綜述：光學(xué)視覺(jué)傳感器技術(shù)研究進(jìn)展

文章轉(zhuǎn)載自紅外新聞

視覺(jué)傳感是人類(lèi)感知外界、認(rèn)知世界的主要途徑，研究表明人類(lèi)獲取的外界信息大約有80%來(lái)自于視覺(jué)。作為感知外界信息的“電子眼球”，視覺(jué)傳感器是消費(fèi)電子、機(jī)器視覺(jué)、安防監(jiān)控、科學(xué)探測(cè)和軍事偵察等領(lǐng)域的核心器件。近年來(lái)視覺(jué)傳感器技術(shù)發(fā)展迅速，不同類(lèi)型的傳感器從不同維度提供豐富的視覺(jué)數(shù)據(jù)，不斷增強(qiáng)人類(lèi)感知與認(rèn)知能力，視覺(jué)傳感器研究工作具有重要的理論與應(yīng)用需求。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近期，天津大學(xué)微電子學(xué)院、長(zhǎng)春長(zhǎng)光辰芯光電技術(shù)有限公司、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所、中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所、中國(guó)科學(xué)院西安分院和中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所的科研團(tuán)隊(duì)在《中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“光學(xué)視覺(jué)傳感器技術(shù)研究進(jìn)展”為主題的文章。該文章通訊作者為西安光機(jī)所汶德勝研究員，主要從事空間光學(xué)載荷技術(shù)、光電成像技術(shù)、快速信號(hào)處理技術(shù)方面的研究工作。

本文以典型光學(xué)視覺(jué)傳感器技術(shù)為主線，通過(guò)綜合國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)和相關(guān)報(bào)道，從CCD圖像傳感器、CMOS圖像傳感器、智能視覺(jué)傳感器以及紅外圖像傳感器等研究方向，梳理論述近年來(lái)光學(xué)視覺(jué)傳感器技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、前沿動(dòng)態(tài)、熱點(diǎn)問(wèn)題和趨勢(shì)。

CMOS圖像傳感器技術(shù)基于傳感器工藝架構(gòu)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(shù)與性能對(duì)比如圖1和表1所示。

圖1 不同架構(gòu)的CMOS圖像傳感器技術(shù)

表1 不同架構(gòu)的CMOS圖像傳感器技術(shù)性能對(duì)比

國(guó)際研究現(xiàn)狀

CCD圖像傳感器

多光譜TDI CCD

時(shí)間延遲積分電荷耦合器件（TDI CCD）在掃描成像時(shí)，利用TDI CCD行頻與掃描速度同步的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)光生信號(hào)的累加，達(dá)到提高器件響應(yīng)靈敏度和信噪比的目的。TDI CCD最為典型的應(yīng)用是作為成像器件應(yīng)用于衛(wèi)星遙感對(duì)地成像。通過(guò)在多個(gè)TDI CCD上方的增加帶通的濾光片實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)范圍的探測(cè)，最終采用圖像融合方式便可獲取彩色影像。

目前國(guó)際上只有Teledyne DALSA公司（美國(guó)Teledyne下屬公司，位于加拿大）提供星用多光譜TDI CCD產(chǎn)品。目前最新的多光譜TDI CCD產(chǎn)品如表2所示?？梢钥闯?，目前國(guó)際上最新的多光譜TDI CCD發(fā)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(chǎn)品

國(guó)際上目前發(fā)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(zhuān)用的工藝線制造，而其驅(qū)動(dòng)電路采用常規(guī)的板級(jí)電路實(shí)現(xiàn)，因而體積大、功耗高。IMEC采用通用的CMOS工藝，將驅(qū)動(dòng)電路與CCD在單片實(shí)現(xiàn)，因而大大改善了器件的驅(qū)動(dòng)復(fù)雜度同時(shí)降低了功耗，還可以實(shí)現(xiàn)片上輸出信號(hào)的處理，極大改善了后續(xù)的應(yīng)用復(fù)雜度。

圖2 IMEC的CCD-in-CMOS技術(shù)

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(shù)是利用分光棱鏡或光柵等將入射光光譜分為幾十個(gè)譜段甚至上百個(gè)譜段投射到圖像傳感器芯片上，以精細(xì)光譜分辨力獲取目標(biāo)信息，從而在得到目標(biāo)的圖像的同時(shí)，還可獲取目標(biāo)的光譜信息，實(shí)現(xiàn)“圖譜合一”的技術(shù)。由于CCD高均勻性、高動(dòng)態(tài)和介質(zhì)膜系等簡(jiǎn)單的特性，在高幀頻保證下，目前星用高光譜探測(cè)器芯片大多采用CCD。國(guó)際上高光譜CCD的主要供應(yīng)商為Sarnoff公司。Sarnoff公司開(kāi)發(fā)了系列高光譜用CCD產(chǎn)品。

國(guó)際上高光譜CCD的發(fā)展趨勢(shì)為：1）更小像素尺寸、更高幀頻。像素尺寸從18 μm發(fā)展到16 μm，幀頻從500幀/s發(fā)展到1000幀/s以上。支持高光譜成像儀已經(jīng)由空間分辨率30 m、光譜分辨率10 nm發(fā)展到更高水平。2）更大陣列規(guī)模。陣列規(guī)模從512 × 512發(fā)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(dǎo)體光電探測(cè)器件。EMCCD在常規(guī)CCD的輸出區(qū)域前增加一段多級(jí)倍增區(qū)，在高壓（40～50 V）下雪崩倍增。EMCCD通過(guò)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(cè)中，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)利用波前探測(cè)器實(shí)時(shí)測(cè)量成像系統(tǒng)的波前相位誤差，所觀測(cè)的目標(biāo)信號(hào)比較微弱，采用高幀頻的EMCCD是最佳的選擇。Teledyne E2V公司開(kāi)發(fā)了一款高幀頻EMCCD型號(hào)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(shù)，CCD220峰值量子效率超過(guò)90%。

