攝像頭就像人類的眼睛，依靠鏡頭、濾光片和傳感器等元器件為我們提供清晰的視覺、色彩和深度信息。在我們每天都使用的智能手機攝像頭中，有一個關鍵元器件就像人眼的視網膜，那就是CMOS圖像傳感器。

CMOS圖像傳感器技術的初衷是為人類視覺提供優化的圖像信息。現在，CMOS圖像傳感器正朝著一個新的目標發展——增強人類視覺。它正被用于收集數字圖像信息，為未來的人工智能（AI）應用提供源源不斷的數據。CMOS圖像傳感器開始有了一系列新的用途，例如，從制造缺陷篩查到黑暗環境中的物體檢測等。

隨著移動設備的拍照功能越來越強大，該領域的競爭也越來越激烈，并且，人們期待這項技術的持續改進，以進一步推動創新。根據Research and Markets預測，到2023年，全球圖像傳感器市場將以6.2%的速度增長至232億美元。

艾里斑衍射成像

拍照成為智能手機差異化的關鍵，推動CMOS圖像傳感器增長

很大程度上，圖像傳感器市場的增長主要歸因于產品性能的不斷提高，當然，其它因素也在發揮作用。在智能手機這個日趨飽和的市場，OEM制造商已經將攝像頭創新作為一種與競爭對手實現差異化的關鍵組件。新型多樣化的攝像頭功能，需要先進的成像技術。低功耗緊湊型圖像傳感器的發展，以及生物識別領域的更多應用，推動了圖像傳感器市場的增長。移動設備中多攝像頭的應用，無疑加速了這一增長趨勢。

對于智能手機攝像頭，成像質量通常與CMOS圖像傳感器相關，因為其性能直接影響了分辨率、靈敏度和信噪比（SNR）等關鍵因素。當然，它也支持了新產品應用的出現，不斷提高成像設備的性能。因而，智能手機攝像頭的成像質量得以超越小型數碼相機，甚至與單反相機的差距也在不斷縮小。

從成像轉向信息獲取

早期來看，CMOS圖像傳感器技術的目的是為人眼優化圖像質量。隨著技術的進步，其目標已經轉向為機器算法提供所需要的圖像質量。但是，衍射極限限制了CMOS圖像傳感器的像素微型化。

因此，CMOS圖像傳感器廠商一直在通過開發器件及處理技術來提高CMOS圖像傳感器的像素集成水平，并通過圖像信號處理（ISP）技術來支持更廣泛的應用領域。這是一個漸進的轉變過程。

在第一階段，像素工程師致力于彌補由于像素尺寸縮小而不可避免的靈敏度損失，為此開發了許多創新技術，例如片上透鏡（或微透鏡）、深光電二極管和背照式技術等。

當像素尺寸達到約一微米時，第二階段開始了，更側重于減少串擾。在此階段，為了抑制光和電串擾，開發了彩色濾光片層金屬網格結構和硅光電二極管深溝槽隔離工藝等新技術。通過這些新技術創新，CMOS圖像傳感器平臺有望發展成為一種支持先進附加功能的“信息”傳感器，而不僅限于成像質量的提高。

新技術的興起

這些創新背后的一個重要驅動因素是傳感器堆棧技術的出現。在傳統圖像傳感器結構中，像素和電路都布局在同一襯底上，因此縮小無光區域對于縮小CMOS圖像傳感器尺寸至關重要。這種情況下，只能實現模擬/數字電路的基本功能，為額外功能增加電路非常受限。

傳統傳感器和堆棧傳感器的結構對比

基于先進的半導體工藝，SK海力士的堆棧傳感器已經能夠將簡單的人工智能（AI）硬件引擎嵌入ISP（圖像信號處理）單元的底層襯底上。同時，超分辨率、色彩恢復、人臉識別和目標識別等基于機器學習的新技術也在不斷開發中。

這些新型芯片將在多個應用領域發揮作用，其中一些創新已經開始進入市場。

索尼不久前發布了兩款智能視覺傳感器，這是世界上第一款為云服務配備AI處理功能的圖像傳感器。這些產品為開發人工智能攝像頭創造了機遇，可以使零售和工業領域的多種應用成為可能，有助于打造最優化的云端互連系統。

例如，將配備這些圖像傳感器的攝像頭安裝在建筑入口時，它們可以計算進入建筑的訪客數量；當安裝在零售貨架上時，它們可以檢測庫存數量；而當它們安裝在天花板上，可以確定人員最聚集的區域。由于使用基于機器學習的ISP技術可以從輸入圖像中提取各種特征并將其分類，因此，CMOS圖像傳感器將成為信息傳感器的關鍵組件，收集關于圖像、位置、距離和其它生物特征信息等各種數據。

當它們應用于自動駕駛車輛時，這一性能將變得更為關鍵。在自動駕駛車輛中，至少將使用10個攝像頭來監測車輛周圍環境。為了提高檢測精度，它們必須滿足各種要求，例如支持遠距離目標分類的高分辨率，即使在黑暗環境中也能識別目標的HDR功能，以及降低中央處理器計算量的ISP預處理等。

自動駕駛車輛上布置的攝像頭位置

在安防領域，則需要對CMOS圖像傳感器內置ISP中的圖像信號進行壓縮和加密，然后將其傳輸到外部處理器。如果圖像信號未加密就直接對外傳輸，則會增加安全漏洞和信息泄露的可能性。因此，CMOS圖像傳感器中的加密功能至關重要。

突破移動成像，賦能信息感知

目前，智能手機應用在CMOS圖像傳感器市場占據了主要的市場份額，不過，還有許多應用有望成為CMOS圖像傳感器未來增長的驅動力，尤其是隨著機器視覺應用的增長和發展。這些新興機遇正在推動CMOS圖像傳感器技術從移動成像拓展至其它增長領域，我們可能會看到從視覺成像向傳感及其它交互應用的轉變。

展望未來，CMOS圖像傳感器將應用于除了智能手機攝像頭以外的各個應用領域，提供巨大的經濟和社會價值，使其成為未來信息傳感器的關鍵組件。

責任編輯：xj

原文標題：視覺傳感技術的未來，從成像邁向信息感知

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