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1、 光学视觉传感器技术研究进展 徐江涛，王欣洋，王廷栋，陈忻，宋宗玺，雷浩，刘罡，汶德胜*1.天津大学微电子学院，天津 300072；2.长春长光辰芯光电技术有限公司，长春 130033；3.中国电子科技集团公司第四十四研究所，重庆 401332；4.中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083；5.中国科学院西安分院，西安 710043；6.中国科学院西安光学精密机械研究所，西安 7101190 引言光学视觉传感器作为视觉成像装备中的核心光电元器件，使装备可以像人眼一样捕获图像信息，在工业、医疗和天文等专业影像领域中都扮演着极为重要的角色。本文从CCD 图像传感器、CMOS 图像传感器、智
2、能视觉传感器以及红外图像传感器方向介绍光学视觉传感器领域的发展历史、研究现状、前沿动态、热点问题和趋势。电荷耦合器件（charge-coupled devices，CCD）是一种以电荷包形式存贮和转移电子的半导体光电器件，是重要的图像传感器之一。作为图像传感器领域的一次革命性突破，相对于CCD 出现前已经较为成熟的传统摄像器件（如真空摄像管、热释电管和硅摄像管等），具有小体积、轻重量、小功耗、长寿命、高灵敏度以及大动态范围等诸多优点。由于其优异的性能，CCD在星载对地遥感成像、高光谱及微光成像等领域得到广泛应用。本文从多光谱TDICCD、高光谱CCD 和EMCCD 三方面对CCD 的最新发展进
3、行了叙述。20 世纪70 年代初，CMOS 图像传感器在NASA的喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）制造成功；80 年代末，英国爱丁堡大学成功试制出了世界第一块单片CMOS 型图像传感器件；2000 年日本东芝公司（TOSHIBA）和美国斯坦福大学采用0.35 m 技术开发的CMOS 有源像素传感器（active pixel sensor，APS）已成为开发超微型CMOS 摄像机的主流产品。2012 年，索尼发布了“堆叠式结构”的CMOS 图像传感器芯片，将其命名为Exmor RS。2013 年，三星电子首次发布ISOCELL 技术，在像素单元之间加入
4、物理屏障，能够降低约30%的光线串扰，并通过更广泛的视角来捕捉斜射光线。2017年，索尼又推出了3 层堆栈式的CMOS 图像传感器芯片，该芯片在两层电路中间新加入了DRAM层，使得数据的读取更加快速。2019 年，三星宣布推出全球首款硬件直出的1 亿像素超清CMOS 图像传感器。2021 年，索尼公司宣布其已成功开发出全球首个双层晶体管像素堆叠式CMOS 图像传感器技术，饱和信号量约提升至2 倍，增大动态范围的同时降低了噪声。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。早期的光学视觉传感器都是正照式结构，其组成结构由上到下依次是：微透镜、Baye
5、r阵列、金属排线（电路层）、光电二极管以及衬底，由于金属排线（电路层）位于感光二极管上方，导致入射到芯片表面的光线不能完全入射到感光二极管。2008 年索尼通过将传统晶圆绑定支撑硅片后进行晶圆翻转和减薄，推出了背照式CMOS 架构的图像传感器，采用背照式架构，可以有效规避金属排线（电路层）对感光二极管的遮挡，使入射光线可以100%的入射到感光二极管，进一步提升了图像传感器的灵敏度。2012 年索尼发布了世界第一款堆栈式图像传感器，堆栈式架构将原本在一个晶圆上的像素区域和电路区域，分别做在了两个晶圆上，并将两块晶圆绑定在一起，堆栈式架构在继承了背照式架构全部优势的基础上，进一步释放电路部分的设计
6、优化空间，比如电路部分可以较像素部分采用更高制程的工艺，使电路部分可以更快、更高质的处理像素输出的数据。此外堆栈式架构的出现，使图像传感器的集成度得到进一步的提升，让各种强大而快速地片上图像处理功能成为可能。CMOS图像传感器技术与性能对比如图1和表1所示。表1 不同架构的CMOS图像传感器技术性能对比Table 1 Performance comparison of CMOS image sensor technology with different architectures图1 不同架构的CMOS图像传感器技术Fig.1 CMOS image sensor technology wit
7、h different architectures随着图像传感器技术的快速发展，背照式及堆栈式架构已逐渐成为图像传感器的主流架构。目前手机摄像头是CMOS 图像传感器的最大终端市场，但在汽车电子、医疗、安防、工业和物联网等领域的应用也在快速增长。手机领域追求高像素以及多功能化，像素从200、800 万发展为目前的4 800 万、6 400万，并且进一步向上提升。近年来手机摄像头由双摄像向多摄像过渡发展，功能上除了传统拍照，还有虚化、广角和长焦等差异化要求。安防领域对夜视、红外等要求较高，产品分辨率目前基本在200 万像素（1 080 P），后续有望进一步提升至2 K/4 K。汽车领域目前对CM
8、OS 图像传感器芯片的像素要求不高，但追求芯片的可靠性与稳定性，受益于ADAS（advanced driving assistance system）、自动驾驶等技术发展趋势，汽车有望接力智能手机，为CMOS 图像传感器发展贡献新动能。就工业设备而言，可以预测CMOS 图像传感器在机器视觉方面的应用未来还会继续加速发展。红外线（波长0.751 000 m）是自然界中存在最为广泛的辐射，在物理学中凡是高于绝对零度的物质都可以产生红外线。通过对红外辐射的探测可以实现对物质的探测定位、温度测量和构成分析。红外探测由于无接触、全天候、抗干扰以及作用距离远等优势，广泛应用于航空航天、生物医学、工业制造、