圖4 E2V公司CCD220器件實(shí)物

Teledyne E2V公司為加拿大開(kāi)發(fā)了一款4 K × 4 K大陣列的EMCCD，型號(hào)為CCD282（Gach等，2014）（圖5）。CCD282工作在光子計(jì)數(shù)模式，將用于加拿大10 m光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。通過(guò)降低驅(qū)動(dòng)擺幅降低時(shí)鐘感生噪聲、深度制冷、高增益倍數(shù)（≥1 000倍）、>90%的背照量子效率，達(dá)到光子計(jì)數(shù)的最佳性能。

圖5 CCD282器件結(jié)構(gòu)與實(shí)物

對(duì)于EMCCD，電子倍增主要發(fā)生在倍增區(qū)與相鄰的電極之間的邊界區(qū)域，邊界區(qū)域界限越長(zhǎng)，則倍增增益越大。Stefanov等人（2018）設(shè)計(jì)了一種低電壓的EMCCD，通過(guò)增加倍增區(qū)與相鄰電極的交界幾何尺寸，實(shí)現(xiàn)了低倍增電壓下相對(duì)較高的倍增增益。

CMOS圖像傳感器

正照式架構(gòu)CMOS圖像傳感器技術(shù)

正照式架構(gòu)CMOS圖像傳感器由于其自身架構(gòu)的局限，填充系數(shù)偏低，靈敏度要低于背照式和堆棧式架構(gòu)的傳感器，但因其制造工序相對(duì)少，所以其成本也要低于其他架構(gòu)的同類(lèi)產(chǎn)品，因此對(duì)于一些應(yīng)用環(huán)境光線可控、成本控制要求較高的場(chǎng)景，如工業(yè)檢測(cè)、機(jī)器視覺(jué)等領(lǐng)域，正照式架構(gòu)的CMOS圖像傳感器還有著廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用，以Sony、AMS、Teledyne E2V等為代表的圖像傳感器企業(yè)推出了一系列正照式架構(gòu)光學(xué)視覺(jué)傳感器芯片。

背照式架構(gòu)CMOS圖像傳感器技術(shù)

背照式架構(gòu)光學(xué)視覺(jué)傳感器是在正照架構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)已經(jīng)加工好的正照傳感器晶圓進(jìn)一步開(kāi)展綁定支撐硅片、垂直翻轉(zhuǎn)、襯底打薄、表面鈍化、鍍抗反射膜和焊盤(pán)刻蝕等工藝后，實(shí)現(xiàn)背照式傳感器的制造。通過(guò)開(kāi)展背照式架構(gòu)的光學(xué)視覺(jué)傳感器技術(shù)研究，可以使傳感器像素實(shí)現(xiàn)100%的填充系數(shù)，進(jìn)一步提升了芯片的靈敏度，所以此類(lèi)傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樯茖W(xué)、天文和醫(yī)療等低照度應(yīng)用場(chǎng)景，確保傳感器在低照度場(chǎng)景下依然保持著高質(zhì)量的成像效果，代表性的背照式架構(gòu)光學(xué)傳感器企業(yè)主要以Sony、Teledyne E2V為主。

堆棧式架構(gòu)CMOS圖像傳感器技術(shù)

為了滿(mǎn)足傳感器小型化和多功能化的應(yīng)用需求，一種全新的傳感器架構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，這就是目前最先進(jìn)的堆棧式架構(gòu)光學(xué)視覺(jué)傳感器技術(shù)，該架構(gòu)將原本在一個(gè)晶圓上的像素區(qū)域和電路區(qū)域，分別做在了兩個(gè)晶圓上，并將兩塊晶圓綁定在一起，該種架構(gòu)的出現(xiàn)使傳感器的像素和電路部分可以進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)及優(yōu)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(jìn)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(guò)在像素層和電路層的連接面上構(gòu)建Cu焊盤(pán)直接連接的方式進(jìn)行連接，隨著堆棧式架構(gòu)技術(shù)的不斷發(fā)展，使得未來(lái)更多數(shù)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(jué)傳感器成為可能。

Sony最先面向智能手機(jī)領(lǐng)域推出了一系列堆棧式架構(gòu)光學(xué)視覺(jué)傳感器技術(shù)，并在iphone、三星、小米和OPPO等多款手機(jī)上實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用，其主要特點(diǎn)是在像素層和電路層之間新加入了DRAM層（動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)單元），DRAM層在整個(gè)CMOS模組當(dāng)中充當(dāng)緩存角色，用于存儲(chǔ)像素層獲取到的圖像信息，因此大幅提升了傳感器處理數(shù)據(jù)的速度。由于堆棧式傳感器技術(shù)推出較晚，受當(dāng)前技術(shù)的成熟度低和成本高的影響，目前的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在手機(jī)等消費(fèi)類(lèi)領(lǐng)域。

智能視覺(jué)傳感器

量子視覺(jué)傳感器

量子視覺(jué)傳感器是基于CMOS工藝?yán)脛?chuàng)新的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)在每個(gè)像素元件中縮小了轉(zhuǎn)換電容的電容值，從而極大地放大了每個(gè)光子產(chǎn)生的電信號(hào)。這種極高的信號(hào)放大率，解決了傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器內(nèi)部噪聲過(guò)大的問(wèn)題，尤其在低照度條件下，光子產(chǎn)生的電信號(hào)極弱，傳感器內(nèi)部噪聲覆蓋信號(hào)，使得目標(biāo)信息無(wú)法準(zhǔn)確呈現(xiàn)，通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)了在室溫條件下的單光子探測(cè)和光子數(shù)分辨（Zizza，2015）。

圖6 光子計(jì)數(shù)圖像傳感器技術(shù)

三維成像視覺(jué)傳感器

三維成像視覺(jué)傳感器能夠獲得圖像的三維信息，在科學(xué)研究、工業(yè)檢測(cè)、安全監(jiān)控和消費(fèi)娛樂(lè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，商用的三維成像技術(shù)主要有立體視覺(jué)技術(shù)，結(jié)構(gòu)光技術(shù)以及飛行時(shí)間技術(shù)（ToF）等。其中ToF技術(shù)具有低功耗和微型化的重要優(yōu)勢(shì)，能夠滿(mǎn)足便攜式電子設(shè)備的需求，已成為目前三維成像視覺(jué)傳感器的研究熱點(diǎn)。

