綜述：光學視覺傳感器技術研究進展

文章轉載自紅外新聞

視覺傳感是人類感知外界、認知世界的主要途徑，研究表明人類獲取的外界信息大約有80%來自于視覺。作為感知外界信息的“電子眼球”，視覺傳感器是消費電子、機器視覺、安防監控、科學探測和軍事偵察等領域的核心器件。近年來視覺傳感器技術發展迅速，不同類型的傳感器從不同維度提供豐富的視覺數據，不斷增強人類感知與認知能力，視覺傳感器研究工作具有重要的理論與應用需求。

據麥姆斯咨詢報道，近期，天津大學微電子學院、長春長光辰芯光電技術有限公司、中國電子科技集團公司第四十四研究所、中國科學院上海技術物理研究所、中國科學院西安分院和中國科學院西安光學精密機械研究所的科研團隊在《中國圖象圖形學報》期刊上發表了以“光學視覺傳感器技術研究進展”為主題的文章。該文章通訊作者為西安光機所汶德勝研究員，主要從事空間光學載荷技術、光電成像技術、快速信號處理技術方面的研究工作。

本文以典型光學視覺傳感器技術為主線，通過綜合國內外文獻和相關報道，從CCD圖像傳感器、CMOS圖像傳感器、智能視覺傳感器以及紅外圖像傳感器等研究方向，梳理論述近年來光學視覺傳感器技術的發展現狀、前沿動態、熱點問題和趨勢。

CMOS圖像傳感器技術基于傳感器工藝架構的不同，主要分為正照式、背照式和堆棧式圖像傳感器。CMOS圖像傳感器技術與性能對比如圖1和表1所示。

圖1 不同架構的CMOS圖像傳感器技術

表1 不同架構的CMOS圖像傳感器技術性能對比

國際研究現狀

CCD圖像傳感器

多光譜TDI CCD

時間延遲積分電荷耦合器件（TDI CCD）在掃描成像時，利用TDI CCD行頻與掃描速度同步的關系，實現光生信號的累加，達到提高器件響應靈敏度和信噪比的目的。TDI CCD最為典型的應用是作為成像器件應用于衛星遙感對地成像。通過在多個TDI CCD上方的增加帶通的濾光片實現不同波長范圍的探測，最終采用圖像融合方式便可獲取彩色影像。

目前國際上只有Teledyne DALSA公司（美國Teledyne下屬公司，位于加拿大）提供星用多光譜TDI CCD產品。目前最新的多光譜TDI CCD產品如表2所示。可以看出，目前國際上最新的多光譜TDI CCD發展水平為12288像素分辨率、7 μm像素尺寸、5譜段光譜分辨分辨率。

表2 Teledyne DALSA公司多光譜TDI CCD產品

國際上目前發展了一些以歐洲微電子中心（IMEC）的CCD-in-CMOS工藝制作的 單片式多光譜TDI CCD（Bello等，2017）為代表的新型多光譜TDI CCD（圖2和圖3）。通常CCD采用專用的工藝線制造，而其驅動電路采用常規的板級電路實現，因而體積大、功耗高。IMEC采用通用的CMOS工藝，將驅動電路與CCD在單片實現，因而大大改善了器件的驅動復雜度同時降低了功耗，還可以實現片上輸出信號的處理，極大改善了后續的應用復雜度。

圖2 IMEC的CCD-in-CMOS技術

圖3 IMEC研制的7譜段單片式多光譜TDICCD

高光譜CCD

高光譜技術是利用分光棱鏡或光柵等將入射光光譜分為幾十個譜段甚至上百個譜段投射到圖像傳感器芯片上，以精細光譜分辨力獲取目標信息，從而在得到目標的圖像的同時，還可獲取目標的光譜信息，實現“圖譜合一”的技術。由于CCD高均勻性、高動態和介質膜系等簡單的特性，在高幀頻保證下，目前星用高光譜探測器芯片大多采用CCD。國際上高光譜CCD的主要供應商為Sarnoff公司。Sarnoff公司開發了系列高光譜用CCD產品。

國際上高光譜CCD的發展趨勢為：1）更小像素尺寸、更高幀頻。像素尺寸從18 μm發展到16 μm，幀頻從500幀/s發展到1000幀/s以上。支持高光譜成像儀已經由空間分辨率30 m、光譜分辨率10 nm發展到更高水平。2）更大陣列規模。陣列規模從512 × 512發展到4096 × 256。支持高光譜成像儀的幅寬從幾十公里逐漸增大到一百公里以上。

