走进3D视觉系列（六）：新兴应用驱动下的图像传感器

走进3D视觉系列（六）：新兴应用驱动下的图像传感器
2017-07-08 21:24:44   来源：麦姆斯咨询   评论：   点击：

图像传感器，或称感光元件，是一种将光学图像转换成电子信号的器件，它犹如人类的眼睛一样，感受着大自然的绚丽多姿。图像传感器是组成数字摄像头的重要组成部分，广泛应用于智能手机、数码相机和其它电子光学设备中。

3D视觉系统的“眼睛”

图像传感器，或称感光元件，是一种将光学图像转换成电子信号的器件，它犹如人类的眼睛一样，感受着大自然的绚丽多姿。图像传感器是组成数字摄像头的重要组成部分，广泛应用于智能手机、数码相机和其它电子光学设备中。

图像传感器

在基于结构光和飞行时间（ToF）原理的3D视觉系统中，近红外图像传感器能够感受近红外光，将近红外光信息处理为物体的深度位置（Z轴）；同时，可见光图像传感器采集物体的二维平面（X与Y轴）可见光信息（Vis Light）；图像传感器的信息汇总至专用的图像处理芯片，从而得到物体的三维数据，实现空间定位。两个图像传感器构成了3D视觉系统的“眼睛”，捕捉外界环境信息；图像处理芯片和存储器构成了3D视觉系统的“大脑”，进行信息的处理和存储。

图像传感器的图像信息采集过程

移动市场是图像传感器产业的主要应用领域，尽管手机数量接近饱和，但是由于3D摄像头的出现，激光雷达、自动驾驶、无人机拍摄、生物特征识别、增强现实（AR）等新兴应用的需求，图像传感器的市场仍将继续保持稳定的增长势头。

洞悉图像传感器原理

根据元件的不同，图像传感器通常可分为CCD（Charge-Coupled Device，电荷耦合器件）和CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互补型金属氧化物半导体器件）两大类。

20世纪70年代，CCD图像传感器和CMOS图像传感器同时起步。CCD图像传感器由于灵敏度高、噪声低，逐步成为图像传感器的主流。但由于工艺上的原因，敏感元件和信号处理电路不能集成在同一芯片上，造成由CCD图像传感器组装的摄像机体积大、功耗大。CMOS图像传感器以其体积小、功耗低在图像传感器市场上独树一帜。最初市场上的CMOS图像传感器，一直没有摆脱光照灵敏度低和图像分辨率低的缺点，图像质量还无法与CCD图像传感器相比。但是，近年来由于CMOS成像技术不断提升、生产成本不断降低，智能手机广泛采用CMOS图像传感器，使得CCD图像传感器在市场的占有率从2010年起不断下降。图像传感器巨头索尼更是宣布将于2017年停产CCD图像传感器。

1. CCD

早在1969年，美国贝尔实验室的维拉•波义耳（Willard S. Boyle）和乔治•史密斯（George E. Smith）发明了CCD，CCD一度作为传统胶片的取代物，引领潮流。CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。

构成CCD的基本单位是MOS电容器，类似于MOS晶体管结构，和其它电容器一样，MOS电容器能够储存电荷。当器件受到光照时（光可从各电极的缝隙间经过SiO2层射入，或经衬底的薄P型硅射入），光子的能量被半导体吸收，产生电子-空穴对，电子被吸引存贮在势阱中，这些电子是可以传导的。光越强，势阱中收集的电子越多，光弱则反之，这样就把光的强弱变成电荷的数量，实现了光与电的转换，而势阱中收集的电子处于存贮状态，即使停止光照一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。这是电荷的储存过程。

若CCD的基本单位MOS电容器之间排列足够紧密，那么MOS电容的势阱相互耦合，慢慢电荷就可以发生转移了。上述结构实质上是个微小的MOS电容，用它构成像素，既可“感光”又可留下“潜影”，感光作用是靠光强产生的电子电荷积累，潜影是各个像素留在各个电容里的电荷不等而形成的。若能设法把各个电容里的电荷依次传送到输出端，再组成行和帧并经过“显影”就实现了图像的传递，最终呈现出一幅完整的画面。

CCD的结构和工作原理（以P型硅为例）

CCD具有技术成熟、成像质量高、灵敏度高、噪声低、动态范围大、响应速度快、图像畸变小等优势。但是，如果想要得到像素高的图片，需要增加像素数也就是CCD上感光元件的数量，这就带了制造成本增加和成品率下降等一系列问题。因此，CMOS图像传感器则应运而生。

2. CMOS