D-ToF傳感器通過(guò)使用高分辨率的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）和通常由單光子雪崩二極管（SPAD）實(shí)現(xiàn)的高增益光電探測(cè)器記錄光子入射時(shí)間，直接測(cè)量光的飛行時(shí)間以計(jì)算深度（Ota等，2022）。盡管D-ToF傳感器可以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的探測(cè)距離，但其橫向分辨率是有限的。這是因?yàn)槊總€(gè)像素通常需要大量的片上存儲(chǔ)器和處理單元，以避免SPAD的光子檢測(cè)概率和暗計(jì)數(shù)率的影響。在實(shí)現(xiàn)具有高橫向分辨率的D-ToF傳感器時(shí)，特別是在極端的環(huán)境光條件下，需要在功耗、動(dòng)態(tài)范圍和幀速率之間進(jìn)行權(quán)衡。

早期的D-ToF傳感器采用正面照射（FSI）CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，具有像素尺寸大和橫向分辨率低的缺點(diǎn)。最近，D-ToF傳感器采用了3D堆疊BSI CMOS工藝，以實(shí)現(xiàn)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(dú)優(yōu)化，然后通過(guò)面對(duì)面鍵合技術(shù)連接。

I-ToF傳感器測(cè)量調(diào)制光的相移來(lái)間接計(jì)算深度。與D-ToF傳感器相比，I-ToF傳感器可以實(shí)現(xiàn)更高的橫向分辨率。這是因?yàn)镮-ToF傳感器可以通過(guò)執(zhí)行簡(jiǎn)單的計(jì)算來(lái)檢測(cè)相移，而無(wú)需以像素為單位的大容量存儲(chǔ)器和處理單元。然而，由于光源的發(fā)射功率有限和光電探測(cè)器的靈敏度有限，I-ToF傳感器的檢測(cè)距離很短。此外，I-ToF傳感器有兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：移動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)偽影和背景光的深度誤差。

總體來(lái)說(shuō)，目前D-ToF傳感器的分辨率已經(jīng)提高到100萬(wàn)像素，SPAD陣列的功耗在高光照條件下顯著增長(zhǎng)。在未來(lái)，更智能的像素結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理單元有望實(shí)現(xiàn)具有高幀率的節(jié)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(jīng)使用類(lèi)似于CIS工藝的方法實(shí)現(xiàn)。然而，未來(lái)仍需要減少來(lái)自背景光的運(yùn)動(dòng)偽影和深度誤差，以提高應(yīng)用的可靠性。對(duì)于H-ToF傳感器，可以采用3D 堆疊BSI CMOS工藝來(lái)進(jìn)一步減小像素尺寸并提高橫向分辨率。

仿生視覺(jué)圖像傳感器

傳統(tǒng)視覺(jué)傳感器由快門(mén)統(tǒng)一控制曝光，以幀為單位記錄動(dòng)態(tài)影像畫(huà)面。例如電影每秒記錄24幀畫(huà)面，但從機(jī)器視覺(jué)的角度來(lái)看，這種傳統(tǒng)的傳感器仍存在一定的應(yīng)用缺陷，首先幀間可能丟失高速運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)信息，因此傳統(tǒng)視覺(jué)傳感器向著高幀率趨勢(shì)發(fā)展；其次每幀重復(fù)記錄大量靜態(tài)背景光強(qiáng)信息，因此高幀率高分辨率的視頻流對(duì)后端計(jì)算造成更大的負(fù)擔(dān)，并帶來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)通訊、存儲(chǔ)更大的壓力。

相較于傳統(tǒng)視覺(jué)傳感器，生物視覺(jué)系統(tǒng)在圖像信息感知以及處理能力上表現(xiàn)更為優(yōu)越。研究者受其成像特性的啟發(fā)，摒棄了幀的概念，提出動(dòng)態(tài)視覺(jué)傳感器（DVS）和脈沖圖像傳感器。傳統(tǒng)視覺(jué)傳感器將運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景量化為圖像序列，而動(dòng)態(tài)視覺(jué)系統(tǒng)圖像傳感器僅輸出變化像素單元的光強(qiáng)信息，將動(dòng)態(tài)場(chǎng)景量化為微秒級(jí)精度的高時(shí)間分辨率事件流，并向高速、高精度和小像素尺寸發(fā)展。

微光高動(dòng)態(tài)視覺(jué)傳感器

科技高速發(fā)展的時(shí)代，安防、汽車(chē)和計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域的新視覺(jué)應(yīng)用所需的靈活性更高，需要在室內(nèi)/室外、白天/夜晚以及各種場(chǎng)景下實(shí)時(shí)工作。高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）傳感器可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，它在高照度和低照度環(huán)境下都具有優(yōu)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(zhǎng)波紅外探測(cè)器以來(lái)，紅外探測(cè)器的發(fā)展前沿、技術(shù)引領(lǐng)就掌握在國(guó)外幾家主要研究機(jī)構(gòu)、廠商手中。近年來(lái)常用紅外探測(cè)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(duì)紅外探測(cè)器應(yīng)用需求的不同，國(guó)外研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了一系列相關(guān)研究。

大面陣紅外探測(cè)器

大面陣紅外探測(cè)器廣泛應(yīng)用于空間紅外遙感領(lǐng)域，在天文學(xué)觀測(cè)、光度測(cè)量和氣象觀測(cè)等方面具有重要價(jià)值。為了平衡視場(chǎng)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(guī)模的紅外焦平面探測(cè)器組件，并通過(guò)拼接單片大面陣來(lái)獲得更大的探測(cè)器陣列規(guī)模。國(guó)際上美國(guó)（Dorland等，2009）、法國(guó)（Nedelcu等，2018）、英國(guó)（Feautrier等，2022）、比利時(shí)（Gershon等，2013）的科研單位和企業(yè)均對(duì)大面陣紅外探測(cè)器進(jìn)行了探索和研究。

