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天津大学浅析智能化成像与识别CMOS图像传感器技术

发布时间:2022-05-18 来源:MEMS 责任编辑:wenwei

【导读】近年来,高性能智能化CMOS图像传感器芯片作为视觉信息获取的核心部件,日益成为国家重大科技研究项目(如载人航天、大飞机、高分辨率对地观测等)航天与空间探测领域的重要基础和技术支撑。基于CMOS工艺的图像传感器由于具有单片集成、图像信息随机读取、低功耗、小体积、低成本等特点,成为当前可见光成像的主流器件。


三维集成的CMOS图像传感器芯片架构为构建智能化成像系统奠定了基础,模拟生物视觉感知机理的智能仿生图像传感器有效解决了分辨率和帧频不断提高的需求带来的感知与处理能力的挑战,同时还具有大动态范围、低数据冗余和低功耗等优势。


据麦姆斯咨询报道,近期,天津大学微电子学院徐江涛教授和程思璐助理工程师在《航天返回与遥感》期刊上发表了以“高光谱成像用高帧频CMOS图像传感器”为主题的综述文章。徐江涛教授主要从事CMOS图像传感器芯片与系统、电源管理电路、数字图像信号处理电路等方面的研究工作。


这项研究在分析了智能CMOS图像传感器成像机理,总结了智能CMOS图像传感器芯片类型,针对智能化成像与识别的关键性技术进行系统性回顾与综述,展望了该领域未来研究的可能发展方向,为抢占智能化CMOS图像传感器技术的制高点提供参考。


背照式(BSI)CMOS图像传感器和前照式(FSI)CMOS图像传感器的金属层和光电二极管位置刚好颠倒,背照式结构中光线直接照射在光电二极管层,量子效率大幅提高,有效增强了低照度环境下的成像品质,同时还可以抑制光入射角度变化导致的灵敏度下降的问题。背照式结构推动了一系列CMOS图像传感器技术的重大突破,其中最具里程碑意义的就是堆叠式CMOS图像传感器,并经历了一系列发展:第一代传统的背照式CMOS图像传感器、第二代采用硅通孔(TSV)技术的3D堆叠背照式CMOS图像传感器、第三代采用Cu-Cu连接技术3D堆叠背照式CMOS图像传感器。


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堆叠式CMOS图像传感器发展历程


模仿人类视觉系统的异步独立的感知方式,以脉冲电信号进行信息传递以及大量的并行和分层处理机制构造的视觉系统可实现如人类视觉般高效稳定的工作机制,基于这种仿生物的感知与处理方式的图像传感器被称为智能图像传感器。智能CMOS图像传感器芯片主要有:单片融合智能图像传感器、新型智能仿生图像传感器——动态视觉传感器、新型智能视觉芯片——脉冲型图像传感器以及新型智能视觉芯片——仿生复眼芯片。


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单片集成图像传感器芯片与单片融合智能CMOS图像传感器芯片架构示意


智能图像传感器的高效实现离不开智能化图像的读出与处理。传统智能视觉系统融合了图像传感与处理的功能,随着三维堆叠集成工艺发展,可将图像传感器和图像处理器集成入同一颗芯片中。除了传统基于硅基的融合手段外,目前科研人员也在研究基于新材料的像素端融合计算,如基于二维半导体材料WSe2-a实现可重构的感光阵列。


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基于WSe2-a实现可重构的感光阵列


智能CMOS图像传感器技术的研究已取得了阶段性的发展,但超越生物视觉系统性能目前还存在诸多问题和挑战。单片集成像素感知、计算处理电路大幅提升了系统的集成度,但仍然是“先感知,后计算”的方式,图像数据量和计算量没有发生变化。动态视觉传感器在像素中加入了减法操作,采用事件驱动方式大幅降低的数据量,但简单的减法操作也带来了图像中部分有效信息的损失,应用领域受限。二维半导体材料实现了光电感知与计算处理的融合,但其制作工艺上不能与标准CMOS工艺兼容。


智能CMOS图像传感器技术的后续研究应围绕以下两方面内容展开:(1)基于CMOS工艺的感算一体的智能图像传感器技术研究;(2)智能化图像信息处理压缩编码技术研究;(3)多传感信息融合的智能化图像感知与处理技术研究。


该项目获得国家自然科学基金(61774110)的支持。



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