前言

在2018年度的國際固態(tài)電路會議(ISSCC)上，有幾項在圖像傳感器技術(shù)方面的新進(jìn)展亮相，超越了以前著重在“選美”的圖像擷取，添加了更多情境信息；這些新進(jìn)展包括了事件導(dǎo)向(event-driven)傳感器、能解決運動中物體圖像扭曲問題的全局快門(global shutters)新方法，以及飛行時間(ToF)圖像傳感器。

具備動作偵測功能的CMOS圖像傳感器

? ? ? Sony的事件導(dǎo)向傳感器具備像素數(shù)組、列驅(qū)動器(row drivers)、列譯碼器(row decoders)、單斜率產(chǎn)生器(single-slope generation)、動作/光偵測功能區(qū)塊、圖像信號處理器、訊框內(nèi)存SRAM、MIPI鏈接端口，以及連結(jié)至傳感器控制區(qū)塊的CPU （來源：Sony）

Sony事件導(dǎo)向傳感器功能區(qū)塊?

ToF傳感器技術(shù)進(jìn)展

3D深度攝影機正夯，相關(guān)技術(shù)的競爭焦點在于更高分辨率、更低功耗以及更小體積；微軟(Microsoft)在ISSCC簡報了應(yīng)用于Kinect 2動作感測設(shè)備的ToF傳感器進(jìn)展，該傳感器采用的是經(jīng)過改善的連續(xù)波(Continuous-Wave，CW)式ToF技術(shù)，號稱將最新的ToF傳感器推向了百萬像素等級。

Microsoft的最新ToF傳感器?

Microsoft的ToF傳感器規(guī)格?

小型像素(3.5 x 3.5μm)對新一代ToF傳感器在智能手機應(yīng)用的競爭上非常重要，Microsoft號稱其方案具備商用全局快門RGB傳感器競爭力，以及適用手持式設(shè)備的小型光學(xué)堆棧；該公司在ISSCC論文中介紹的1024x1024像素ToF全局快門圖像傳感器，能在200MHz下達(dá)到87%的調(diào)變對比，采用臺積電(TSMC)的65奈米1P8M背照式CMOS技術(shù)。

像素內(nèi)噪聲消除

松下(Panasonic)在ISSCC展示其有機光導(dǎo)薄膜(organic photoconductive film，OPF) CMOS圖像傳感器技術(shù)最新進(jìn)展──將OPF CMOS圖像傳感器中的光電轉(zhuǎn)換功能與電路分離；藉由這種獨特架構(gòu)，該公司團隊將新開發(fā)的高速噪聲消除技術(shù)以及高飽和度技術(shù)整合至電路，同時利用傳感器的獨特敏感度控制功能來改變施加到OPF的電壓，因此實現(xiàn)全局快門功能。

OPF CMOS圖像傳感器與傳統(tǒng)全局快門傳感器的架構(gòu)比較；Panasonic聲稱其最新傳感器是業(yè)界首款提供8K分辨率、60fps訊框速率、450k電子飽和度，并具備全局快門功能 （來源：Panasonic）

在過去，廣播電視與保全應(yīng)用的高分辨率、高保真度攝影機，如8K超高分辨率電視系統(tǒng)與采用堆棧傳感器方案的8K攝影機的共同缺陷，是采用滾動快門(rolling-shutter)而非全局快門。在全局模式下，快門運作能同步擷取所有像素的圖像；而滾動快門模式的有機CMOS圖像傳感器，則是以逐行(row by row)方式曝光與運作。

Panasonic表示，滾動快門會導(dǎo)致失真問題，特別是在高速成像以及多視角圖像合成應(yīng)用時?

Panasonic新開發(fā)的傳感器號稱能實時擷取不失真的運動物體圖像，該公司認(rèn)為這對多視角與高速、高分辨率攝影機特別有益，例如機器視覺與智能交通監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用；而因為光電轉(zhuǎn)換與電路能分開設(shè)計，利用像素內(nèi)增益開關(guān)(in-pixel gain-switching)技術(shù)能達(dá)到高飽和度特性，電壓控制敏感度調(diào)變技術(shù)則是藉由改變施加至OPF的電壓來調(diào)整敏感度。

Panasonic新開發(fā)的CMOS圖像傳感器能擷取8K分辨率圖像，甚至在高對比度度的場景中，同時具備全局快門功能，可用全像素擷取同步圖像 （來源：EE Times）

支持200公尺距離的成像光達(dá)

車用光達(dá)系統(tǒng)的偵測距離要求以及Toshiba的解決方案規(guī)格?

Toshiba介紹了一種結(jié)合時間至數(shù)字值轉(zhuǎn)換器(Time-to-Digital Converter，TDC)與模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)的光達(dá)SoC，配備了一種命名為智能累加技術(shù)(Smart Accumulation Technique，SAT)的功能，號稱能讓光達(dá)系統(tǒng)達(dá)到200公尺的視距以及自動駕駛車輛需要的高分辨率圖像。

根據(jù)Toshiba的說法，SAT能利用來自ADC的強度與背景光信息，識別并累計僅從目標(biāo)物反射的數(shù)據(jù)，因此與傳統(tǒng)的累加技術(shù)相較，其分辨率能達(dá)到四倍。該TDC/ADC組合架構(gòu)放寬了ADC采樣率需求，以支持短距離DM精確度；此外該概念驗證支持200公尺距離的光達(dá)系統(tǒng)，DM距離是傳統(tǒng)設(shè)計的兩倍，可實現(xiàn)240x96像素分辨率與0.125%的DM精確度。

Toshiba光達(dá)方案與傳統(tǒng)設(shè)計的性能比較?

像素平行接合技術(shù)

不只Panasonic，Sony也注意到滾動快門圖像傳感器擷取運動物體圖像失真的問題，指出像素內(nèi)模擬內(nèi)存(in-pixel analog memory)與像素平行(pixel-parallel) ADC雖是潛在解決方案，但這些技術(shù)都無法支持百萬像素分辨率，因為它們都沒有解決在一個像素中讀寫ADC數(shù)字訊號的時序限制(timing constraint)問題。

Sony在ISSCC論文中提出的方案，是利用具備每像素單一ADC的堆棧圖像傳感器，在CMOS傳感器實現(xiàn)全局快門??

Sony的堆棧式背照CMOS圖像傳感器，配備146萬像素14位ADC，采用像素級接合技術(shù)(pixel-level bonding technology)。該公司表示，具備正向回饋電路的次臨界值比較器(subthreshold comparator)有助于降低比較器運作電流與電路區(qū)域最小化，能降低功耗。