美國(guó)在大面陣紅外探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域研究多年，實(shí)現(xiàn)了從1 K × 1 K、2 K × 2 K到4 K × 4 K及更大規(guī)模紅外探測(cè)器的研制，目前在世界紅外領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。美國(guó)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(guī)模的大面陣紅外探測(cè)器，讀出集成電路（ROIC）的演進(jìn)過(guò)程如圖7所示。

圖7 RSC ROIC的演進(jìn)過(guò)程

美國(guó)雷神視覺(jué)（RVS）公司長(zhǎng)期為天文學(xué)提供多種規(guī)模的高性能紅外探測(cè)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(dá)到8～27 μm，光譜響應(yīng)范圍達(dá)到0.4～28 μm（Starr等，2016）。圖8中展示了雷神公司生產(chǎn)的碲鎘汞4 K × 4 K（像素間距20 μm）的紅外探測(cè)器陣列。

圖8 美國(guó)雷神公司HgCdTe 4 K × 4 K紅外陣列

寬譜段紅外探測(cè)器

近年來(lái)，寬譜段成像技術(shù)由于在遙感、礦產(chǎn)探測(cè)和生物醫(yī)學(xué)等方面得到廣泛運(yùn)用而備受關(guān)注。

高靈敏度紅外探測(cè)器

靈敏度是光電探測(cè)器最重要的性能指標(biāo)之一，表示探測(cè)器捕獲信號(hào)的靈敏程度，若數(shù)值越高，則探測(cè)器對(duì)弱光的探測(cè)能力越強(qiáng)。比探測(cè)率表征了探測(cè)器捕獲弱信號(hào)的靈敏度，可通過(guò)降低噪聲功率或提高光響應(yīng)度來(lái)增加比探測(cè)率。由于暗電流噪聲是紅外探測(cè)器中不可忽略的噪聲源，可通過(guò)抑制暗電流來(lái)降低噪聲功率。同時(shí)，探測(cè)器的響應(yīng)度由外量子效率與光電導(dǎo)增益決定，可以通過(guò)引入高外量子效率和高光電導(dǎo)增益的新結(jié)構(gòu)、新材料來(lái)實(shí)現(xiàn)響應(yīng)度的提升（張金月等，2021）。

雙色/多色紅外探測(cè)器

雙色或多色探測(cè)器同時(shí)獲得多個(gè)波段的目標(biāo)信息，能夠有效抑制復(fù)雜背景、排除干擾，從而提高探測(cè)目標(biāo)的能力。雙色探測(cè)器主要有平面、疊層兩種技術(shù)路線，如圖9所示。

圖9 384×288 InAs/GaSb SL雙色探測(cè)器下拍攝的圖像

高溫工作型紅外探測(cè)器

紅外探測(cè)器通常需要工作在低溫條件下以保證較低的暗電流，因?yàn)檩^大的暗電流會(huì)嚴(yán)重降低探測(cè)器的性能。然而配備制冷機(jī)又會(huì)增加探測(cè)系統(tǒng)的體積，提高成本和設(shè)計(jì)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(cè)器，其關(guān)鍵技術(shù)在于降低暗電流。非制冷探測(cè)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(shí)現(xiàn)量產(chǎn)（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(chǎn)了多款性能穩(wěn)定的HOT紅外探測(cè)器。SCD于2022年（Klipstein等，2022）報(bào)道了基于T2SL的XBn和XBp探測(cè)器，驗(yàn)證了基于InAs/GaSb和InAs/InAsSb T2SL勢(shì)壘探測(cè)器在中波波段內(nèi)可在130 K下運(yùn)行，在長(zhǎng)波波段內(nèi)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(cè)器的成像演示

紅外偏振探測(cè)器

偏振作為紅外輻射的重要物理特性，紅外偏振成像技術(shù)能夠同時(shí)獲取紅外輻射強(qiáng)度與偏振信息，有效豐富了圖像的特征信息。偏振探測(cè)能夠有效區(qū)分人造目標(biāo)與自然物體，可用于追蹤導(dǎo)彈、探測(cè)地雷、探查水下目標(biāo)和識(shí)別偽裝等任務(wù)。

偏振成像可分為分時(shí)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(tǒng)穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)成為當(dāng)下偏振成像的主流方式。光學(xué)偏振元件作為傳統(tǒng)偏振探測(cè)器不可或缺的部件，但是會(huì)導(dǎo)致其響應(yīng)低、空間分辨率低、圖像配準(zhǔn)不佳以及成本較高等問(wèn)題。若將具有各向異性的半導(dǎo)體材料作為光探測(cè)器的感光層，利用其天然的偏振光敏感性，將有效簡(jiǎn)化偏振探測(cè)器的設(shè)計(jì)，適用于制造新型的偏振光電探測(cè)器。

國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

CCD圖像傳感器

國(guó)內(nèi)在多光譜TDI CCD、高光譜CCD和EMCCD三方面也取得了重要進(jìn)展，目前的器件性能達(dá)到了國(guó)際一流水平。

圖11 國(guó)產(chǎn)某五譜段多光譜TDI CCD

國(guó)內(nèi)在高光譜CCD的研制上，突破了多抽頭健壯性、垂直區(qū)高行頻技術(shù)以及背照高量子效率等關(guān)鍵技術(shù)，后續(xù)將進(jìn)行更大陣列規(guī)模的高性能高光譜CCD的研制。國(guó)內(nèi)在器件表面鍍?yōu)V光膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)高光譜技術(shù)方面也取得了部分進(jìn)展。

國(guó)內(nèi)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(shí)間延遲技術(shù)，基本達(dá)到了工程實(shí)用化水平。

圖12 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所對(duì)標(biāo)CCD220器件實(shí)物

CMOS圖像傳感器

國(guó)內(nèi)對(duì)于CMOS圖像傳感器技術(shù)的研究起步較晚，最初僅有少部分企業(yè)開(kāi)展了面向手機(jī)等消費(fèi)類(lèi)領(lǐng)域的光學(xué)視覺(jué)傳感器研究，隨著我國(guó)不斷推出對(duì)于集成電路產(chǎn)業(yè)的扶持政策，越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)展了視覺(jué)傳感器的研究。在科研領(lǐng)域，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所、771所、772所、長(zhǎng)春光機(jī)所等機(jī)構(gòu)均開(kāi)展了光學(xué)視覺(jué)傳感器的研究，產(chǎn)品主要面向大型科學(xué)裝置等應(yīng)用。在商業(yè)領(lǐng)域，長(zhǎng)光辰芯、思特威等一系列專(zhuān)注于視覺(jué)傳感器研發(fā)的企業(yè)逐漸走向國(guó)際，市場(chǎng)份額逐步提升。

