【導(dǎo)讀】在2018年度的國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議(ISSCC)上，有幾項(xiàng)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(yùn)動(dòng)中物體圖像扭曲問題的全局快門(global shutters)新方法，以及飛行時(shí)間(ToF)圖像傳感器。
具備動(dòng)作偵測(cè)功能的CMOS圖像傳感器
索尼(Sony)在ISSCC發(fā)表的事件導(dǎo)向低功耗CMOS圖像傳感器，就是一個(gè)為所擷取圖像添加情境信息的好例子，該公司的設(shè)計(jì)工程師團(tuán)隊(duì)直接在圖像傳感器內(nèi)部布置了運(yùn)動(dòng)偵測(cè)(motion detection)功能。
在一篇論文中，Sony詳細(xì)介紹了一款1/4吋、390萬像素(3.9Megapixel)的低功耗事件導(dǎo)向背照式堆棧(back-illuminated stacked) CMOS圖像傳感器，整合了像素讀取電路(pixel readout circuit)，能偵測(cè)每一個(gè)像素的運(yùn)動(dòng)物體。根據(jù)Sony開發(fā)團(tuán)隊(duì)的描述，開發(fā)這款事件導(dǎo)向圖像傳感器的幕后動(dòng)機(jī)，是為了滿足那些低功耗、永不關(guān)機(jī)設(shè)備也要配備高畫質(zhì)成像技術(shù)的需求。
隨著諸如家用保全攝影機(jī)、虛擬個(gè)人助理等無線連網(wǎng)設(shè)備崛起，物聯(lián)網(wǎng)(IoT)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師也在尋找能延長(zhǎng)電池壽命的小型解決方案，事件導(dǎo)向技術(shù)正適合保全系統(tǒng)應(yīng)用；這類圖像傳感器內(nèi)建了智能功能，能實(shí)時(shí)偵測(cè)運(yùn)動(dòng)物體。
Sony的事件導(dǎo)向傳感器具備像素?cái)?shù)組、列驅(qū)動(dòng)器(row drivers)、列譯碼器(row decoders)、單斜率產(chǎn)生器(single-slope generation)、動(dòng)作/光偵測(cè)功能區(qū)塊、圖像信號(hào)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）
如上圖所示，當(dāng)Sony事件導(dǎo)向傳感器偵測(cè)到運(yùn)動(dòng)物體時(shí)，CPU會(huì)產(chǎn)生一個(gè)外部中斷訊號(hào)，利用芯片上的自動(dòng)曝光，以零延遲觸發(fā)對(duì)高畫質(zhì)圖像的擷取。Sony表示，該圖像傳感器利用每個(gè)像素區(qū)塊共享之浮動(dòng)擴(kuò)散(floating diffusion)中的像素加總(pixel summation)，實(shí)現(xiàn)了每秒10訊框的運(yùn)動(dòng)物體偵測(cè)。
Sony位于美國(guó)硅谷的圖像傳感器設(shè)計(jì)中心資深嵌入式軟件工程師Abhinav Mathur表示，該圖像傳感器的運(yùn)作功耗僅1.1mW，而相同的全分辨率、每秒60訊框速率CMOS圖像傳感器功耗為95mW；在事件紀(jì)錄的應(yīng)用中，此傳感器能在攝影機(jī)系統(tǒng)的低功耗感測(cè)模式下顯著降低功耗與數(shù)據(jù)帶寬。
Sony事件導(dǎo)向傳感器功能區(qū)塊 （來源：Sony）
ToF傳感器技術(shù)進(jìn)展
3D深度攝影機(jī)正夯，相關(guān)技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)在于更高分辨率、更低功耗以及更小體積；微軟(Microsoft)在ISSCC簡(jiǎn)報(bào)了應(yīng)用于Kinect 2動(dòng)作感測(cè)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(hào)稱將最新的ToF傳感器推向了百萬像素等級(jí)。
Microsoft的最新ToF傳感器 （來源：Microsoft）
Microsoft的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，在市面上各種3D圖像擷取技術(shù)中，CW ToF成像系統(tǒng)能提供優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、無要求底線，以及高效能深度圖像分辨率、低運(yùn)算成本，還有IR環(huán)境光強(qiáng)度不變 (IR ambient light invariant intensity)同步擷取──即主動(dòng)亮度(active brightness)──等特性，因此該團(tuán)隊(duì)致力于改善CW ToF攝影機(jī)的空間分辨率、精確度以及運(yùn)作范圍，同時(shí)降低其功耗。
此外Microsoft也藉由提升調(diào)變對(duì)比(modulation contrast)、量子效率以及調(diào)變頻率來改善CW ToF圖像傳感器的不確定性與功耗，消除了讀取噪聲與模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，同時(shí)以較小像素降低了光學(xué)堆棧的高度。
Microsoft的ToF傳感器規(guī)格 （來源：Microsoft）