EMCCD

EMCCD即電子倍增CCD，是靈敏度極高的一種半導體光電探測器件。EMCCD在常規CCD的輸出區域前增加一段多級倍增區，在高壓（40～50 V）下雪崩倍增。EMCCD通過較高的增益，抑制器件的讀出噪聲，從而在弱光及極弱光下提高器件的信噪比。

在天文觀測中，自適應光學系統利用波前探測器實時測量成像系統的波前相位誤差，所觀測的目標信號比較微弱，采用高幀頻的EMCCD是最佳的選擇。Teledyne E2V公司開發了一款高幀頻EMCCD型號為CCD220（圖4）。CCD220像素尺寸為24 μm ×24 μm，最高幀頻大于1300幀/s，最大倍增增益大于1000倍。采用背照技術，CCD220峰值量子效率超過90%。

圖4 E2V公司CCD220器件實物

Teledyne E2V公司為加拿大開發了一款4 K × 4 K大陣列的EMCCD，型號為CCD282（Gach等，2014）（圖5）。CCD282工作在光子計數模式，將用于加拿大10 m光學望遠鏡。通過降低驅動擺幅降低時鐘感生噪聲、深度制冷、高增益倍數（≥1 000倍）、>90%的背照量子效率，達到光子計數的最佳性能。

圖5 CCD282器件結構與實物

對于EMCCD，電子倍增主要發生在倍增區與相鄰的電極之間的邊界區域，邊界區域界限越長，則倍增增益越大。Stefanov等人（2018）設計了一種低電壓的EMCCD，通過增加倍增區與相鄰電極的交界幾何尺寸，實現了低倍增電壓下相對較高的倍增增益。

CMOS圖像傳感器

正照式架構CMOS圖像傳感器技術

正照式架構CMOS圖像傳感器由于其自身架構的局限，填充系數偏低，靈敏度要低于背照式和堆棧式架構的傳感器，但因其制造工序相對少，所以其成本也要低于其他架構的同類產品，因此對于一些應用環境光線可控、成本控制要求較高的場景，如工業檢測、機器視覺等領域，正照式架構的CMOS圖像傳感器還有著廣泛的市場應用，以Sony、AMS、Teledyne E2V等為代表的圖像傳感器企業推出了一系列正照式架構光學視覺傳感器芯片。

背照式架構CMOS圖像傳感器技術

背照式架構光學視覺傳感器是在正照架構的基礎上，對已經加工好的正照傳感器晶圓進一步開展綁定支撐硅片、垂直翻轉、襯底打薄、表面鈍化、鍍抗反射膜和焊盤刻蝕等工藝后，實現背照式傳感器的制造。通過開展背照式架構的光學視覺傳感器技術研究，可以使傳感器像素實現100%的填充系數，進一步提升了芯片的靈敏度，所以此類傳感器的主要應用領域為生命科學、天文和醫療等低照度應用場景，確保傳感器在低照度場景下依然保持著高質量的成像效果，代表性的背照式架構光學傳感器企業主要以Sony、Teledyne E2V為主。

堆棧式架構CMOS圖像傳感器技術

為了滿足傳感器小型化和多功能化的應用需求，一種全新的傳感器架構應運而生，這就是目前最先進的堆棧式架構光學視覺傳感器技術，該架構將原本在一個晶圓上的像素區域和電路區域，分別做在了兩個晶圓上，并將兩塊晶圓綁定在一起，該種架構的出現使傳感器的像素和電路部分可以進行獨立設計及優化，使傳感器電路部分可以與像素部分采用不同的制程工藝，使電路性能可以得到進一步的提升。晶圓綁定方式也從最早的硅通孔（TSV）連接，演變成了通過在像素層和電路層的連接面上構建Cu焊盤直接連接的方式進行連接，隨著堆棧式架構技術的不斷發展，使得未來更多數量的晶圓綁定成為可能，從而使具有集成圖像處理功能的視覺傳感器成為可能。

Sony最先面向智能手機領域推出了一系列堆棧式架構光學視覺傳感器技術，并在iphone、三星、小米和OPPO等多款手機上實現了應用，其主要特點是在像素層和電路層之間新加入了DRAM層（動態隨機存儲單元），DRAM層在整個CMOS模組當中充當緩存角色，用于存儲像素層獲取到的圖像信息，因此大幅提升了傳感器處理數據的速度。由于堆棧式傳感器技術推出較晚，受當前技術的成熟度低和成本高的影響，目前的應用領域主要集中在手機等消費類領域。

智能視覺傳感器

量子視覺傳感器

量子視覺傳感器是基于CMOS工藝利用創新的半導體設計在每個像素元件中縮小了轉換電容的電容值，從而極大地放大了每個光子產生的電信號。這種極高的信號放大率，解決了傳統CMOS圖像傳感器內部噪聲過大的問題，尤其在低照度條件下，光子產生的電信號極弱，傳感器內部噪聲覆蓋信號，使得目標信息無法準確呈現，通過這種方式實現了在室溫條件下的單光子探測和光子數分辨（Zizza，2015）。