正照式架構(gòu)CMOS圖像傳感器

長(zhǎng)光辰芯成立于2012年，是國(guó)內(nèi)一家專(zhuān)注于高性能CMOS圖像傳感器的設(shè)計(jì)的企業(yè)，總部位于長(zhǎng)春，在國(guó)內(nèi)杭州和大連、比利時(shí)安特衛(wèi)普、日本東京設(shè)有研發(fā)中心。

背照式架構(gòu)CMOS圖像傳感器技術(shù)

面向生命科學(xué)、天文和微光夜視等低照度成像領(lǐng)域，長(zhǎng)光辰芯自2015年起推出了系列化的背照式架構(gòu)CMOS圖像傳感器產(chǎn)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(gòu)CMOS圖像傳感器技術(shù)

面向電影制作、無(wú)人機(jī)和專(zhuān)業(yè)攝像等領(lǐng)域，長(zhǎng)光辰芯發(fā)布了全新GCINE系列中首款產(chǎn)品——GCINE4349，這是長(zhǎng)光辰芯基于在工業(yè)級(jí)、科學(xué)級(jí)CMOS（sCMOS）和攝影級(jí)產(chǎn)品方面的技術(shù)基礎(chǔ)而研發(fā)的一款堆棧式架構(gòu)的傳感器產(chǎn)品，該產(chǎn)品專(zhuān)為高端視頻成像設(shè)計(jì)，采用4.3 μm像素設(shè)計(jì)，49 MP像素全畫(huà)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(jué)傳感器

量子視覺(jué)傳感器

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于量子視覺(jué)傳感器的研究相對(duì)較少，尚處在起步的階段。如香港城市大學(xué)和天津大學(xué)方面，針對(duì)量子視覺(jué)傳感器的建模分析、噪聲消除和圖像重建等方面開(kāi)展了研究。

仿生視覺(jué)圖像傳感器

領(lǐng)先的融合視覺(jué)傳感芯片研發(fā)商銳思智芯，在事件驅(qū)動(dòng)型傳感器領(lǐng)域擁有超過(guò)8年研究經(jīng)驗(yàn)，2022年7月發(fā)布了專(zhuān)門(mén)為高端成像應(yīng)用而設(shè)計(jì)的融合視覺(jué)傳感芯片ALPIX-Eiger，像素尺寸為1.89 μm，分辨率達(dá)到8 MP，通過(guò)搭載獨(dú)創(chuàng)的Hybrid Vision 融合視覺(jué)專(zhuān)利技術(shù)，在像素層面實(shí)現(xiàn)了圖像傳感和事件感知的融合，可廣泛用于手機(jī)、運(yùn)動(dòng)相機(jī)等小型化智能設(shè)備。

三維成像視覺(jué)傳感器

基于飛行時(shí)間的三維圖像傳感器的研究方面，國(guó)內(nèi)的許多高校、科研院所和企業(yè)作出了很大的貢獻(xiàn)。芯視界在單光子D-ToF（SPAD）技術(shù)和應(yīng)用落地上處于領(lǐng)先地位，是全球率先研究單光子D-ToF三維成像技術(shù)的先驅(qū)之一。2020年發(fā)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(shí)現(xiàn)10 m的遠(yuǎn)距離探測(cè)，在單芯片上實(shí)現(xiàn)了核心感光器件SPAD Array及精準(zhǔn)測(cè)距電路、圖像處理算法等高度集成。

微光高動(dòng)態(tài)視覺(jué)傳感器

微光高動(dòng)態(tài)圖像傳感器方面，2018年，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的團(tuán)隊(duì)針對(duì)科學(xué)級(jí)CMOS圖像傳感器進(jìn)行研究（張?jiān)獫?018），其基底構(gòu)造與CCD傳感器一致，而采用CMOS讀出電路的結(jié)構(gòu)，通過(guò)這種方式進(jìn)一步降低系統(tǒng)噪聲，同時(shí)保證了高靈敏度和大動(dòng)態(tài)范圍的成像要求。

紅外圖像傳感器

國(guó)內(nèi)從上世紀(jì)80年代后期陸續(xù)開(kāi)始紅外焦平面探測(cè)器的研制。盡管?chē)?guó)內(nèi)的第2代、第3代紅外焦平面技術(shù)在材料、器件工藝、讀出電路、杜瓦和致冷等方面取得一些進(jìn)展，完成了幾類(lèi)器件的研制，但還有許多關(guān)鍵技術(shù)還沒(méi)有完全突破，可靠性、工程化和通用化與標(biāo)準(zhǔn)化水平有待進(jìn)一步提高；第4代產(chǎn)品剛開(kāi)始進(jìn)行技術(shù)突破，到目前為止，只有為數(shù)很少的工程化產(chǎn)品提供使用。雖然近幾年國(guó)家在紅外探測(cè)器技術(shù)方面加大投入，但總體水平與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有較大差距。

大面陣紅外探測(cè)器

國(guó)內(nèi)研究大面陣的單位和公司有中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所（上海技物所）、昆明物理研究所和華北光電技術(shù)研究所等。我國(guó)的大面陣探測(cè)器在規(guī)模和像素尺寸方面都努力向國(guó)外看齊，現(xiàn)已有諸多產(chǎn)出，但參數(shù)和性能方面仍存在一定差距。

寬譜段紅外探測(cè)器

中國(guó)科學(xué)院上海技物所于2014年報(bào)道了320 ×256（像素間距30 μm）InAs/GaSb T2SL長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器，響應(yīng)波段為8～12 μm，在77 K測(cè)試溫度下，探測(cè)器100%截止波長(zhǎng)為10.5 μm，平均峰值探測(cè)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(cè)器

