走進3D視覺系列（六）：新興應用驅動下的圖像感測器

3D視覺系統的「眼睛」

圖像感測器，或稱感光元件，是一種將光學圖像轉換成電子信號的器件，它猶如人類的眼睛一樣，感受著大自然的絢麗多姿。圖像感測器是組成數字攝像頭的重要組成部分，廣泛應用於智能手機、數碼相機和其它電子光學設備中。

圖像感測器

在基於結構光和飛行時間（ToF）原理的3D視覺系統中，近紅外圖像感測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，可見光圖像感測器採集物體的二維平面（X與Y軸）可見光信息（Vis Light）；圖像感測器的信息匯總至專用的圖像處理晶元，從而得到物體的三維數據，實現空間定位。兩個圖像感測器構成了3D視覺系統的「眼睛」，捕捉外界環境信息；圖像處理晶元和存儲器構成了3D視覺系統的「大腦」，進行信息的處理和存儲。

圖像感測器的圖像信息採集過程

移動市場是圖像感測器產業的主要應用領域，儘管手機數量接近飽和，但是由於3D攝像頭的出現，激光雷達、自動駕駛、無人機拍攝、生物特徵識別、增強現實（AR）等新興應用的需求，圖像感測器的市場仍將繼續保持穩定的增長勢頭。

洞悉圖像感測器原理

根據元件的不同，圖像感測器通常可分為CCD（Charge-Coupled Device，電荷耦合器件）和CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互補型金屬氧化物半導體器件）兩大類。

20世紀70年代，CCD圖像感測器和CMOS圖像感測器同時起步。CCD圖像感測器由於靈敏度高、雜訊低，逐步成為圖像感測器的主流。但由於工藝上的原因，敏感元件和信號處理電路不能集成在同一晶元上，造成由CCD圖像感測器組裝的攝像機體積大、功耗大。CMOS圖像感測器以其體積小、功耗低在圖像感測器市場上獨樹一幟。最初市場上的CMOS圖像感測器，一直沒有擺脫光照靈敏度低和圖像解析度低的缺點，圖像質量還無法與CCD圖像感測器相比。但是，近年來由於CMOS成像技術不斷提升、生產成本不斷降低，智能手機廣泛採用CMOS圖像感測器，使得CCD圖像感測器在市場的佔有率從2010年起不斷下降。圖像感測器巨頭索尼更是宣布將於2017年停產CCD圖像感測器。

1. CCD

早在1969年，美國貝爾實驗室的維拉?波義耳（Willard S. Boyle）和喬治?史密斯（George E. Smith）發明了CCD，CCD一度作為傳統膠片的取代物，引領潮流。CCD的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉移。

構成CCD的基本單位是MOS電容器，類似於MOS晶體管結構，和其它電容器一樣，MOS電容器能夠儲存電荷。當器件受到光照時（光可從各電極的縫隙間經過SiO2層射入，或經襯底的薄P型硅射入），光子的能量被半導體吸收，產生電子-空穴對，電子被吸引存貯在勢阱中，這些電子是可以傳導的。光越強，勢阱中收集的電子越多，光弱則反之，這樣就把光的強弱變成電荷的數量，實現了光與電的轉換，而勢阱中收集的電子處於存貯狀態，即使停止光照一定時間內也不會損失，這就實現了對光照的記憶。這是電荷的儲存過程。

若CCD的基本單位MOS電容器之間排列足夠緊密，那麼MOS電容的勢阱相互耦合，慢慢電荷就可以發生轉移了。上述結構實質上是個微小的MOS電容，用它構成像素，既可「感光」又可留下「潛影」，感光作用是靠光強產生的電子電荷積累，潛影是各個像素留在各個電容里的電荷不等而形成的。若能設法把各個電容里的電荷依次傳送到輸出端，再組成行和幀並經過「顯影」就實現了圖像的傳遞，最終呈現出一幅完整的畫面。

CCD的結構和工作原理（以P型硅為例）

CCD具有技術成熟、成像質量高、靈敏度高、雜訊低、動態範圍大、響應速度快、圖像畸變小等優勢。但是，如果想要得到像素高的圖片，需要增加像素數也就是CCD上感光元件的數量，這就帶了製造成本增加和成品率下降等一系列問題。因此，CMOS圖像感測器則應運而生。

2. CMOS

CMOS圖像感測器（CMOS Image Sensor，簡稱 CIS）。CMOS圖像感測器在問世初期成本很高，但隨著大規模集成電路的迅速發展，量產能力提升，成本降低。相比CCD，CMOS圖像感測器功耗更低，集成度高，讀取電路簡單，讀取速度快。雖然某些成像指標差於CCD，但隨著工藝的改進，CIS的應用範圍逐步擴大。特別是3D攝像頭的出現，CMOS圖像感測器市場仍能實現2016~2022年10.5%的複合年增長率（CAGR）。攝像頭從2D轉變為3D，驅動著CMOS圖像感測器產業發生變化，從成像質量到人機交互。新興應用，如無人機拍攝、生物特徵識別、增強現實（AR）等，也是CMOS圖像感測器的潛在用戶。