圖6 光子計數圖像傳感器技術

三維成像視覺傳感器

三維成像視覺傳感器能夠獲得圖像的三維信息，在科學研究、工業檢測、安全監控和消費娛樂等領域具有廣泛的應用前景。目前，商用的三維成像技術主要有立體視覺技術，結構光技術以及飛行時間技術（ToF）等。其中ToF技術具有低功耗和微型化的重要優勢，能夠滿足便攜式電子設備的需求，已成為目前三維成像視覺傳感器的研究熱點。

D-ToF傳感器通過使用高分辨率的時間數字轉換器（TDC）和通常由單光子雪崩二極管（SPAD）實現的高增益光電探測器記錄光子入射時間，直接測量光的飛行時間以計算深度（Ota等，2022）。盡管D-ToF傳感器可以實現較長的探測距離，但其橫向分辨率是有限的。這是因為每個像素通常需要大量的片上存儲器和處理單元，以避免SPAD的光子檢測概率和暗計數率的影響。在實現具有高橫向分辨率的D-ToF傳感器時，特別是在極端的環境光條件下，需要在功耗、動態范圍和幀速率之間進行權衡。

早期的D-ToF傳感器采用正面照射（FSI）CMOS工藝實現，具有像素尺寸大和橫向分辨率低的缺點。最近，D-ToF傳感器采用了3D堆疊BSI CMOS工藝，以實現小像素尺寸和高橫向分辨率。在這些傳感器中，像素陣列和邏輯電路可以首先在不同的芯片中單獨優化，然后通過面對面鍵合技術連接。

I-ToF傳感器測量調制光的相移來間接計算深度。與D-ToF傳感器相比，I-ToF傳感器可以實現更高的橫向分辨率。這是因為I-ToF傳感器可以通過執行簡單的計算來檢測相移，而無需以像素為單位的大容量存儲器和處理單元。然而，由于光源的發射功率有限和光電探測器的靈敏度有限，I-ToF傳感器的檢測距離很短。此外，I-ToF傳感器有兩個關鍵問題：移動物體的運動偽影和背景光的深度誤差。

總體來說，目前D-ToF傳感器的分辨率已經提高到100萬像素，SPAD陣列的功耗在高光照條件下顯著增長。在未來，更智能的像素結構和信號處理單元有望實現具有高幀率的節能D-ToF傳感器。具有高橫向分辨率和深度分辨率的I-ToF傳感器已經使用類似于CIS工藝的方法實現。然而，未來仍需要減少來自背景光的運動偽影和深度誤差，以提高應用的可靠性。對于H-ToF傳感器，可以采用3D 堆疊BSI CMOS工藝來進一步減小像素尺寸并提高橫向分辨率。

仿生視覺圖像傳感器

傳統視覺傳感器由快門統一控制曝光，以幀為單位記錄動態影像畫面。例如電影每秒記錄24幀畫面，但從機器視覺的角度來看，這種傳統的傳感器仍存在一定的應用缺陷，首先幀間可能丟失高速運動細節信息，因此傳統視覺傳感器向著高幀率趨勢發展；其次每幀重復記錄大量靜態背景光強信息，因此高幀率高分辨率的視頻流對后端計算造成更大的負擔，并帶來對數據通訊、存儲更大的壓力。

相較于傳統視覺傳感器，生物視覺系統在圖像信息感知以及處理能力上表現更為優越。研究者受其成像特性的啟發，摒棄了幀的概念，提出動態視覺傳感器（DVS）和脈沖圖像傳感器。傳統視覺傳感器將運動場景量化為圖像序列，而動態視覺系統圖像傳感器僅輸出變化像素單元的光強信息，將動態場景量化為微秒級精度的高時間分辨率事件流，并向高速、高精度和小像素尺寸發展。

微光高動態視覺傳感器

科技高速發展的時代，安防、汽車和計算機等領域的新視覺應用所需的靈活性更高，需要在室內/室外、白天/夜晚以及各種場景下實時工作。高動態范圍（HDR）傳感器可以用來實現這一目標，它在高照度和低照度環境下都具有優異的成像性能。

紅外圖像傳感器

自1959年Lawso研制出碲鎘汞（HgCdTe，MCT）的長波紅外探測器以來，紅外探測器的發展前沿、技術引領就掌握在國外幾家主要研究機構、廠商手中。近年來常用紅外探測器材料有碲鎘汞、InGaAs、InAs/InGaSb T2SL、量子阱等。利用這些不同材料的特性，圍繞對紅外探測器應用需求的不同，國外研究機構開展了一系列相關研究。

