回顧歷史，地球上最古老的生物出現(xiàn)于34億年前。在此之后，生命的進(jìn)化過程一直很緩慢。大約5.4億年前，由于物種變得多樣化，生命的進(jìn)化速度突然加快。這個(gè)時(shí)期就是所謂的寒武紀(jì)生命大爆發(fā)。

導(dǎo)致物種突然呈現(xiàn)多樣化發(fā)展趨勢的眾多原因之一是生物感官的進(jìn)化。在此過程中，眼睛的出現(xiàn)是最重要的一部分。

學(xué)者們解釋說，物種變得多樣化并且進(jìn)化迅速是因?yàn)榛煦绾诎凳澜缰行滦畔⒌某霈F(xiàn)。大腦的一部分凸出成為眼睛，開始觀察這個(gè)世界。這致使生物體增加了對能量的需求，并且因?yàn)楦鞣N新信息擴(kuò)大了適應(yīng)和運(yùn)動(dòng)的范圍。

我們使用的電子設(shè)備上也出現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。隨著數(shù)字化進(jìn)程的不斷深入，移動(dòng)設(shè)備上的攝像頭與人眼扮演著相同的角色。攝像頭上的CMOS圖像傳感器（以下簡稱為CIS）則具有像人眼視網(wǎng)膜一樣捕捉圖像的功能。 借助CIS技術(shù)，我們可以輕松地處理、復(fù)制和儲存海量圖像信息。

因此，移動(dòng)設(shè)備必須具備處理大量數(shù)據(jù)的能力，這再次強(qiáng)烈推動(dòng)了擔(dān)當(dāng)大腦角色的應(yīng)用處理器（AP）的性能或內(nèi)存容量的發(fā)展。此外，從用戶的觀點(diǎn)來看，攝像頭的功能顯得尤為重要，這進(jìn)而促使了移動(dòng)設(shè)備的多樣化發(fā)展。

與寒武紀(jì)發(fā)生的變化一樣，電子設(shè)備的日新月異體現(xiàn)在我們的日常生活中。新冠疫情的爆發(fā)開啟了“無接觸”的時(shí)代，在加速電子設(shè)備多樣化的同時(shí)，也推動(dòng)了用戶需求的迅猛增長。疫情雖將在不久后結(jié)束，但這種趨勢將會延續(xù)下去。

模擬人眼

CIS最大的作用是準(zhǔn)確地再現(xiàn)我們眼中的世界。我們希望它具有和人眼相似的分辨率，必須清楚分辨各種明暗環(huán)境，同時(shí)還能識別高速移動(dòng)的物體。

下圖展示了CIS的基本像素（pixel）結(jié)構(gòu)和成像操作特性。物體反射的光線通過光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)入光電二極管，當(dāng)光線中的光子能量超過半導(dǎo)體帶隙的能量時(shí)，就會產(chǎn)生電子-空穴對（e-/h+）。

根據(jù)光的強(qiáng)度，累積和讀取該信號可以形成2D圖像。硅元素的帶隙能量為1.1eV（電子伏特），可以覆蓋整個(gè)人眼可見的光譜范圍。眾所周知，硅是常見的半導(dǎo)體材料。這可謂是無巧不成書。

圖1 人眼與CIS響應(yīng)系統(tǒng)對比

要想使圖像在黑暗情況下清晰可見，需要放大來自微弱光線的信號，同時(shí)盡可能抑制非光信號（噪點(diǎn)）。此外，要想在明亮的環(huán)境下看清，需要接收大量的強(qiáng)光并加以區(qū)分。這些特征可以使用所謂的SNR（信噪比）通過光強(qiáng)和DR（動(dòng)態(tài)范圍：滿阱容量噪聲比）來量化。

在暗光信噪比控制方面，人們?yōu)榱嗽诜糯笮盘柕耐瑫r(shí)降低不需要的噪點(diǎn)做了很多努力。如今，我們正逐漸將這些特性提高到5勒克斯（lux）的水平，這是一個(gè)相當(dāng)黑暗的環(huán)境。在動(dòng)態(tài)范圍方面，人眼的場景內(nèi)和場景間動(dòng)態(tài)范圍通常分別為120 dB和180 dB，在不斷發(fā)展的狀態(tài)下，當(dāng)前智能手機(jī)的場景內(nèi)和場景間動(dòng)態(tài)范圍分別為70 dB和120 dB。

影響上述特性的最重要因素是像素的尺寸和分辨率。為使CIS獲得更高的分辨率，必需縮小像素尺寸（像元大小）。如果要在同樣分辨率下將CIS放在更小的芯片區(qū)域上，像素尺寸也必須更小。在縮小像素尺寸的情況下保持上述特性不變是最關(guān)鍵的因素。

圖2 光響應(yīng)特征與動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展

像素尺寸和分辨率之爭還將持續(xù)多久？

人眼對靜止圖像中心部分的分辨率約為5.76億像素，對移動(dòng)圖像的分辨率約為800萬像素。CIS技術(shù)一直在不斷進(jìn)步以趕上人眼的一水平。在將像素尺寸降至大約1.12μm并將分辨率提升至1300萬像素后，CIS技術(shù)的研發(fā)速度開始變得緩慢，但是，Quad技術(shù)（使用相同的濾色器合并2×2像素）的引入再一次加快了像素尺寸縮小的發(fā)展速度。

最近，這一水平已達(dá)到了0.7μm范圍，分辨率也升至6400萬像素。 如今，隨著NONA（3×3）和QxQ（4×4）技術(shù)的發(fā)展，像素尺寸已經(jīng)達(dá)到至0.6Xμm范圍的水平。反過來，像素尺寸縮小技術(shù)催生出了近期推出的1.08億像素分辨率圖像傳感器。

