它电子光学设备中。

3D视觉系统的“眼睛”

图像传感器，或称感光元件，是一种将光学图像转换成电子信号的器件，它犹如人类的眼睛一样，感受着大自然的绚丽多姿。图像传感器是组成数字摄像头的重要组成部分，广泛应用于智能手机、数码相机和其它电子光学设备中。

图像传感器

在基于结构光和飞行时间（ToF）原理的3D视觉系统中，近红外图像传感器能够感受近红外光，将近红外光信息处理为物体的深度位置（Z轴）；同时，可见光图像传感器采集物体的二维平面（X与Y轴）可见光信息（Vis Light）；图像传感器的信息汇总至专用的图像处理芯片，从而得到物体的三维数据，实现空间定位。两个图像传感器构成了3D视觉系统的“眼睛”，捕捉外界环境信息；图像处理芯片和存储器构成了3D视觉系统的“大脑”，进行信息的处理和存储。

图像传感器的图像信息采集过程

移动市场是图像传感器产业的主要应用领域，尽管手机数量接近饱和，但是由于3D摄像头的出现，激光雷达、自动驾驶、无人机拍摄、生物特征识别、增强现实（AR）等新兴应用的需求，图像传感器的市场仍将继续保持稳定的增长势头。

洞悉图像传感器原理

根据元件的不同，图像传感器通常可分为CCD（Charge-Coupled Device，电荷耦合器件）和CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互补型金属氧化物半导体器件）两大类。

20世纪70年代，CCD图像传感器和CMOS图像传感器同时起步。CCD图像传感器由于灵敏度高、噪声低，逐步成为图像传感器的主流。但由于工艺上的原因，敏感元件和信号处理电路不能集成在同一芯片上，造成由CCD图像传感器组装的摄像机体积大、功耗大。CMOS图像传感器以其体积小、功耗低在图像传感器市场上独树一帜。最初市场上的CMOS图像传感器，一直没有摆脱光照灵敏度低和图像分辨率低的缺点，图像质量还无法与CCD图像传感器相比。但是，近年来由于CMOS成像技术不断提升、生产成本不断降低，智能手机广泛采用CMOS图像传感器，使得CCD图像传感器在市场的占有率从2010年起不断下降。图像传感器巨头索尼更是宣布将于2017年停产CCD图像传感器。

1. CCD

早在1969年，美国贝尔实验室的维拉•波义耳（Willard S. Boyle）和乔治•史密斯（George E. Smith）发明了CCD，CCD一度作为传统胶片的取代物，引领潮流。CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。

构成CCD的基本单位是MOS电容器，类似于MOS晶体管结构，和其它电容器一样，MOS电容器能够储存电荷。当器件受到光照时（光可从各电极的缝隙间经过SiO2层射入，或经衬底的薄P型硅射入），光子的能量被半导体吸收，产生电子-空穴对，电子被吸引存贮在势阱中，这些电子是可以传导的。光越强，势阱中收集的电子越多，光弱则反之，这样就把光的强弱变成电荷的数量，实现了光与电的转换，而势阱中收集的电子处于存贮状态，即使停止光照一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。这是电荷的储存过程。

若CCD的基本单位MOS电容器之间排列足够紧密，那么MOS电容的势阱相互耦合，慢慢电荷就可以发生转移了。上述结构实质上是个微小的MOS电容，用它构成像素，既可“感光”又可留下“潜影”，感光作用是靠光强产生的电子电荷积累，潜影是各个像素留在各个电容里的电荷不等而形成的。若能设法把各个电容里的电荷依次传送到输出端，再组成行和帧并经过“显影”就实现了图像的传递，最终呈现出一幅完整的画面。

CCD的结构和工作原理（以P型硅为例）

CCD具有技术成熟、成像质量高、灵敏度高、噪声低、动态范围大、响应速度快、图像畸变小等优势。但是，如果想要得到像素高的图片，需要增加像素数也就是CCD上感光元件的数量，这就带了制造成本增加和成品率下降等一系列问题。因此，CMOS图像传感器则应运而生。

2. CMOS

CMOS图像传感器（CMOS Image Sensor，简称 CIS）。CMOS图像传感器在问世初期成本很高，但随着大规模集成电路的迅速发展，量产能力提升，成本降低。相比CCD，CMOS图像传感器功耗更低，集成度高，读取电路简单，读取速度快。虽然某些成像指标差于CCD，但随着工艺的改进，CIS的应用范围逐步扩大。特别是3D摄像头的出现，CMOS图像传感器市场仍能实现2016~2022年10.5%的复合年增长率（CAGR）。摄像头从2D转变为3D，驱动着CMOS图像传感器产业发生变化，从成像质量到人机交互。新兴应用，如无人机拍摄、生物特征识别、增强现实（AR）等，也是CMOS图像传感器的潜在用户。

CMOS图像传感器的应用趋势

CMOS图像传感器由微透镜、颜色滤镜、金属电路、光电二极管、硅场效应晶体管所构成。可以看到颜色滤镜的红、绿、蓝的比例为1:2:1，绿色的比例高于其他两种颜色，这是因为人眼对绿色最敏感，这样可以模拟人眼的视觉感受。光源经由颜色滤镜照射光电二极管，在光电二极管内产生电子-空穴对。将电子-空穴对分离，并经硅场效应晶体管放大信号送至数据线，最后经图像处理芯片处理后输出影像。