大面陣紅外探測器

大面陣紅外探測器廣泛應用于空間紅外遙感領域，在天文學觀測、光度測量和氣象觀測等方面具有重要價值。為了平衡視場與分辨率之間的矛盾，解決途徑之一就是采用高分辨率、超大規模的紅外焦平面探測器組件，并通過拼接單片大面陣來獲得更大的探測器陣列規模。國際上美國（Dorland等，2009）、法國（Nedelcu等，2018）、英國（Feautrier等，2022）、比利時（Gershon等，2013）的科研單位和企業均對大面陣紅外探測器進行了探索和研究。

美國在大面陣紅外探測技術領域研究多年，實現了從1 K × 1 K、2 K × 2 K到4 K × 4 K及更大規模紅外探測器的研制，目前在世界紅外領域處于領先地位。美國洛克威爾科技公司（RSC）已研制出1 K × 1 K、2 K × 2 K、4 K × 4 K規模的大面陣紅外探測器，讀出集成電路（ROIC）的演進過程如圖7所示。

圖7 RSC ROIC的演進過程

美國雷神視覺（RVS）公司長期為天文學提供多種規模的高性能紅外探測器芯片組件，陣列尺寸從1 K × 1 K至8 K × 8 K不等，像素間距范圍達到8～27 μm，光譜響應范圍達到0.4～28 μm（Starr等，2016）。圖8中展示了雷神公司生產的碲鎘汞4 K × 4 K（像素間距20 μm）的紅外探測器陣列。

圖8 美國雷神公司HgCdTe 4 K × 4 K紅外陣列

寬譜段紅外探測器

近年來，寬譜段成像技術由于在遙感、礦產探測和生物醫學等方面得到廣泛運用而備受關注。

高靈敏度紅外探測器

靈敏度是光電探測器最重要的性能指標之一，表示探測器捕獲信號的靈敏程度，若數值越高，則探測器對弱光的探測能力越強。比探測率表征了探測器捕獲弱信號的靈敏度，可通過降低噪聲功率或提高光響應度來增加比探測率。由于暗電流噪聲是紅外探測器中不可忽略的噪聲源，可通過抑制暗電流來降低噪聲功率。同時，探測器的響應度由外量子效率與光電導增益決定，可以通過引入高外量子效率和高光電導增益的新結構、新材料來實現響應度的提升（張金月等，2021）。

雙色/多色紅外探測器

雙色或多色探測器同時獲得多個波段的目標信息，能夠有效抑制復雜背景、排除干擾，從而提高探測目標的能力。雙色探測器主要有平面、疊層兩種技術路線，如圖9所示。

圖9 384×288 InAs/GaSb SL雙色探測器下拍攝的圖像

高溫工作型紅外探測器

紅外探測器通常需要工作在低溫條件下以保證較低的暗電流，因為較大的暗電流會嚴重降低探測器的性能。然而配備制冷機又會增加探測系統的體積，提高成本和設計難度。因此為了降低成本、尺寸、重量和功耗，研究人員提出了高溫工作型（HOT）紅外探測器，其關鍵技術在于降低暗電流。非制冷探測器可工作在室溫下，常用的熱敏材料以氧化釩和多晶硅為主，前者在精度和靈敏度的性能較為突出，后者更易于實現量產（Glozman等，2006）。

以色列SCD公司是InSb中波紅外焦平面陣列的代表制造商，生產了多款性能穩定的HOT紅外探測器。SCD于2022年（Klipstein等，2022）報道了基于T2SL的XBn和XBp探測器，驗證了基于InAs/GaSb和InAs/InAsSb T2SL勢壘探測器在中波波段內可在130 K下運行，在長波波段內可在77 K下工作，NETD為15 mK，如圖10所示。

圖10 150 K溫度下 XBn 2560 × 20 485 μm間距Crane探測器的成像演示

紅外偏振探測器

偏振作為紅外輻射的重要物理特性，紅外偏振成像技術能夠同時獲取紅外輻射強度與偏振信息，有效豐富了圖像的特征信息。偏振探測能夠有效區分人造目標與自然物體，可用于追蹤導彈、探測地雷、探查水下目標和識別偽裝等任務。