中國(guó)科學(xué)院上海技物所于2022年（于春蕾等，2022）報(bào)道了國(guó)內(nèi)首個(gè)2 560 × 2 048（像素間距10 μm）InGaAs短波紅外焦平面探測(cè)器。同時(shí)，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者針對(duì)提升探測(cè)器的靈敏度，提出了新的技術(shù)途徑和器件。

目前國(guó)內(nèi)有許多高等院校的科研隊(duì)伍致力于解決探測(cè)器的高靈敏度的問(wèn)題，已取得顯著突破，需要與企業(yè)展開(kāi)密切合作，推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研深度融合，盡快將技術(shù)途徑等科研成果實(shí)現(xiàn)產(chǎn)出。

隨后，本文還對(duì)雙色/多色紅外探測(cè)器、高溫工作型紅外探測(cè)器、紅外偏振探測(cè)器等進(jìn)行了介紹。

國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展比較

CCD圖像傳感器

國(guó)內(nèi)在多光譜TDI CCD、高光譜CCD和EMCCD三方面取得了重要進(jìn)展，目前的器件性能達(dá)到了國(guó)際一流水平。

國(guó)產(chǎn)多光譜TDICCD已經(jīng)批量應(yīng)用于高分辨率遙感成像衛(wèi)星，國(guó)產(chǎn)高光譜CCD突破了關(guān)鍵技術(shù)，國(guó)產(chǎn)EMCCD基本具備了工程化應(yīng)用能力。

CMOS圖像傳感器

通過(guò)對(duì)上述正照式、背照式和堆棧式架構(gòu)的CMOS圖像傳感器技術(shù)的國(guó)際國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀進(jìn)行比較分析可知，在工業(yè)、醫(yī)療和天文等專(zhuān)業(yè)影像領(lǐng)域，國(guó)際和國(guó)內(nèi)的視覺(jué)傳感器企業(yè)所開(kāi)展的研究方向基本一致，針對(duì)不同架構(gòu)的傳感器類(lèi)型，均有著國(guó)際領(lǐng)先的代表性產(chǎn)品，如背照式架構(gòu)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(mén)產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)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(mén)產(chǎn)品；美國(guó)Teledyne E2V推出了一系列科學(xué)級(jí)背照式產(chǎn)品，峰值量子效率超過(guò)90%， 國(guó)內(nèi)的長(zhǎng)光辰芯則推出了科學(xué)級(jí)背照式CMOS視覺(jué)傳感器產(chǎn)品，峰值量子效率最高可達(dá)95%。

綜合比較來(lái)看，國(guó)際的視覺(jué)傳感器企業(yè)數(shù)量更多，產(chǎn)品豐富，并且在視覺(jué)傳感器領(lǐng)域的研究起步早，擁有豐富的光學(xué)視覺(jué)傳感器的技術(shù)基礎(chǔ)，以Sony為代表的傳感器企業(yè)引領(lǐng)了全球視覺(jué)傳感器技術(shù)的發(fā)展。雖然國(guó)內(nèi)在視覺(jué)傳感器領(lǐng)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(chǎn)業(yè)的發(fā)展，推出了一大批產(chǎn)業(yè)扶持政策，越來(lái)越多的企業(yè)把研發(fā)方向放在了光學(xué)視覺(jué)傳感器方向，使得我國(guó)的光學(xué)視覺(jué)傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，推出了一系列具有國(guó)際同類(lèi)領(lǐng)先水平的高性能視覺(jué)傳感器產(chǎn)品，在全球圖像傳感器市場(chǎng)所占的市場(chǎng)份額逐步提升，研發(fā)能力已經(jīng)達(dá)到國(guó)際同類(lèi)的最高水平。

智能視覺(jué)傳感器

由于我國(guó)CMOS圖像傳感器研究和產(chǎn)業(yè)化起步較晚，國(guó)內(nèi)在CMOS圖像傳感器領(lǐng)域的研究與世界先進(jìn)水平相比還有一定差距，不過(guò)近年來(lái)隨著對(duì)該領(lǐng)域關(guān)注度的提升，越來(lái)越多的機(jī)構(gòu)加入了該領(lǐng)域的研究。

1）三維成像視覺(jué)傳感器。在三維成像視覺(jué)傳感器方面，由于ToF技術(shù)對(duì)光學(xué)傳感芯片要求相對(duì)較高，國(guó)外芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展較早且產(chǎn)業(yè)鏈較為完善，目前國(guó)外傳感器芯片廠商在國(guó)內(nèi)ToF產(chǎn)業(yè)鏈中基本占據(jù)著主導(dǎo)地位，國(guó)內(nèi)智能端的三維圖像傳感器供應(yīng)也都被日本索尼公司等公司壟斷。

同時(shí)，在相關(guān)的性能優(yōu)化以及結(jié)構(gòu)創(chuàng)新中，國(guó)內(nèi)外也存在著較大差距。2016年，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所報(bào)道了256 × 256分辨率ToF圖像傳感器，測(cè)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(cè)距誤差為5.9 mm。同年，索尼公司推出VGA分辨率ToF傳感器產(chǎn)品IMX456QL，已廣泛應(yīng)用于各類(lèi)智能終端，其1 m處分辨率約為6 mm。2018年，美國(guó)微軟公司報(bào)道了基于光柵解調(diào)像素的1 024 × 1 024分辨率ToF圖像傳感器，測(cè)距誤差達(dá)到1.2%。目前我國(guó)研究技術(shù)較之國(guó)外還有相當(dāng)大的差距，這需要一定的時(shí)間和努力去彌補(bǔ)。

