光学视觉传感器技术研究进展.docx

视觉传感是人类感知外界、认知世界的主要途径，研究表明人类获取的外界信息大约有80%来自于视觉,作为感知外界信息的“电子眼球"，视觉传感器是消斐电子、机器视觉、安防监控、科学探测和军事侦察等领域的核心器件.近年来视觉传感解技术发展迅速，不同类型的传感器从不同维度提供丰宜的视觉数据，不断增强人类感知与认知能力，视觉传感器研究工作具有由要的理论与应用需求.据麦姆斯咨询报道，近期，天津大学微电子学院、长春长光辰芯光电技术有眼公司、中国电子科技集团公司第四十四研究所、中国科学院上海技术物理研究所、中国科学院西安分院和中国科学院西安光学精密机械研究所的科研团队在中国图级图形学报期刊上发表了以“光学视觉传感器技术研究进展”为主题的文隼.该文玄通讯作者为西安光机所汶德胜讲究员，主要从事空间光学载荷技术、光电成像技术.快速信号处理技术方面的研究工作.本文以典型光学视觉传感器技术为主线，通过综合国内外文献和相关报道，从CCD图像传感器、CMoS图像传感器、智能视觉传感器以及红外图像传感踞等研究方向，梳理论述近年来光学视觉传感器技术的发展现状、前沿动态、热点问例和趋势.CMOS图像传感器技术基于传感器工艺架构的不同，主要分为正照式、背照式和堆栈式图像传感器。CMOS图像传将器技术与性能对比如图1和表1所示.EM*栈式出构1不同架构的CMOS度像传(Sgg技术«1不同架构的CM0$图像传感器技术性能对比序号主要性能正照式背照式堆校式1填充系数一般100%100%2量r效率50%70%>85%>85%3满阱一般一般高4成像速度一般一般快5集成度一般一般<,再翻J国际研究现状CCD图像传感器多光谱TDICCD时间延迟积分电荷羯合器件(TDICCD)在扫描成像时，利用TDiCCD行频与扫描速度同步的关系，实现光生信号的累加，达到提高器件响应灵敏度和信唉比的目的.TD1.CCD最为典型的应用是作为成像器件应用于卫星遥慝对地成像.通过在多个TD1.CCD上方的增加带通的迩光片实现不同波长范围的探测，最终采用图像融合方式便可荻取彩色影像.目前国际上只有Te1.edyneDA1.SA公司（美国Te1.edyne下属公司，位于加拿大）提供星用多光谱TDICCD产品.目前最新的多光谱TDICCD产品如表2所示.可以看出，目前国际上最新的多光诣TDICCD发展水平为12288像素分辨率、7m像素尺寸、5谱段光滑分辨分辨率.craasan除«忙寸,7aa*,a.表2Te1.edyneDA1.SA公司多光iTDICCD产品R*s22nH2att*<-t-e>sen馋去，：!Hmwjjm国际上目前发展了一些以欧洲微电子中心（IMEC）的CCD-in-CMOS工艺制作的单片式多光潜TDICCD（Be1.1.o等，2017）为代表的新型多光谱TDICCD（图2和图3）.通常CCD采用专用的工艺线制造，而具驱动电路采用常规的板级电路实现，因而体积大、功耗高IMEC采用通用的CMOS工艺，将驱动电路与CCD在单片实现，因而大大改善了器件的驱动系杂度同时降低了功耗，还可以实现片上输出信号的处理，极大改善了后续的应用豆杂度.IO11OO1OOChargepackage图2IMEC的CCD-in-CMOS技术图3IMEC研制的7诏【殳单片式多光谱TDICCD高光谱CCD高光谱技术是利用分光棱镜或光切等将入射光光诣分为几十个谱段甚至上百个诺段投射到图像传感器芯片上，以精细光谱分辨力获取目标信息.从而在得到目标的图像的同时，还可获取目标的光谱信息,实现图谱合一”的技术.由于CCD高均匀性、高动态和介质膜系等简单的特性，在高帧频保证下，目前星用高光谱探测器芯片大多采用CCD.国际上高光谱CCD的主要供应商为Sarnoff公司.Sarnoff公司开发了系列高光谱用CCD产品.