隨著這一發(fā)展，人們越來越期待不久后將推出的2億像素分辨率相機(jī)。 如今我們迎頭趕上了很多新的發(fā)展。上述像素綁定技術(shù)得到積極采用的原因是拍攝視頻時(shí)我們對分辨率要求不高。但是在這一新技術(shù)（像素綁定技術(shù)）的加持下，攝像機(jī)現(xiàn)在可以支持以每秒60幀的速度不間斷錄制4K（4000 x 2000：800萬像素）視頻。

像素綁定技術(shù)使攝像機(jī)能夠保持視頻中大像素的特性并提供出色的低光靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。為了為客戶提供增值服務(wù)，未來，超低光、動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展技術(shù)、快速自動(dòng)對焦等功能有望加入到視頻拍攝中。

圖3 低光信噪比和動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展技術(shù)

縮小圖像傳感器體積（包括縮小像素尺寸）是所有半導(dǎo)體公司共同面對的挑戰(zhàn)。為了在更小的尺寸上保持相同的功能特性，這些公司在設(shè)備和制造工藝上進(jìn)行了大量的技術(shù)開發(fā)工作。

此類技術(shù)包括：摻雜優(yōu)化（doping optimization）和垂直轉(zhuǎn)移柵（vertical transfer gate）——以提高全阱容量（FWC），同時(shí)保持電荷轉(zhuǎn)移效率；源跟蹤工程（source follower engineering ）和各種降噪技術(shù)；濾色器隔離（color filter isolation）和深溝槽隔離（deep trench isolation）技術(shù)——將相鄰像素之間的干擾降至最低；使用較厚的外延層（epi layer）來提高像素感光度或應(yīng)用各種濾色器相關(guān)技術(shù)等。

在觀看圖像這一方面，如今的半導(dǎo)體通過上述的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在性能上與經(jīng)過數(shù)百萬年進(jìn)化而來的生物的眼睛幾乎相同。然而，在功效方面仍有改進(jìn)的可能。我們現(xiàn)今正在見證低功耗技術(shù)的發(fā)展：在待機(jī)模式下，以最低功耗運(yùn)行（所謂的常開模式）或通過壓縮傳感方法來優(yōu)化功耗。

圖4 像素縮放技術(shù)

超越人眼

在CIS的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大過程中，最具代表性的就是深度傳感技術(shù)。早期CIS利用兩臺攝像機(jī)模仿人眼的雙眼視差來感知距離。然而，人們還需要努力突破精確度、距離可擴(kuò)展性及兩臺攝像機(jī)之間最小距離等方面的限制。 根據(jù)光線從物體反射后返回的時(shí)間差來測量距離的方法被稱為“飛行時(shí)間”（ToF）。

ToF分為兩種類型，即直接飛行時(shí)間（dToF）和間接飛行時(shí)間（iToF）。 從操作原理上看，這兩種方法各有利弊。間接飛行時(shí)間的傳感基于模擬電荷累積的工作原理，由于信號在遠(yuǎn)距離衰減，其可測量距離范圍受到局限。

而直接飛行時(shí)間在分辨率上有局限性，由于檢測每一個(gè)單光子（SPAD：單光子雪崩二極管）單元大小非常棘手，再加上還需要在每個(gè)單元中堆疊以讀出電路。綜上所述，這兩種方法可以在各自的應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)和利用自身優(yōu)點(diǎn)，或努力改進(jìn)以克服其缺點(diǎn)。

圖5 ToF（飛行時(shí)間）傳感器工作原理和應(yīng)用領(lǐng)域

圖6 SK海力士的首款ToF傳感器（紅外圖像和深度圖像）

圖7 iToF和dToF的進(jìn)化發(fā)展

CIS以廣譜光為基礎(chǔ)，利用可見光、紫外光、近紅外光、短波紅外光等，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，為豐富人類生活做出貢獻(xiàn)。紫外和紅外波長為采用替代材料（如Ge（鍺）、InGaAs（銦鎵砷）和InP（銦磷））解決硅的缺點(diǎn)提供了機(jī)會。此外，多光譜和高光譜成像，或偏振傳感器也開始發(fā)揮助力作用。

圖8 圖像傳感器應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展

人工智能（AI）被各行各業(yè)廣泛的采用也給CIS行業(yè)帶來了好處。該技術(shù)在早期階段主要集中在降噪或增強(qiáng)分辨率來改善圖像本身，而目前正朝著物體識別和安全領(lǐng)域擴(kuò)展。攝像頭的普遍安裝引起了人們對隱私問題的擔(dān)憂。在確保安全所需的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器的同時(shí)，也要防止其他數(shù)據(jù)被泄露。因此，AI功能將遷移到邊緣設(shè)備上，使我們能夠減少物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的功效。紅外數(shù)據(jù)的使用和基于事件驅(qū)動(dòng)的傳感器的出現(xiàn)也與這一方向相契合。

隨著這些傳感器的出現(xiàn)，相關(guān)一系列的技術(shù)也得到進(jìn)一步的發(fā)展——頭戴式顯示器（HMD）、AR/VR眼鏡等新型可穿戴設(shè)備、自動(dòng)駕駛汽車、機(jī)器人和無人機(jī)等自動(dòng)化應(yīng)用，以及不同設(shè)備的融合和集成等。 通過提供圖像的技術(shù)和感測各種光的信息，CIS將繼續(xù)使我們的生活變得更方便和安全。SK海力士致力于不斷開發(fā)并順應(yīng)這一趨勢，研發(fā)各種產(chǎn)品，創(chuàng)造更多機(jī)會來增加社會價(jià)值。

審核編輯 ：李倩