偏振成像可分為分時成像、分振幅成像（Mudge和Virgen，2011）、分孔徑成像（Pezzaniti和Chenault，2005）和分焦平面成像。其中，分焦平面成像的偏振元件直接集成在FPA上，因其體積小、集成度高以及系統穩定等優勢成為當下偏振成像的主流方式。光學偏振元件作為傳統偏振探測器不可或缺的部件，但是會導致其響應低、空間分辨率低、圖像配準不佳以及成本較高等問題。若將具有各向異性的半導體材料作為光探測器的感光層，利用其天然的偏振光敏感性，將有效簡化偏振探測器的設計，適用于制造新型的偏振光電探測器。

國內研究進展

CCD圖像傳感器

國內在多光譜TDI CCD、高光譜CCD和EMCCD三方面也取得了重要進展，目前的器件性能達到了國際一流水平。

圖11 國產某五譜段多光譜TDI CCD

國內在高光譜CCD的研制上，突破了多抽頭健壯性、垂直區高行頻技術以及背照高量子效率等關鍵技術，后續將進行更大陣列規模的高性能高光譜CCD的研制。國內在器件表面鍍濾光膜技術實現高光譜技術方面也取得了部分進展。

國內在EMCCD的研制方面，突破了背照高量子效率、多抽頭并行讀出、高速低噪聲放大器以及低RC時間延遲技術，基本達到了工程實用化水平。

圖12 中國電子科技集團公司第四十四研究所對標CCD220器件實物

CMOS圖像傳感器

國內對于CMOS圖像傳感器技術的研究起步較晚，最初僅有少部分企業開展了面向手機等消費類領域的光學視覺傳感器研究，隨著我國不斷推出對于集成電路產業的扶持政策，越來越多的企業開展了視覺傳感器的研究。在科研領域，中國電子科技集團公司第四十四研究所、771所、772所、長春光機所等機構均開展了光學視覺傳感器的研究，產品主要面向大型科學裝置等應用。在商業領域，長光辰芯、思特威等一系列專注于視覺傳感器研發的企業逐漸走向國際，市場份額逐步提升。

正照式架構CMOS圖像傳感器

長光辰芯成立于2012年，是國內一家專注于高性能CMOS圖像傳感器的設計的企業，總部位于長春，在國內杭州和大連、比利時安特衛普、日本東京設有研發中心。

背照式架構CMOS圖像傳感器技術

面向生命科學、天文和微光夜視等低照度成像領域，長光辰芯自2015年起推出了系列化的背照式架構CMOS圖像傳感器產品，其最新推出的亞電子讀出噪聲、適用于微光成像的背照式CMOS圖像傳感器GLUX9701。

堆棧式架構CMOS圖像傳感器技術

面向電影制作、無人機和專業攝像等領域，長光辰芯發布了全新GCINE系列中首款產品——GCINE4349，這是長光辰芯基于在工業級、科學級CMOS（sCMOS）和攝影級產品方面的技術基礎而研發的一款堆棧式架構的傳感器產品，該產品專為高端視頻成像設計，采用4.3 μm像素設計，49 MP像素全畫幅，支持多種讀出模式下的8 K或像素合并式4 K分辨率輸出。

智能視覺傳感器

量子視覺傳感器

目前，國內對于量子視覺傳感器的研究相對較少，尚處在起步的階段。如香港城市大學和天津大學方面，針對量子視覺傳感器的建模分析、噪聲消除和圖像重建等方面開展了研究。

仿生視覺圖像傳感器

領先的融合視覺傳感芯片研發商銳思智芯，在事件驅動型傳感器領域擁有超過8年研究經驗，2022年7月發布了專門為高端成像應用而設計的融合視覺傳感芯片ALPIX-Eiger，像素尺寸為1.89 μm，分辨率達到8 MP，通過搭載獨創的Hybrid Vision 融合視覺專利技術，在像素層面實現了圖像傳感和事件感知的融合，可廣泛用于手機、運動相機等小型化智能設備。

三維成像視覺傳感器

基于飛行時間的三維圖像傳感器的研究方面，國內的許多高校、科研院所和企業作出了很大的貢獻。芯視界在單光子D-ToF（SPAD）技術和應用落地上處于領先地位，是全球率先研究單光子D-ToF三維成像技術的先驅之一。2020年發布了QQVGA分辨率單光子（SPAD）面陣D-ToF傳感器VI4310，分辨率為160 × 120、最高支持120 幀/s刷新率，在200 mW的整體超低功耗下（包括DSP和ISP算法）實現10 m的遠距離探測，在單芯片上實現了核心感光器件SPAD Array及精準測距電路、圖像處理算法等高度集成。

微光高動態視覺傳感器

微光高動態圖像傳感器方面，2018年，中國科學院大學的團隊針對科學級CMOS圖像傳感器進行研究（張元濤，2018），其基底構造與CCD傳感器一致，而采用CMOS讀出電路的結構，通過這種方式進一步降低系統噪聲，同時保證了高靈敏度和大動態范圍的成像要求。