国际上高光谱CCD的发展趋势为：1）更小像素尺寸、更高帧频.像素尺寸从18m发展到16m,帧频从500帧/s发展到100O帧/s以上.支持高光造成像仪已经由空间分辨率30m、光谱分辨率10nm发展到更高水平。2）更大阵列规模.阵列规模从512×512发展到4096X256.支持高光谱成像仪的幅宽从几十公里逐渐增大到一百公里以上。EMCCDEMCCD即电子倍增CCD,是灵敏度极高的一种半导体光电探测甥件.EMCCD在常规CCD的输出区域前增加一段多级倍增区，在高压（4050V）下雪崩倍增.EMCCD通过较高的增益，抑制器件的读出噪声，从而在弱光及极弱光下提高器件的信噪比.在天文观测中，自适应光学系统利用波前探测器实时测量成像系统的波前相位误差，所观测的目标信号比较微弱，采用高帧频的EMCCD是最佳的选择.Te1.edyneE2V公司开发了一款高帧频EMCCD型号为CCD220（图4）.CCD220像素尺寸为24m×24m,展高帧频大于1300帧/s,最大倍增恪益大于1000倍.采用背照技术，CCD220蛭值量子效率超过90%.图4E2V公司CCD220器件实物Te1.edyneE2V公司为加拿大开发了一款4KX4K大阵列的EMCCD,型号为CCD282（Gach等，2014）（三5）.CCD282工作在光子计数模式，将用于加拿大Iom光学望远镜.通过降低驱动层幅降低时钟感生/声、深度制冷、高增益倍数（21000倍）、90%的背照量子效率，达到光子计数的最佳性能.$01$02/01/02/01702$01502R0R02RQ3RQ2HVRQ2HVRQ3RQ2RG1.103mmdie1.ength图5CCD282器件结掏与实IS对于EMCCD,电子倍增主要发生在倍培区与相邻的电极之间的边界区域，边界区域界限越长，则倍增增益越大Stefanov等人（2018）设计了一种低电压的EMCCD,通过增加倍增区与相邻电极的交界几何尺寸，实现了低倍培电压下相对较高的倍增增益。CMOS图像传感器正照式架构CMOS图像传感器技术正照式架构CMOS图像传感器由于其自身架构的局限，填充系数偏低，灵敏度要低于背照式和堆栈式架构的传感器，但因其制造工序相对少，所以其成本也要低于其他架构的同类产品，因此对于一些应用环境光线可控、成本控制要求较高的场景,如工业检测、机器视觉等领域，正照式架构的CMOS图像传感甥还有着广泛的市场应用，以Sony.AMS.Te1.edyneE2V等为代表的图像传感器企业推出了一系列正照式架构光学视觉传感器芯片.背照式架构CMOS图像传您器技术背照式架构光学视觉传感器是在正照架构的基础上，对已经加工好的正照传感器晶圆进一步开展绑定支撑畦片、垂直翻转、村底打'薄、表面钝化.修抗反射膜和焊盘刻蚀等工艺后，实现背照式传感器的制造,通过开展背照式架构的光学视觉传感甥技术研究，可以使传感器像素实现100%的填充系数，进一步提升了芯片的灵敏度，所以此类传感器的主要应用领域为生命科学.天文和医疗等低照度应用场册.确保传他器在低照度场景下依然保持若高质量的成像效果，代表性的背照式架构光学传感器企业主要以Sony.Te1.edyneE2V为主.堆栈式架构CMOS图像传感器技术为了满足传感器小型化和多功能化的应用需求，一种全新的传感器架构应运而生，这就是目前最先进的堆栈式架构光学视觉传感器技术，该架构将原本在一个品圆上的像素区域和电路区域，分别做在了两个晶圆上，井将两块晶圆绑定在一起，该种架构的出现使传感器的像素和电路部分可以进行独立设计及优化，使传感器电路部分可以与像素部分采用不同的制程工艺，使电路性能可以得到进一步的提升.