CMOS图像传感器结构示意图

前照式（Front-illuminated Structure，FSI）曾经为CMOS图像传感器所采用的主流技术，具有大批量生产能力、高可靠性和高良率以及颇具吸引力的性价比等优势。从工作原理来讲，光是从前面的金属电路进入，然后再聚焦在光电二极管上。对于较大的像素，FSI都十分有效，因为像素堆叠（pixel stack）高度与像素面积之比很大，致使像素的孔径也很大。日益缩小的像素需要一系列像素技术创新来解决FSI技术在材料和制造方面的局限性。

背照式（Back-illuminated Structure，BSI）是如今的技术趋势。采用BSI构建像素，光线无需穿过金属互连层。BSI的第一步是汇聚进入光电二极管光学区域的入射光，其光学要求与FSI相同，不过现在微透镜的位置更接近光电二极管，需要淀积更厚的微透镜材料层，以获得更短的焦距。

FSI、BSI和3D堆叠式BSI器件结构对比

而由索尼首创的堆叠式BSI技术正在改变竞争格局和市场状态。堆叠BSI图像传感器分层堆叠像素，包括片上背照式结构像素的形成，芯片包括用于信号处理的电路，将代替用于传统背照式CMOS图像传感器的支撑衬底。该种图像传感器还能集成更多功能，如自动对焦（AF）和光学防抖（OIS）。除了获得更佳画质与先进功能，“堆叠式结构”的使用还帮助索尼实现更为紧凑的产品尺寸。

日韩称霸，多数厂商齐成长

最近几年，麦姆斯咨询携手Yole定期发布图像传感器及3D摄像头新闻动态，每年也都出版产业研究报告，《CMOS图像传感器产业现状-2017版》和《3D成像和传感-2017版》报告已于近期发布，欢迎咨询购买。

在2016年，CMOS图像传感器产业领导者索尼独占42%的市场份额，而三星获得18%的市场份额。尽管东芝（Toshiba）表现不佳，退出市场，但是去年三分之二的厂商都有所增长。三星（Samsung）、豪威科技（Omnivision）、松下（Panasonic）都实现了同比增长15%的优秀业绩。这些“大玩家”的发展，彰显出亚洲厂商在CMOS图像传感器产业中的重要地位。意法半导体（STMicroelectronics）通过开发3D飞行时间（ToF）器件来重启CMOS图像传感器业务。这些器件可以实现从“接近感测”到“距离测量”，再到“3D成像”。如果意法半导体在苹果iPhone 8中的应用传闻最终成真，那么这将可能成为2017年最大的CMOS图像传感器事件。

2016年CMOS图像传感器厂商的市场份额情况

随着3D视觉的兴起，用于测量景深的近红外图像传感器受到追捧，多家厂商已经推出新款成像产品。索尼（Sony）/Softkinetic一直在上述领域展开深入研究，为消费类、汽车类、工业类领域的图像传感器厂商提供独特的像元技术（pixel technology）。对于工业类应用，索尼（Sony）/Softkinetic将其技术授权给德州仪器（TI）；对于汽车类应用，索尼（Sony）/Softkinetic则将其技术授权给迈来芯（Melexis）。其它领先厂商还包括瑷镨瑞思（ESPROS）、英飞凌（Infineon）/ PMD等。当然，中国厂商也在蓄力储备，如艾普柯（Epticore）、思比科（Superpix）等。

瑷镨瑞思通过其独有的工艺技术，使得背照式CCD/CMOS工艺相融合，可在非常宽的光频谱范围内达到很高的光电效应，进而实现具有更高性能的光学传感器；其图像传感器非常适用于超快速图像采集，高灵敏度ToF 3D相机和TDI相机，以及基于硅的广域光谱传感器。艾普柯是国内一家直接做ToF和VCSEL二合一的深度传感器公司。在2017年9月11日由麦姆斯咨询主办的‘“微言大义”研讨会：3D摄像头技术及应用’上，瑷镨瑞思和艾普柯将就其公司的创新产品、技术和应用发表演讲，欢迎报名参加获取更多的讯息！

推荐会议：

2017年9月11日，由麦姆斯咨询主办的‘“微言大义”研讨会：3D摄像头技术及应用’将在上海隆重举行（同期展会：2017年中国（上海）传感器技术与应用展览会）。本次研讨会内容涉及3D摄像头应用及市场分析、3D摄像头原理及技术路线、3D摄像头模组剖析及算法解析等。已邀请英特尔、Viavi Solutions、瑷镨锐思（Espros）、炬佑智能、图漾科技、西安知微传感、艾普柯等企业进行演讲，如果贵司希望参加演讲或展会，请联系：
联系人：王懿
邮箱：[e-mail]
电话：[phone]
研讨会报名具体信息和报名路径请参考：

延伸阅读：

《走进3D视觉系列（一）：3D摄像头已来，产业链布局初成》

《走进3D视觉系列（二）：3D视觉应用方案详解》

《走进3D视觉系列（三）：正在崛起的蓝海——3D摄像头模组》

《走进3D视觉系列（四）：红外光源格局改变在即》

《走进3D视觉系列（五）：且难且前行的“MEMS微镜”》

《3D成像和传感-2017版》

《CMOS图像传感器产业现状-2017版》

《英特尔RealSense 3D摄像头与意法半导体红外激光发射器》