小型像素(3.5 x 3.5μm)對(duì)新一代ToF傳感器在智能手機(jī)應(yīng)用的競(jìng)爭(zhēng)上非常重要，Microsoft號(hào)稱其方案具備商用全局快門RGB傳感器競(jìng)爭(zhēng)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(duì)比，采用臺(tái)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(jī)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(dú)特架構(gòu)，該公司團(tuán)隊(duì)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(shí)利用傳感器的獨(dú)特敏感度控制功能來改變施加到OPF的電壓，因此實(shí)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(jī)，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(jī)的共同缺陷，是采用滾動(dòng)快門(rolling-shutter)而非全局快門。在全局模式下，快門運(yùn)作能同步擷取所有像素的圖像；而滾動(dòng)快門模式的有機(jī)CMOS圖像傳感器，則是以逐行(row by row)方式曝光與運(yùn)作。
Panasonic表示，滾動(dòng)快門會(huì)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(shí) （來源：Panasonic）
Panasonic新開發(fā)的傳感器號(hào)稱能實(shí)時(shí)擷取不失真的運(yùn)動(dòng)物體圖像，該公司認(rèn)為這對(duì)多視角與高速、高分辨率攝影機(jī)特別有益，例如機(jī)器視覺與智能交通監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用；而因?yàn)楣怆娹D(zhuǎn)換與電路能分開設(shè)計(jì)，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(duì)比度度的場(chǎng)景中，同時(shí)具備全局快門功能，可用全像素?cái)X取同步圖像 （來源：EE Times）
支持200公尺距離的成像光達(dá)
東芝(Toshiba)的工程師團(tuán)隊(duì)在ISSCC發(fā)表的是長(zhǎng)距離、高分辨率光達(dá)(LiDAR)系統(tǒng)最新技術(shù)，利用來自目標(biāo)物反射光子(reflected photon)的ToF信息；而因?yàn)槠淠繕?biāo)是距離量測(cè)(distance measurement，DM)，該團(tuán)隊(duì)將支持距離定在200公尺，也就是一輛行駛于高速公路上的汽車，感測(cè)正在接近的其他車輛或物體的最理想距離。
而Toshiba的團(tuán)隊(duì)也指出，若要在城市區(qū)域?qū)崿F(xiàn)安全可靠的自動(dòng)駕駛車輛，光達(dá)系統(tǒng)必須要有寬廣視角與高分辨率，才能完整感知周遭情況；要實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的一個(gè)棘手挑戰(zhàn)是，光達(dá)系統(tǒng)得時(shí)常與強(qiáng)烈的背景光線(例如陽光)對(duì)抗，那也是光達(dá)系統(tǒng)最主要的噪聲來源。
車用光達(dá)系統(tǒng)的偵測(cè)距離要求以及Toshiba的解決方案規(guī)格 （來源：Toshiba）
Toshiba介紹了一種結(jié)合時(shí)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(hào)稱能讓光達(dá)系統(tǒng)達(dá)到200公尺的視距以及自動(dòng)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(qiáng)度與背景光信息，識(shí)別并累計(jì)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(yàn)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(jì)的兩倍，可實(shí)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(jì)的性能比較 （來源：Toshiba）
像素平行接合技術(shù)
不只Panasonic，Sony也注意到滾動(dòng)快門圖像傳感器擷取運(yùn)動(dòng)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?yàn)樗鼈兌紱]有解決在一個(gè)像素中讀寫ADC數(shù)字訊號(hào)的時(shí)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(shí)現(xiàn)全局快門 （來源：Sony）
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(jí)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(yùn)作電流與電路區(qū)域最小化，能降低功耗。
本文轉(zhuǎn)載自EDN電子技術(shù)設(shè)計(jì)。
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