【導讀】在2018年度的國際固態(tài)電路會(huì )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(zhù)重在“選美”的圖像擷取，添加了更多情境信息；這些新進(jìn)展包括了事件導向(event-driven)傳感器、能解決運動(dòng)中物體圖像扭曲問(wèn)題的全局快門(mén)(global shutters)新方法，以及飛行時(shí)間(ToF)圖像傳感器。
具備動(dòng)作偵測功能的CMOS圖像傳感器
索尼(Sony)在ISSCC發(fā)表的事件導向低功耗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，該公司的設計工程師團隊直接在圖像傳感器內部布置了運動(dòng)偵測(motion detection)功能。
在一篇論文中，Sony詳細介紹了一款1/4吋、390萬(wàn)像素(3.9Megapixel)的低功耗事件導向背照式堆棧(back-illuminated stacked) CMOS圖像傳感器，整合了像素讀取電路(pixel readout circuit)，能偵測每一個(gè)像素的運動(dòng)物體。根據Sony開(kāi)發(fā)團隊的描述，開(kāi)發(fā)這款事件導向圖像傳感器的幕后動(dòng)機，是為了滿(mǎn)足那些低功耗、永不關(guān)機設備也要配備高畫(huà)質(zhì)成像技術(shù)的需求。
隨著(zhù)諸如家用保全攝影機、虛擬個(gè)人助理等無(wú)線(xiàn)連網(wǎng)設備崛起，物聯(lián)網(wǎng)(IoT)系統設計工程師也在尋找能延長(cháng)電池壽命的小型解決方案，事件導向技術(shù)正適合保全系統應用；這類(lèi)圖像傳感器內建了智能功能，能實(shí)時(shí)偵測運動(dòng)物體。
Sony的事件導向傳感器具備像素數組、列驅動(dòng)器(row drivers)、列譯碼器(row decoders)、單斜率產(chǎn)生器(single-slope generation)、動(dòng)作/光偵測功能區塊、圖像信號處理器、訊框內存SRAM、MIPI鏈接端口，以及連結至傳感器控制區塊的CPU （來(lái)源：Sony）
如上圖所示，當Sony事件導向傳感器偵測到運動(dòng)物體時(shí)，CPU會(huì )產(chǎn)生一個(gè)外部中斷訊號，利用芯片上的自動(dòng)曝光，以零延遲觸發(fā)對高畫(huà)質(zhì)圖像的擷取。Sony表示，該圖像傳感器利用每個(gè)像素區塊共享之浮動(dòng)擴散(floating diffusion)中的像素加總(pixel summation)，實(shí)現了每秒10訊框的運動(dòng)物體偵測。
Sony位于美國硅谷的圖像傳感器設計中心資深嵌入式軟件工程師Abhinav Mathur表示，該圖像傳感器的運作功耗僅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；在事件紀錄的應用中，此傳感器能在攝影機系統的低功耗感測模式下顯著(zhù)降低功耗與數據帶寬。
Sony事件導向傳感器功能區塊 （來(lái)源：Sony）
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(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)報了應用于Kinect 2動(dòng)作感測設備的ToF傳感器進(jìn)展，該傳感器采用的是經(jīng)過(guò)改善的連續波(Continuous-Wave，CW)式ToF技術(shù)，號稱(chēng)將最新的ToF傳感器推向了百萬(wàn)像素等級。
Microsoft的最新ToF傳感器 （來(lái)源：Microsoft）
Microsoft的團隊認為，在市面上各種3D圖像擷取技術(shù)中，CW ToF成像系統能提供優(yōu)異的機械強度、無(wú)要求底線(xiàn)，以及高效能深度圖像分辨率、低運算成本，還有IR環(huán)境光強度不變 (IR ambient light invariant intensity)同步擷取──即主動(dòng)亮度(active brightness)──等特性，因此該團隊致力于改善CW ToF攝影機的空間分辨率、精確度以及運作范圍，同時(shí)降低其功耗。
此外Microsoft也藉由提升調變對比(modulation contrast)、量子效率以及調變頻率來(lái)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字轉換，同時(shí)以較小像素降低了光學(xué)堆棧的高度。
Microsoft的ToF傳感器規格 （來(lái)源：Microsoft）
小型像素(3.5 x 3.5μm)對新一代ToF傳感器在智能手機應用的競爭上非常重要，Microsoft號稱(chēng)其方案具備商用全局快門(mén)RGB傳感器競爭力，以及適用手持式設備的小型光學(xué)堆棧；該公司在ISSCC論文中介紹的1024x1024像素ToF全局快門(mén)圖像傳感器，能在200MHz下達到87%的調變對比，采用臺積電(TSMC)的65奈米1P8M背照式CMOS技術(shù)。
像素內噪聲消除