2）仿生視覺(jué)圖像傳感器。在仿生視覺(jué)圖像傳感器方面，經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)起步較晚。2012年、2013年天津大學(xué)研制出了電路但是沒(méi)有進(jìn)行流片驗(yàn)證，2017年深圳大學(xué)設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)視覺(jué)傳感器進(jìn)行流片后功能卻未實(shí)現(xiàn)，一定程度上反映了與國(guó)外的差距較大。國(guó)外在2015年開(kāi)始就對(duì)信號(hào)的完整性、靈敏度以及抑制噪聲方面展開(kāi)了研究并頗有成效。國(guó)內(nèi)也對(duì)信號(hào)的靈敏度研究頗有進(jìn)展，例如天津大學(xué)設(shè)計(jì)的DVS通過(guò)在像素單元增加堆疊的二極管連接亞閾值MOS管來(lái)增強(qiáng)像素的靈敏度，除此之外，Chen等人（2019）提出的ATIS可以融合時(shí)基對(duì)比度檢測(cè)和亮度測(cè)量，也是國(guó)內(nèi)動(dòng)態(tài)視覺(jué)傳感器的重要突破之一。

3）微光高動(dòng)態(tài)圖像傳感器。在微光高動(dòng)態(tài)圖像傳感器方面，雖然國(guó)內(nèi)近幾年在微光圖像傳感器方向的發(fā)展突飛猛進(jìn)，但是與國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)相比，在轉(zhuǎn)換增益、讀出噪聲、量子效率和動(dòng)態(tài)范圍等方向還是有所差距。從全球市場(chǎng)來(lái)看，索尼和三星是絕對(duì)的技術(shù)引領(lǐng)者和市場(chǎng)占有者，國(guó)內(nèi)的豪威科技、格科微電子和思特威等企業(yè)在車(chē)載、安防等領(lǐng)域占據(jù)著一定的市場(chǎng)。另外，天津大學(xué)、上海集成電路研發(fā)中心以及中國(guó)科學(xué)院等單位也具有一定的技術(shù)實(shí)力。

總體來(lái)說(shuō)，我國(guó)CMOS圖像傳感器研究和產(chǎn)業(yè)化雖然起步較晚，但國(guó)內(nèi)的眾多高校、研究院所和企業(yè)都已經(jīng)開(kāi)展了深入的研究，積累了很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)和研究成果，為我國(guó)研制世界一流的CMOS圖像傳感器芯片產(chǎn)品提供了強(qiáng)有力的支撐。

紅外圖像傳感器

在紅外探測(cè)器發(fā)展方面，與國(guó)外科研機(jī)構(gòu)相比，國(guó)內(nèi)的科研機(jī)構(gòu)對(duì)于紅外探測(cè)器的研究起步較晚。因此，歐美的科研機(jī)構(gòu)一般處于“領(lǐng)跑”的狀態(tài)，而國(guó)內(nèi)的科研機(jī)構(gòu)更多的是屬于“跟跑”的狀態(tài)：大多數(shù)紅外探測(cè)器的開(kāi)創(chuàng)性工作由歐美科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展， 完善了紅外探測(cè)的材料理論，建立了完整高性能的紅外探測(cè)器生產(chǎn)工藝與生產(chǎn)設(shè)備。而國(guó)內(nèi)的科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展的主要是對(duì)其提出技術(shù)路線的跟隨與優(yōu)化，雖然可以在類(lèi)別和功能已經(jīng)逐步趕上，但在性能、規(guī)模和集成度方面與國(guó)外仍有較大的差距。此外在紅外探測(cè)器的生產(chǎn)制造方面仍然受到很大的約束。大規(guī)模的紅外讀出電路的生產(chǎn)這一關(guān)鍵工序目前主要仍掌握在國(guó)外廠商，紅外探測(cè)器材料生長(zhǎng)、耦合和封裝測(cè)試相關(guān)的儀器設(shè)備目前主要供應(yīng)商也為國(guó)外廠商。需要國(guó)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)界共同合作，推動(dòng)紅外探測(cè)器生產(chǎn)制造的國(guó)產(chǎn)化替代，減小我國(guó)紅外探測(cè)器的生產(chǎn)周期、生產(chǎn)成本和生產(chǎn)良率，大面陣紅外探測(cè)器國(guó)內(nèi)外參數(shù)對(duì)比如表3所示。

表3 大面陣紅外探測(cè)器國(guó)內(nèi)外參數(shù)對(duì)比

另外，在民用非制冷領(lǐng)域國(guó)內(nèi)的探測(cè)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(cè)器方面投入了力量進(jìn)行攻關(guān)， 并發(fā)布了很多非制冷紅外相關(guān)的新產(chǎn)品，也具備了批量化的生產(chǎn)能力。基于中國(guó)更為廣闊的應(yīng)用需求， 國(guó)內(nèi)非制冷紅外探測(cè)器目前發(fā)展蓬勃、勢(shì)頭強(qiáng)勁。未來(lái)通過(guò)學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的機(jī)構(gòu)的合作，共同促進(jìn)紅外探測(cè)器的產(chǎn)業(yè)發(fā)展（表4和表5）。

表4 國(guó)內(nèi)外雙色紅外探測(cè)器對(duì)比

表5 國(guó)內(nèi)外HOT紅外探測(cè)器對(duì)比

發(fā)展趨勢(shì)與展望

1）多光譜TDI CCD方面。未來(lái)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(gòu)將逐漸成熟并大量應(yīng)用。2）高光譜CCD方面。未來(lái)圍繞更高幀頻、更大陣列規(guī)模、背照高量子效率寬光譜響應(yīng)、背照高調(diào)制傳遞函數(shù)等技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。以器件表面鍍?yōu)V光膜實(shí)現(xiàn)高光譜探測(cè)的新型探測(cè)器技術(shù)也將繼續(xù)完善并實(shí)用化。3）EMCCD方面。除了大面陣、光子計(jì)數(shù)等具有極致性能的EMCCD之外，低驅(qū)動(dòng)電壓EMCCD、具備全天時(shí)成像功能的浮柵放大器信號(hào)選擇型EMCCD將繼續(xù)發(fā)展。

