【導讀】近年來，高性能智能化CMOS圖像傳感器芯片作為視覺信息獲取的核心部件，日益成為國家重大科技研究項目（如載人航天、大飛機、高分辨率對地觀測等）航天與空間探測領域的重要基礎和技術支撐。基于CMOS工藝的圖像傳感器由于具有單片集成、圖像信息隨機讀取、低功耗、小體積、低成本等特點，成為當前可見光成像的主流器件。
三維集成的CMOS圖像傳感器芯片架構為構建智能化成像系統奠定了基礎，模擬生物視覺感知機理的智能仿生圖像傳感器有效解決了分辨率和幀頻不斷提高的需求帶來的感知與處理能力的挑戰，同時還具有大動態范圍、低數據冗余和低功耗等優勢。
據麥姆斯咨詢報道，近期，天津大學微電子學院徐江濤教授和程思璐助理工程師在《航天返回與遙感》期刊上發表了以“高光譜成像用高幀頻CMOS圖像傳感器”為主題的綜述文章。徐江濤教授主要從事CMOS圖像傳感器芯片與系統、電源管理電路、數字圖像信號處理電路等方面的研究工作。
這項研究在分析了智能CMOS圖像傳感器成像機理，總結了智能CMOS圖像傳感器芯片類型，針對智能化成像與識別的關鍵性技術進行系統性回顧與綜述，展望了該領域未來研究的可能發展方向，為搶占智能化CMOS圖像傳感器技術的制高點提供參考。
背照式（BSI）CMOS圖像傳感器和前照式（FSI）CMOS圖像傳感器的金屬層和光電二極管位置剛好顛倒，背照式結構中光線直接照射在光電二極管層，量子效率大幅提高，有效增強了低照度環境下的成像品質，同時還可以抑制光入射角度變化導致的靈敏度下降的問題。背照式結構推動了一系列CMOS圖像傳感器技術的重大突破，其中最具里程碑意義的就是堆疊式CMOS圖像傳感器，并經歷了一系列發展：第一代傳統的背照式CMOS圖像傳感器、第二代采用硅通孔（TSV）技術的3D堆疊背照式CMOS圖像傳感器、第三代采用Cu-Cu連接技術3D堆疊背照式CMOS圖像傳感器。
堆疊式CMOS圖像傳感器發展歷程
模仿人類視覺系統的異步獨立的感知方式，以脈沖電信號進行信息傳遞以及大量的并行和分層處理機制構造的視覺系統可實現如人類視覺般高效穩定的工作機制，基于這種仿生物的感知與處理方式的圖像傳感器被稱為智能圖像傳感器。智能CMOS圖像傳感器芯片主要有：單片融合智能圖像傳感器、新型智能仿生圖像傳感器——動態視覺傳感器、新型智能視覺芯片——脈沖型圖像傳感器以及新型智能視覺芯片——仿生復眼芯片。
單片集成圖像傳感器芯片與單片融合智能CMOS圖像傳感器芯片架構示意
智能圖像傳感器的高效實現離不開智能化圖像的讀出與處理。傳統智能視覺系統融合了圖像傳感與處理的功能，隨著三維堆疊集成工藝發展，可將圖像傳感器和圖像處理器集成入同一顆芯片中。除了傳統基于硅基的融合手段外，目前科研人員也在研究基于新材料的像素端融合計算，如基于二維半導體材料WSe2-a實現可重構的感光陣列。
基于WSe2-a實現可重構的感光陣列
智能CMOS圖像傳感器技術的研究已取得了階段性的發展，但超越生物視覺系統性能目前還存在諸多問題和挑戰。單片集成像素感知、計算處理電路大幅提升了系統的集成度，但仍然是“先感知，后計算”的方式，圖像數據量和計算量沒有發生變化。動態視覺傳感器在像素中加入了減法操作，采用事件驅動方式大幅降低的數據量，但簡單的減法操作也帶來了圖像中部分有效信息的損失，應用領域受限。二維半導體材料實現了光電感知與計算處理的融合，但其制作工藝上不能與標準CMOS工藝兼容。
智能CMOS圖像傳感器技術的后續研究應圍繞以下兩方面內容展開：（1）基于CMOS工藝的感算一體的智能圖像傳感器技術研究；（2）智能化圖像信息處理壓縮編碼技術研究；（3）多傳感信息融合的智能化圖像感知與處理技術研究。
該項目獲得國家自然科學基金（61774110）的支持。
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