紅外圖像傳感器

國內從上世紀80年代后期陸續開始紅外焦平面探測器的研制。盡管國內的第2代、第3代紅外焦平面技術在材料、器件工藝、讀出電路、杜瓦和致冷等方面取得一些進展，完成了幾類器件的研制，但還有許多關鍵技術還沒有完全突破，可靠性、工程化和通用化與標準化水平有待進一步提高；第4代產品剛開始進行技術突破，到目前為止，只有為數很少的工程化產品提供使用。雖然近幾年國家在紅外探測器技術方面加大投入，但總體水平與西方發達國家相比仍有較大差距。

大面陣紅外探測器

國內研究大面陣的單位和公司有中國科學院上海技術物理研究所（上海技物所）、昆明物理研究所和華北光電技術研究所等。我國的大面陣探測器在規模和像素尺寸方面都努力向國外看齊，現已有諸多產出，但參數和性能方面仍存在一定差距。

寬譜段紅外探測器

中國科學院上海技物所于2014年報道了320 ×256（像素間距30 μm）InAs/GaSb T2SL長波紅外焦平面探測器，響應波段為8～12 μm，在77 K測試溫度下，探測器100%截止波長為10.5 μm，平均峰值探測率為8.41 × 109 Jones，盲元率為2.6%，不均勻性為6.2%。

高靈敏度紅外探測器

中國科學院上海技物所于2022年（于春蕾等，2022）報道了國內首個2 560 × 2 048（像素間距10 μm）InGaAs短波紅外焦平面探測器。同時，國內許多學者針對提升探測器的靈敏度，提出了新的技術途徑和器件。

目前國內有許多高等院校的科研隊伍致力于解決探測器的高靈敏度的問題，已取得顯著突破，需要與企業展開密切合作，推動產學研深度融合，盡快將技術途徑等科研成果實現產出。

隨后，本文還對雙色/多色紅外探測器、高溫工作型紅外探測器、紅外偏振探測器等進行了介紹。

國內外研究進展比較

CCD圖像傳感器

國內在多光譜TDI CCD、高光譜CCD和EMCCD三方面取得了重要進展，目前的器件性能達到了國際一流水平。

國產多光譜TDICCD已經批量應用于高分辨率遙感成像衛星，國產高光譜CCD突破了關鍵技術，國產EMCCD基本具備了工程化應用能力。

CMOS圖像傳感器

通過對上述正照式、背照式和堆棧式架構的CMOS圖像傳感器技術的國際國內研究現狀進行比較分析可知，在工業、醫療和天文等專業影像領域，國際和國內的視覺傳感器企業所開展的研究方向基本一致，針對不同架構的傳感器類型，均有著國際領先的代表性產品，如背照式架構研究方面，日本Sony推出了2.74 μm像素的系列化背照式全局快門產品，國內的思特威也同樣推出了4 μm/4.2 μm像素系列化背照式全局快門產品；美國Teledyne E2V推出了一系列科學級背照式產品，峰值量子效率超過90%， 國內的長光辰芯則推出了科學級背照式CMOS視覺傳感器產品，峰值量子效率最高可達95%。

綜合比較來看，國際的視覺傳感器企業數量更多，產品豐富，并且在視覺傳感器領域的研究起步早，擁有豐富的光學視覺傳感器的技術基礎，以Sony為代表的傳感器企業引領了全球視覺傳感器技術的發展。雖然國內在視覺傳感器領域的研究起步較晚，但近些年隨著政府大力支持集成電路產業的發展，推出了一大批產業扶持政策，越來越多的企業把研發方向放在了光學視覺傳感器方向，使得我國的光學視覺傳感器技術實現了突飛猛進的發展，推出了一系列具有國際同類領先水平的高性能視覺傳感器產品，在全球圖像傳感器市場所占的市場份額逐步提升，研發能力已經達到國際同類的最高水平。

智能視覺傳感器

由于我國CMOS圖像傳感器研究和產業化起步較晚，國內在CMOS圖像傳感器領域的研究與世界先進水平相比還有一定差距，不過近年來隨著對該領域關注度的提升，越來越多的機構加入了該領域的研究。

1）三維成像視覺傳感器。在三維成像視覺傳感器方面，由于ToF技術對光學傳感芯片要求相對較高，國外芯片產業發展較早且產業鏈較為完善，目前國外傳感器芯片廠商在國內ToF產業鏈中基本占據著主導地位，國內智能端的三維圖像傳感器供應也都被日本索尼公司等公司壟斷。