品圆绑定方式也从最早的硅通孔（TSV）连接，演变成了通过在像素层和电路层的连接面上构建CU焊盘直接连接的方式进行连接随石堆栈式架构技术的不断发展，使得未来更多数量的晶圆绑定成为可能，从而使具有集成图像处理功能的视觉传感器成为可能.Sony最先面向智能手机领域推出了一系列堆栈式架构光学视觉传感器技术，并在iphone、三星、小米和OPPO等多款手机上实现了应用，其主要特点是在像盍层和电路层之间新加入了DRAM层（动态Sfi机存储单元），DRAM层在整个CMOS模组当中充当缓存角色，用于存储像素层获取到的图像信息,因此大幅提升了传感器处理数据的速度.由于堆栈式传感器技术推出较晚，受当前技术的成熟度低和成本i的影响，目前的应用领域主要集中在手机等消费类领域.智能视觉传感器量子视觉传感器It子视觉传噂器是基于CMOS工艺利用创新的半导体设计在每个像素元件中缩小了转换电容的电容值，从而极大地放大了每个光子产生的电信号.这种极高的信号放大率，解决了传统CMOS图像传感器内部唤声过大的问感，尤其在低照度条件下，光子产生的电信号极弱，传感器内部噪声组英信号，使得目标信息无法准确呈现，通过这种方式实现了在室温条件下的单光子探测和光子数分辨（Zizza.2015）.（八）原蛤io1.图像数据（b）低倍率下的数据（C）经处押后形成的灰度图像图6光子计数图像传感器技术三维成像视觉传感器三维成像视觉传感器能够获得图像的三维信息,在科学研究、工业检测、安全监控和消费娱乐等领域具有广泛的应用前景.目前，商用的三维成像技术主要有立体视觉技术，结构光技术以及飞行时间技术（ToF）等.其中ToF技术具有低功耗和微型化的诙要优势,能够满足便携式电子设备的需求，已成为目前三维成像视觉传椒器的研究热点.D-ToF传感器通过使用高分辨率的时间数字转换器（TDC）和通常由单光子雪崩二极管（SPAD）实现的高增益光电探测器记录光子入射时间，直接测量光的飞行时间以计算深度（Ota等，2022）.尽管D-ToF传感器可以实现蛟长的探测距离,但其横向分辨率是有限的.这是因为每个像素通常需要大量的片上存储器和处理单元，以避免SPAD的光子检测概率和暗计数率的影响.在实现具有高横向分辨率的D-ToF传感器时，特别是在极端的环境光条件下，需要在功耗、动态范围和慎速率之间进行权衡.早期的D-ToF传感器采用正面照射（FSI）CMOS工艺实现,具有像素尺寸大和横向分辨率低的缺点.最近，D-ToF传感器采用了3D堆蜃BSICMOS工艺，以实现小像素尺寸和高横向分辨率。在这些传感器中，像素阵列和逻相电路可以首先在不同的芯片中单独优化，然后通过面对面较合技术连接.ITF传感器测最调制光的相移来间接计算深度.与D-T。F传感器相比，I-ToF传总器可以实现更高的横向分辨率,这是因为1-T。F传感器可以通过执行简单的计算来检测相移，而无需以像素为单位的大容景存储器和处理单元.然而，由于光源的发射功率有限和光电探测器的灵敏度有限J-ToF传感器的检测距离很短.此外，I-T。F传感器有两个关耀问题：移动物体的运动伪影和背景光的深度误差.总体来说，目前D-ToF传感器的分辨率已经提高到100万像素，SPAD阵列的功耗在高光照条件下显著增长.在未来，更智能的像素结构和信号处理单元有望实现具有高帧率的节境D-ToF传感器,具有高横向分辨率和深度分辨率的I-ToF传感器已经使用类似于CIS工艺的方法实现.然而，未来仍需要减少来自背景光的运动伪影和深度误差，以提高应用的可靠性,对于H-ToF传感器，可以采用3D堆鼓BS1.CMOS工艺来进一步减小像素尺寸并提高横向分辨率.仿生视觉图像传感器传统视觉传感器由快门统一控制版光，以帧为单位记录动态账像画面,例如电影每秒记录24帧画面，但从机器视觉的角度来看,这种传统的传感器仍存在一定的应用缺陷，首先帧间可能丢失高速运动细节信息，因