3.13 其它进展
Sony 于2007年推出第一代Exmor系列CMOS 图像传感器。与传统CIS技术相比,Exmor 的主要特点是为每列像素配置了专用ADC和额外的CDS。由于ADC单元与像素的物理距离更近,并且由于大规模并行化可以降低单个器件的工作频率,所以极大地改善了sensor的噪声特性。而新增的CDS又进一步抑制数字噪声。

随着制造技术的进一步演进,在背照式工艺的基础上又发展出了堆栈式(Stacked)工艺。顾名思义,堆栈式工艺把两片或者更多片硅片上下堆叠在一起,最上层硅片全部用于制造像素的感光区,而sensor 控制所需的模拟、数字逻辑全部移到下层硅片,所以感光区占sensor靶面尺寸的比例可以接近100%,终于达到了sensor 效率的巅峰。


实际上,CMOS sensor 也可以设计称支持global shutter曝光方式。与CCD 类似,global shutter 的实现原理是每个曝光像素都伴随一个存储电容,感光阵列上所有像素同时曝光,然后光电子立即被转移到存储电容上并锁定,等待读出电路读出。下图是一种较新的global shutter 像素设计,该设计支持两种不同的增益系数,因此支持HDR功能。

下图展示了SONY 最新BSI stacked 工艺制造的global shutter CMOS sensor 像素原理。

该sensor使用上下两层硅片,通过一定的机制绑定成3D结构。下图是SONY发布的实物照片。

3.14 Sensor for AI
另外,近些年的发展趋势是在sensor 上集成内存和AI 运算单元,使sensor 本身就能够完成一些高级图像处理算法,实现sensor 的智能化。


智能化的sensor可以用于制造端侧AI Camera,通过计算前移减轻云端的计算压力,减轻网络传输的带宽压力,减少系统延迟,有利于智能系统的大规模部署。这个市场称为端侧AI市场或Edge AI。

3.15 ToF sensor
ToF 即 Time-of-flight,ToF sensor 主动向视场前方打出一组激光,然后追踪反射光被sensor捕获的时间,通过时间差计算前方障碍物的距离,从而形成深度图(depth image)。深度图的每个像素值代表目标距离camera的距离。为了形象地呈现深度信息,人们一般用红色代表近的距离,蓝色代表远的距离。


可见光sensor图像与To Fsensor的深度图可以用一定的算法融合成3D图像,实现3D建模功能。

3.16 Sensor fusion
车载是仅次于手机、安防的第三大sensor应用市场。车载应用的主要挑战是包括强光、高动态、雨雪雾等环境因素会对 sensor 成像造成严重干扰,目前单靠CMOS sensor本身的性能提升还不能很好地解决这些问题,所以人们在探索将可见光sensor、毫米波雷达、激光雷达等成像技术结合在一起,形成更为可靠的车载解决方案,保证在各种气象条件下都能稳定地检测出画面中的目标。索尼将此技术称为sensor fusion。


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