同時，在相關的性能優化以及結構創新中，國內外也存在著較大差距。2016年，中國科學院半導體研究所報道了256 × 256分辨率ToF圖像傳感器，測距誤差為1.6%。2018年，日本索尼公司推出了320 × 240分辨率的ToF傳感器，1 m處的測距誤差為5.9 mm。同年，索尼公司推出VGA分辨率ToF傳感器產品IMX456QL，已廣泛應用于各類智能終端，其1 m處分辨率約為6 mm。2018年，美國微軟公司報道了基于光柵解調像素的1 024 × 1 024分辨率ToF圖像傳感器，測距誤差達到1.2%。目前我國研究技術較之國外還有相當大的差距，這需要一定的時間和努力去彌補。

2）仿生視覺圖像傳感器。在仿生視覺圖像傳感器方面，經過對比發現，國內起步較晚。2012年、2013年天津大學研制出了電路但是沒有進行流片驗證，2017年深圳大學設計的動態視覺傳感器進行流片后功能卻未實現，一定程度上反映了與國外的差距較大。國外在2015年開始就對信號的完整性、靈敏度以及抑制噪聲方面展開了研究并頗有成效。國內也對信號的靈敏度研究頗有進展，例如天津大學設計的DVS通過在像素單元增加堆疊的二極管連接亞閾值MOS管來增強像素的靈敏度，除此之外，Chen等人（2019）提出的ATIS可以融合時基對比度檢測和亮度測量，也是國內動態視覺傳感器的重要突破之一。

3）微光高動態圖像傳感器。在微光高動態圖像傳感器方面，雖然國內近幾年在微光圖像傳感器方向的發展突飛猛進，但是與國外的先進技術相比，在轉換增益、讀出噪聲、量子效率和動態范圍等方向還是有所差距。從全球市場來看，索尼和三星是絕對的技術引領者和市場占有者，國內的豪威科技、格科微電子和思特威等企業在車載、安防等領域占據著一定的市場。另外，天津大學、上海集成電路研發中心以及中國科學院等單位也具有一定的技術實力。

總體來說，我國CMOS圖像傳感器研究和產業化雖然起步較晚，但國內的眾多高校、研究院所和企業都已經開展了深入的研究，積累了很多寶貴的經驗和研究成果，為我國研制世界一流的CMOS圖像傳感器芯片產品提供了強有力的支撐。

紅外圖像傳感器

在紅外探測器發展方面，與國外科研機構相比，國內的科研機構對于紅外探測器的研究起步較晚。因此，歐美的科研機構一般處于“領跑”的狀態，而國內的科研機構更多的是屬于“跟跑”的狀態：大多數紅外探測器的開創性工作由歐美科研機構開展， 完善了紅外探測的材料理論，建立了完整高性能的紅外探測器生產工藝與生產設備。而國內的科研機構開展的主要是對其提出技術路線的跟隨與優化，雖然可以在類別和功能已經逐步趕上，但在性能、規模和集成度方面與國外仍有較大的差距。此外在紅外探測器的生產制造方面仍然受到很大的約束。大規模的紅外讀出電路的生產這一關鍵工序目前主要仍掌握在國外廠商，紅外探測器材料生長、耦合和封裝測試相關的儀器設備目前主要供應商也為國外廠商。需要國內的研究機構與產業界共同合作，推動紅外探測器生產制造的國產化替代，減小我國紅外探測器的生產周期、生產成本和生產良率，大面陣紅外探測器國內外參數對比如表3所示。

表3 大面陣紅外探測器國內外參數對比

另外，在民用非制冷領域國內的探測器廠商，如高德紅外、艾睿光電、大立科技和颯特紅外等，均在非制冷紅外探測器方面投入了力量進行攻關， 并發布了很多非制冷紅外相關的新產品，也具備了批量化的生產能力。基于中國更為廣闊的應用需求， 國內非制冷紅外探測器目前發展蓬勃、勢頭強勁。未來通過學術界與工業界的機構的合作，共同促進紅外探測器的產業發展（表4和表5）。

表4 國內外雙色紅外探測器對比

表5 國內外HOT紅外探測器對比

發展趨勢與展望

1）多光譜TDI CCD方面。未來基于CCD和CMOS融合工藝的CCD感光—CMOS電路讀出的多光譜TDI CCD架構將逐漸成熟并大量應用。2）高光譜CCD方面。未來圍繞更高幀頻、更大陣列規模、背照高量子效率寬光譜響應、背照高調制傳遞函數等技術進一步發展。以器件表面鍍濾光膜實現高光譜探測的新型探測器技術也將繼續完善并實用化。3）EMCCD方面。除了大面陣、光子計數等具有極致性能的EMCCD之外，低驅動電壓EMCCD、具備全天時成像功能的浮柵放大器信號選擇型EMCCD將繼續發展。