松下(Panasonic)在ISSCC展示其有機光導薄膜(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換功能與電路分離；藉由這種獨特架構，該公司團隊將新開(kāi)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)利用傳感器的獨特敏感度控制功能來(lái)改變施加到OPF的電壓，因此實(shí)現全局快門(mén)功能。
OPF CMOS圖像傳感器與傳統全局快門(mén)傳感器的架構比較；Panasonic聲稱(chēng)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(mén)功能 （來(lái)源：Panasonic）
在過(guò)去，廣播電視與保全應用的高分辨率、高保真度攝影機，如8K超高分辨率電視系統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(dòng)快門(mén)(rolling-shutter)而非全局快門(mén)。在全局模式下，快門(mén)運作能同步擷取所有像素的圖像；而滾動(dòng)快門(mén)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(dòng)快門(mén)會(huì )導致失真問(wèn)題，特別是在高速成像以及多視角圖像合成應用時(shí) （來(lái)源：Panasonic）
Panasonic新開(kāi)發(fā)的傳感器號稱(chēng)能實(shí)時(shí)擷取不失真的運動(dòng)物體圖像，該公司認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(jué)與智能交通監控系統的應用；而因為光電轉換與電路能分開(kāi)設計，利用像素內增益開(kāi)關(guān)(in-pixel gain-switching)技術(shù)能達到高飽和度特性，電壓控制敏感度調變技術(shù)則是藉由改變施加至OPF的電壓來(lái)調整敏感度。
Panasonic新開(kāi)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(chǎng)景中，同時(shí)具備全局快門(mén)功能，可用全像素擷取同步圖像 （來(lái)源：EE Times）
支持200公尺距離的成像光達
東芝(Toshiba)的工程師團隊在ISSCC發(fā)表的是長(cháng)距離、高分辨率光達(LiDAR)系統最新技術(shù)，利用來(lái)自目標物反射光子(reflected photon)的ToF信息；而因為其目標是距離量測(distance measurement，DM)，該團隊將支持距離定在200公尺，也就是一輛行駛于高速公路上的汽車(chē)，感測正在接近的其他車(chē)輛或物體的最理想距離。
而Toshiba的團隊也指出，若要在城市區域實(shí)現安全可靠的自動(dòng)駕駛車(chē)輛，光達系統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)現此目標的一個(gè)棘手挑戰是，光達系統得時(shí)常與強烈的背景光線(xiàn)(例如陽(yáng)光)對抗，那也是光達系統最主要的噪聲來(lái)源。
車(chē)用光達系統的偵測距離要求以及Toshiba的解決方案規格 （來(lái)源：Toshiba）
Toshiba介紹了一種結合時(shí)間至數字值轉換器(Time-to-Digital Converter，TDC)與模擬數字轉換器(ADC)的光達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(chēng)能讓光達系統達到200公尺的視距以及自動(dòng)駕駛車(chē)輛需要的高分辨率圖像。
根據Toshiba的說(shuō)法，SAT能利用來(lái)自ADC的強度與背景光信息，識別并累計僅從目標物反射的數據，因此與傳統的累加技術(shù)相較，其分辨率能達到四倍。該TDC/ADC組合架構放寬了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公尺距離的光達系統，DM距離是傳統設計的兩倍，可實(shí)現240x96像素分辨率與0.125%的DM精確度。
Toshiba光達方案與傳統設計的性能比較 （來(lái)源：Toshiba）
像素平行接合技術(shù)
不只Panasonic，Sony也注意到滾動(dòng)快門(mén)圖像傳感器擷取運動(dòng)物體圖像失真的問(wèn)題，指出像素內模擬內存(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(wú)法支持百萬(wàn)像素分辨率，因為它們都沒(méi)有解決在一個(gè)像素中讀寫(xiě)ADC數字訊號的時(shí)序限制(timing constraint)問(wèn)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)現全局快門(mén) （來(lái)源：Sony）
Sony的堆棧式背照CMOS圖像傳感器，配備146萬(wàn)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域最小化，能降低功耗。
本文轉載自EDN電子技術(shù)設計。
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