9、国防军事、环境监测、光通信以及天文观测等领域。在军事上，包括对军事目标的搜索、观瞄、侦察、探测、识别与跟踪；对远、中、近程军事目标的监视、告警、预警与跟踪；在天文遥感上，用于对天体活动、水土资源进行观测；在民用领域，在工业、医学、消费电子、测试计量和科学研究等许多方面也得到广泛应用。随着智能化技术的发展，红外探测技术在自动驾驶、精准医疗等领域的应用将更广泛，地位更重要。红外探测器是将探测到的红外辐射转换为便于计量的物理量的器件，是红外探测系统的核心。在过去的几十年里，红外探测器技术发展迅速，大量的新型材料、器件不断涌现，红外光电探测器完成了第1 代（1970s1980s）的单元、多元光导器件进
10、行光机串/并扫描成像向第2 代（1990s2000s）扫描型红外焦平面器件、第3 代（2000s2010s）凝视型红外焦平面器件的跨越，目前正朝着以大面阵、高分辨率、宽谱段、高灵敏、多波段和系统级芯片为特征的第4 代红外焦平面技术的方向发展。在红外焦平面上集成具有高性能数字信号处理功能，甚至单芯片实现多波段融合探测与识别能力。本文按照近年来红外探测器重点发展的技术方向展开介绍，包括发展情况、主要研究机构以及技术水平。1 国际研究现状1.1 CCD图像传感器1.1.1 多光谱TDI CCDTDI CCD（time delay integration CCD）在扫描成像时，利用TDI CCD 行频
11、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噪比的目的。TDI CCD 最为典型的应用是作为成像器件应用于卫星遥感对地成像。通过在多个TDI CCD 上方的增加带通的滤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获取彩色影像。目前国际上只有Teledyne DALSA 公司（美国Teledyne 下属公司，位于加拿大）提供星用多光谱TDI CCD 产品。目前最新的多光谱TDI CCD 产品如表2所示。可以看出，目前国际上最新的多光谱TDI CCD发展水平为12 288 像素分辨率、7 m 像素尺寸、5 谱段光谱分辨分辨率。国际上目前发展了一些以欧洲微电子中心（I
12、nteruniversity Microelectronics Centre，IMEC）的CCD-in-CMOS 工艺制作的 单片式多光谱TDI CCD（Bello 等，2017）为代表的新型多光谱TDI CCD（图2和图3）。通常CCD 采用专用的工艺线制造，而其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复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复杂度。图2 IMEC的CCD-in-CMOS技术（Bello等，2017）Fig.2 CCD-in-CMOS tec
13、hnology of IMEC（Bello et al.，2017）图3 IMEC研制的7谱段单片式多光谱TDICCD（Bello等，2017）Fig.3 7-BAND monolithic multispectral TDICCD developed by IMEC（Bello et al.，2017）1.1.2 高光谱CCD高光谱技术是利用分光棱镜或光栅等将入射光光谱分为几十个谱段甚至上百个谱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
14、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（表3）。表3 Sarnoff公司高光谱CCDTable 3 Sarnoff hyperspectral CCDCCD 160-256-SFT 是Sarnoff 公司最新推出的一款背照式高帧频大面阵可见光CCD，阵列规模为2 048256，像元尺寸为16 m16 m，最高帧频可达到1 000 帧/s，32个输出端。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18 m发展到16 m，帧频从500帧/s发展到1 000帧/s以上。支持高光
15、谱成像仪已经由空间分辨率30 m、光谱分辨率10 nm发展到更高水平。2）更大阵列规模。阵列规模从512512 发展到4 096256。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。1.1.3 EMCCDEMCCD 即电子倍增CCD，是灵敏度极高的一种半导体光电探测器件。EMCCD 在常规CCD 的输出区域前增加一段多级倍增区，在高压（4050 V）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。Andor 公司首先将EMCCD 应用于在2001 年发布的iXon 系列高端超高灵敏相机上。此后，多款使用EMCCD 的相机相继面世，极大
16、推动了天文观测、生物医学和激光监控等领域的发展。EMCCD 产品向以下方面发展：1）高速、高帧频EMCCD；2）大面阵、光子计数EMCCD；3）低驱动电压EMCCD。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。Teledyne E2V 公司开发了一款高帧频EMCCD型号为CCD220（图4）。CCD220像素尺寸为24 m24 m，最高帧频大于1 300 帧/s，最大倍增增益大于1 000 倍。采用背照技术，CCD220 峰值量子效率超过90%。图4 E2V公司CCD220器件实物（Feautrier等，2010）Fig.4 CCD220 device object of E2V company（Feautrier et al.，2010）Tele