從全球市場來看，Yole公布的2020年CMOS圖像傳感器市場報告顯示，CMOS圖像傳感器的市場價值達到了207億美元，預計到2026年全球CMOS圖像傳感器市場總量將達到315億美元。2020年7月，國務院印發的《新時期促進集成電路產業和軟件產業高質量發展的若干政策》指出，中國芯片自給率要在2025年達到70%。而我國目前半導體自給率僅達到36%，國產化替代刻不容緩。因此，CMOS圖像傳感器的發展前景良好。隨著自動駕駛、智能交通和機器視覺等領域的快速發展，對CMOS圖像傳感器提出更高靈敏、更寬動態范圍以及更低噪聲的需求，CMOS圖像傳感器的發展面臨更高技術要求的挑戰。因此，研究高量子效率、高滿阱容量像素設計技術及低噪聲高速度讀出電路設計技術，對于提高我國圖像傳感器自主研發水平，滿足國內對于高端CMOS圖像傳感器的需求，具有極大的科學價值和經濟效益。

背照式架構的CMOS圖像傳感器將成為傳感器市場的主流產品，背照式架構傳感器憑借超過靈敏度，已經成為生命科學、天文和廣電等專業影像領域的第一選擇，并且各個圖像傳感器企業均已經推出了面向工業領域的背照式全局快門傳感器產品，未來隨著背照式架構技術的不斷成熟，制造成本逐漸下降，背照式架構的圖像傳感器將會在更多的領域實現應用，成為未來傳感器市場的主流產品。

高集成度的智能化視覺傳感器將成為研究重點，隨著堆棧式架構技術的快速發展，讓視覺傳感器實現小型化的同時，多功能化也成為全球在視覺傳感器方向的研究重點，2020年索尼最新推出世界首款集成了AI運算單元的智能化視覺傳感器IMX500，通過堆疊式工藝，在傳感器的邏輯晶圓上設計配備了DSP，專門用于AI信號的處理和緩存，雖然該傳感器在處理復雜的分析任務方面還存在瓶頸，但高集成度的智能化視覺傳感器有可能打破傳統的圖像傳感器和處理器分離的模式，必將成為各企業競相研發的重點。

ToF技術具有低功耗和微型化的重要優勢，能夠滿足便攜式電子設備的需求。近年來國內外不斷展開研究，提出了各種高分辨率、低測距誤差的ToF傳感器結構。然而，目前ToF傳感器仍存在量程與精度無法兼顧，抗背景光干擾差以及三維信息解算慢等問題，需要發展新型的設計技術。仿生視覺圖像傳感器未來可面向多傳感器融合的神經形態工程系統發展。將視覺、語音及觸覺等多神經形態傳感器融合，應用于神經形態工程的智能感知系統。

紅外探測器經過近50年的蓬勃發展，已經成功研制響應覆蓋短波到甚長波，規模從長線列覆蓋到8 K × 8 K大面陣，多色集成的各類高性能紅外探測器，具有成像系統體積小、質量輕、功耗低、系統靈敏度高以及工作幀頻高等一系列優點。然而，隨著紅外探測需求的進一步提升，如目標多變、背景復雜、復雜環境和任務多元等應用挑戰還需要從以下幾個方面進一步發展：

1）紅外大面陣探測器均存在非均勻性問題，非均勻性影響探測精度，特別是在弱信號探測時尤為嚴重。解決該問題需要從紅外探測器材料生長工藝，讀出電路一致性以及讀出電路與探測器耦合進行入手。2）針對自動駕駛等復雜紅外背景的應用，單一波段的紅外探測器容易受環境變化的干擾，導致無法對目標進行準確識別。需要發展具有多維度信息獲取能力的紅外探測器，同時獲取多個光譜維、偏振維的紅外圖像。3）探測器向高集成度、小型化方向發展，這主要體現在像元間距越來越小，陣列規模越來越大。后端需要處理的圖像壓力越來越大，需要將整個紅外探測系統與紅外焦平面進行集成，發展感存算一體的紅外探測器，將智能化的處理技術在片上進行集成。發展新型紅外微分探測器，將抑制復雜背景的功能置于讀出電路端，實現暗弱目標探測的對比度和圖像信噪比的提升。4）提高紅外探測器的環境適應性，紅外探測器廣泛應用的一個主要約束就是對低溫環境的要求，如何降低高性能紅外探測器的工作溫度需求、降低工作功耗、提高組件封裝的集成度也是未來一段時期的主要研究內容。

論文鏈接： DOI: 10.11834/jig.230039