【導(dǎo)讀】近年來(lái)，高性能智能化CMOS圖像傳感器芯片作為視覺(jué)信息獲取的核心部件，日益成為國(guó)家重大科技研究項(xiàng)目（如載人航天、大飛機(jī)、高分辨率對(duì)地觀測(cè)等）航天與空間探測(cè)領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。基于CMOS工藝的圖像傳感器由于具有單片集成、圖像信息隨機(jī)讀取、低功耗、小體積、低成本等特點(diǎn)，成為當(dāng)前可見(jiàn)光成像的主流器件。
三維集成的CMOS圖像傳感器芯片架構(gòu)為構(gòu)建智能化成像系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)，模擬生物視覺(jué)感知機(jī)理的智能仿生圖像傳感器有效解決了分辨率和幀頻不斷提高的需求帶來(lái)的感知與處理能力的挑戰(zhàn)，同時(shí)還具有大動(dòng)態(tài)范圍、低數(shù)據(jù)冗余和低功耗等優(yōu)勢(shì)。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，天津大學(xué)微電子學(xué)院徐江濤教授和程思璐助理工程師在《航天返回與遙感》期刊上發(fā)表了以“高光譜成像用高幀頻CMOS圖像傳感器”為主題的綜述文章。徐江濤教授主要從事CMOS圖像傳感器芯片與系統(tǒng)、電源管理電路、數(shù)字圖像信號(hào)處理電路等方面的研究工作。
這項(xiàng)研究在分析了智能CMOS圖像傳感器成像機(jī)理，總結(jié)了智能CMOS圖像傳感器芯片類型，針對(duì)智能化成像與識(shí)別的關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性回顧與綜述，展望了該領(lǐng)域未來(lái)研究的可能發(fā)展方向，為搶占智能化CMOS圖像傳感器技術(shù)的制高點(diǎn)提供參考。
背照式（BSI）CMOS圖像傳感器和前照式（FSI）CMOS圖像傳感器的金屬層和光電二極管位置剛好顛倒，背照式結(jié)構(gòu)中光線直接照射在光電二極管層，量子效率大幅提高，有效增強(qiáng)了低照度環(huán)境下的成像品質(zhì)，同時(shí)還可以抑制光入射角度變化導(dǎo)致的靈敏度下降的問(wèn)題。背照式結(jié)構(gòu)推動(dòng)了一系列CMOS圖像傳感器技術(shù)的重大突破，其中最具里程碑意義的就是堆疊式CMOS圖像傳感器，并經(jīng)歷了一系列發(fā)展：第一代傳統(tǒng)的背照式CMOS圖像傳感器、第二代采用硅通孔（TSV）技術(shù)的3D堆疊背照式CMOS圖像傳感器、第三代采用Cu-Cu連接技術(shù)3D堆疊背照式CMOS圖像傳感器。
堆疊式CMOS圖像傳感器發(fā)展歷程
模仿人類視覺(jué)系統(tǒng)的異步獨(dú)立的感知方式，以脈沖電信號(hào)進(jìn)行信息傳遞以及大量的并行和分層處理機(jī)制構(gòu)造的視覺(jué)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)如人類視覺(jué)般高效穩(wěn)定的工作機(jī)制，基于這種仿生物的感知與處理方式的圖像傳感器被稱為智能圖像傳感器。智能CMOS圖像傳感器芯片主要有：?jiǎn)纹诤现悄軋D像傳感器、新型智能仿生圖像傳感器——?jiǎng)討B(tài)視覺(jué)傳感器、新型智能視覺(jué)芯片——脈沖型圖像傳感器以及新型智能視覺(jué)芯片——仿生復(fù)眼芯片。
單片集成圖像傳感器芯片與單片融合智能CMOS圖像傳感器芯片架構(gòu)示意
智能圖像傳感器的高效實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)智能化圖像的讀出與處理。傳統(tǒng)智能視覺(jué)系統(tǒng)融合了圖像傳感與處理的功能，隨著三維堆疊集成工藝發(fā)展，可將圖像傳感器和圖像處理器集成入同一顆芯片中。除了傳統(tǒng)基于硅基的融合手段外，目前科研人員也在研究基于新材料的像素端融合計(jì)算，如基于二維半導(dǎo)體材料WSe2-a實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)的感光陣列。
基于WSe2-a實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)的感光陣列
智能CMOS圖像傳感器技術(shù)的研究已取得了階段性的發(fā)展，但超越生物視覺(jué)系統(tǒng)性能目前還存在諸多問(wèn)題和挑戰(zhàn)。單片集成像素感知、計(jì)算處理電路大幅提升了系統(tǒng)的集成度，但仍然是“先感知，后計(jì)算”的方式，圖像數(shù)據(jù)量和計(jì)算量沒(méi)有發(fā)生變化。動(dòng)態(tài)視覺(jué)傳感器在像素中加入了減法操作，采用事件驅(qū)動(dòng)方式大幅降低的數(shù)據(jù)量，但簡(jiǎn)單的減法操作也帶來(lái)了圖像中部分有效信息的損失，應(yīng)用領(lǐng)域受限。二維半導(dǎo)體材料實(shí)現(xiàn)了光電感知與計(jì)算處理的融合，但其制作工藝上不能與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容。
智能CMOS圖像傳感器技術(shù)的后續(xù)研究應(yīng)圍繞以下兩方面內(nèi)容展開(kāi)：（1）基于CMOS工藝的感算一體的智能圖像傳感器技術(shù)研究；（2）智能化圖像信息處理壓縮編碼技術(shù)研究；（3）多傳感信息融合的智能化圖像感知與處理技術(shù)研究。
該項(xiàng)目獲得國(guó)家自然科學(xué)基金（61774110）的支持。
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