CMOS圖像感測器的應用趨勢

CMOS圖像感測器由微透鏡、顏色濾鏡、金屬電路、光電二極體、硅場效應晶體管所構成。可以看到顏色濾鏡的紅、綠、藍的比例為1:2:1，綠色的比例高於其他兩種顏色，這是因為人眼對綠色最敏感，這樣可以模擬人眼的視覺感受。光源經由顏色濾鏡照射光電二極體，在光電二極體內產生電子-空穴對。將電子-空穴對分離，並經硅場效應晶體管放大信號送至數據線，最後經圖像處理晶元處理後輸出影像。

CMOS圖像感測器結構示意圖

前照式（Front-illuminated Structure，FSI）曾經為CMOS圖像感測器所採用的主流技術，具有大批量生產能力、高可靠性和高良率以及頗具吸引力的性價比等優勢。從工作原理來講，光是從前面的金屬電路進入，然後再聚焦在光電二極體上。對於較大的像素，FSI都十分有效，因為像素堆疊（pixel stack）高度與像素麵積之比很大，致使像素的孔徑也很大。日益縮小的像素需要一系列像素技術創新來解決FSI技術在材料和製造方面的局限性。

背照式（Back-illuminated Structure，BSI）是如今的技術趨勢。採用BSI構建像素，光線無需穿過金屬互連層。BSI的第一步是匯聚進入光電二極體光學區域的入射光，其光學要求與FSI相同，不過現在微透鏡的位置更接近光電二極體，需要澱積更厚的微透鏡材料層，以獲得更短的焦距。

FSI、BSI和3D堆疊式BSI器件結構對比

而由索尼首創的堆疊式BSI技術正在改變競爭格局和市場狀態。堆疊BSI圖像感測器分層堆疊像素，包括片上背照式結構像素的形成，晶元包括用於信號處理的電路，將代替用於傳統背照式CMOS圖像感測器的支撐襯底。該種圖像感測器還能集成更多功能，如自動對焦（AF）和光學防抖（OIS）。除了獲得更佳畫質與先進功能，「堆疊式結構」的使用還幫助索尼實現更為緊湊的產品尺寸。

日韓稱霸，多數廠商齊成長

最近幾年，麥姆斯諮詢攜手Yole定期發布圖像感測器及3D攝像頭新聞動態，每年也都出版產業研究報告，《CMOS圖像感測器產業現狀-2017版》和《3D成像和感測-2017版》報告已於近期發布，歡迎諮詢購買。

在2016年，CMOS圖像感測器產業領導者索尼獨佔42%的市場份額，而三星獲得18%的市場份額。儘管東芝（Toshiba）表現不佳，退出市場，但是去年三分之二的廠商都有所增長。三星（Samsung）、豪威科技（Omnivision）、松下（Panasonic）都實現了同比增長15%的優秀業績。這些「大玩家」的發展，彰顯出亞洲廠商在CMOS圖像感測器產業中的重要地位。意法半導體（STMicroelectronics）通過開發3D飛行時間（ToF）器件來重啟CMOS圖像感測器業務。這些器件可以實現從「接近感測」到「距離測量」，再到「3D成像」。如果意法半導體在蘋果iPhone 8中的應用傳聞最終成真，那麼這將可能成為2017年最大的CMOS圖像感測器事件。

2016年CMOS圖像感測器廠商的市場份額情況

隨著3D視覺的興起，用於測量景深的近紅外圖像感測器受到追捧，多家廠商已經推出新款成像產品。索尼（Sony）/Softkinetic一直在上述領域展開深入研究，為消費類、汽車類、工業類領域的圖像感測器廠商提供獨特的像元技術（pixel technology）。對於工業類應用，索尼（Sony）/Softkinetic將其技術授權給德州儀器（TI）；對於汽車類應用，索尼（Sony）/Softkinetic則將其技術授權給邁來芯（Melexis）。其它領先廠商還包括璦鐠瑞思（ESPROS）、英飛凌（Infineon）/ PMD等。當然，中國廠商也在蓄力儲備，如艾普柯（Epticore）、思比科（Superpix）等。

璦鐠瑞思通過其獨有的工藝技術，使得背照式CCD/CMOS工藝相融合，可在非常寬的光頻譜範圍內達到很高的光電效應，進而實現具有更高性能的光學感測器；其圖像感測器非常適用於超快速圖像採集，高靈敏度ToF 3D相機和TDI相機，以及基於硅的廣域光譜感測器。艾普柯是國內一家直接做ToF和VCSEL二合一的深度感測器公司。在2017年9月11日由麥姆斯諮詢主辦的『「微言大義」研討會：3D攝像頭技術及應用』上，璦鐠瑞思和艾普柯將就其公司的創新產品、技術和應用發表演講，歡迎報名參加獲取更多的訊息！

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