從全球市場(chǎng)來(lái)看，Yole公布的2020年CMOS圖像傳感器市場(chǎng)報(bào)告顯示，CMOS圖像傳感器的市場(chǎng)價(jià)值達(dá)到了207億美元，預(yù)計(jì)到2026年全球CMOS圖像傳感器市場(chǎng)總量將達(dá)到315億美元。2020年7月，國(guó)務(wù)院印發(fā)的《新時(shí)期促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》指出，中國(guó)芯片自給率要在2025年達(dá)到70%。而我國(guó)目前半導(dǎo)體自給率僅達(dá)到36%，國(guó)產(chǎn)化替代刻不容緩。因此，CMOS圖像傳感器的發(fā)展前景良好。隨著自動(dòng)駕駛、智能交通和機(jī)器視覺(jué)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)CMOS圖像傳感器提出更高靈敏、更寬動(dòng)態(tài)范圍以及更低噪聲的需求，CMOS圖像傳感器的發(fā)展面臨更高技術(shù)要求的挑戰(zhàn)。因此，研究高量子效率、高滿(mǎn)阱容量像素設(shè)計(jì)技術(shù)及低噪聲高速度讀出電路設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)于提高我國(guó)圖像傳感器自主研發(fā)水平，滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)對(duì)于高端CMOS圖像傳感器的需求，具有極大的科學(xué)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。

背照式架構(gòu)的CMOS圖像傳感器將成為傳感器市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，背照式架構(gòu)傳感器憑借超過(guò)靈敏度，已經(jīng)成為生命科學(xué)、天文和廣電等專(zhuān)業(yè)影像領(lǐng)域的第一選擇，并且各個(gè)圖像傳感器企業(yè)均已經(jīng)推出了面向工業(yè)領(lǐng)域的背照式全局快門(mén)傳感器產(chǎn)品，未來(lái)隨著背照式架構(gòu)技術(shù)的不斷成熟，制造成本逐漸下降，背照式架構(gòu)的圖像傳感器將會(huì)在更多的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用，成為未來(lái)傳感器市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。

高集成度的智能化視覺(jué)傳感器將成為研究重點(diǎn)，隨著堆棧式架構(gòu)技術(shù)的快速發(fā)展，讓視覺(jué)傳感器實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí)，多功能化也成為全球在視覺(jué)傳感器方向的研究重點(diǎn)，2020年索尼最新推出世界首款集成了AI運(yùn)算單元的智能化視覺(jué)傳感器IMX500，通過(guò)堆疊式工藝，在傳感器的邏輯晶圓上設(shè)計(jì)配備了DSP，專(zhuān)門(mén)用于AI信號(hào)的處理和緩存，雖然該傳感器在處理復(fù)雜的分析任務(wù)方面還存在瓶頸，但高集成度的智能化視覺(jué)傳感器有可能打破傳統(tǒng)的圖像傳感器和處理器分離的模式，必將成為各企業(yè)競(jìng)相研發(fā)的重點(diǎn)。

ToF技術(shù)具有低功耗和微型化的重要優(yōu)勢(shì)，能夠滿(mǎn)足便攜式電子設(shè)備的需求。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外不斷展開(kāi)研究，提出了各種高分辨率、低測(cè)距誤差的ToF傳感器結(jié)構(gòu)。然而，目前ToF傳感器仍存在量程與精度無(wú)法兼顧，抗背景光干擾差以及三維信息解算慢等問(wèn)題，需要發(fā)展新型的設(shè)計(jì)技術(shù)。仿生視覺(jué)圖像傳感器未來(lái)可面向多傳感器融合的神經(jīng)形態(tài)工程系統(tǒng)發(fā)展。將視覺(jué)、語(yǔ)音及觸覺(jué)等多神經(jīng)形態(tài)傳感器融合，應(yīng)用于神經(jīng)形態(tài)工程的智能感知系統(tǒng)。

紅外探測(cè)器經(jīng)過(guò)近50年的蓬勃發(fā)展，已經(jīng)成功研制響應(yīng)覆蓋短波到甚長(zhǎng)波，規(guī)模從長(zhǎng)線列覆蓋到8 K × 8 K大面陣，多色集成的各類(lèi)高性能紅外探測(cè)器，具有成像系統(tǒng)體積小、質(zhì)量輕、功耗低、系統(tǒng)靈敏度高以及工作幀頻高等一系列優(yōu)點(diǎn)。然而，隨著紅外探測(cè)需求的進(jìn)一步提升，如目標(biāo)多變、背景復(fù)雜、復(fù)雜環(huán)境和任務(wù)多元等應(yīng)用挑戰(zhàn)還需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步發(fā)展：

1）紅外大面陣探測(cè)器均存在非均勻性問(wèn)題，非均勻性影響探測(cè)精度，特別是在弱信號(hào)探測(cè)時(shí)尤為嚴(yán)重。解決該問(wèn)題需要從紅外探測(cè)器材料生長(zhǎng)工藝，讀出電路一致性以及讀出電路與探測(cè)器耦合進(jìn)行入手。2）針對(duì)自動(dòng)駕駛等復(fù)雜紅外背景的應(yīng)用，單一波段的紅外探測(cè)器容易受環(huán)境變化的干擾，導(dǎo)致無(wú)法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別。需要發(fā)展具有多維度信息獲取能力的紅外探測(cè)器，同時(shí)獲取多個(gè)光譜維、偏振維的紅外圖像。3）探測(cè)器向高集成度、小型化方向發(fā)展，這主要體現(xiàn)在像元間距越來(lái)越小，陣列規(guī)模越來(lái)越大。后端需要處理的圖像壓力越來(lái)越大，需要將整個(gè)紅外探測(cè)系統(tǒng)與紅外焦平面進(jìn)行集成，發(fā)展感存算一體的紅外探測(cè)器，將智能化的處理技術(shù)在片上進(jìn)行集成。發(fā)展新型紅外微分探測(cè)器，將抑制復(fù)雜背景的功能置于讀出電路端，實(shí)現(xiàn)暗弱目標(biāo)探測(cè)的對(duì)比度和圖像信噪比的提升。4）提高紅外探測(cè)器的環(huán)境適應(yīng)性，紅外探測(cè)器廣泛應(yīng)用的一個(gè)主要約束就是對(duì)低溫環(huán)境的要求，如何降低高性能紅外探測(cè)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(lái)一段時(shí)期的主要研究?jī)?nèi)容。

論文鏈接： DOI: 10.11834/jig.230039