【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。基於CMOS工藝的圖像傳感器由於具有單片集成、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(tu)像(xiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)芯(xin)片(pian)架(jia)構(gou)為(wei)構(gou)建(jian)智(zhi)能(neng)化(hua)成(cheng)像(xiang)係(xi)統(tong)奠(dian)定(ding)了(le)基(ji)礎(chu)，模(mo)擬(ni)生(sheng)物(wu)視(shi)覺(jiao)感(gan)知(zhi)機(ji)理(li)的(de)智(zhi)能(neng)仿(fang)生(sheng)圖(tu)像(xiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)有(you)效(xiao)解(jie)決(jue)了(le)分(fen)辨(bian)率(lv)和(he)幀(zhen)頻(pin)不(bu)斷(duan)提(ti)高(gao)的(de)需(xu)求(qiu)帶(dai)來(lai)的(de)感(gan)知(zhi)與(yu)處(chu)理(li)能(neng)力(li)的(de)挑(tiao)戰(zhan)，同(tong)時(shi)還(hai)具(ju)有(you)大(da)動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)
、低數據冗餘和低功耗等優勢。

據麥姆斯谘詢報道，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圖像傳感器芯片與係統
、電源管理電路
、數字圖像信號處理電路等方麵的研究工作。

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tu像xiang傳chuan感gan器qi芯xin片pian類lei型xing，針zhen對dui智zhi能neng化hua成cheng像xiang與yu識shi別bie的de關guan鍵jian性xing技ji術shu進jin行xing係xi統tong性xing回hui顧gu與yu綜zong述shu，展zhan望wang了le該gai領ling域yu未wei來lai研yan究jiu的de可ke能neng發fa展zhan方fang向xiang，為wei搶qiang占zhan智zhi能neng化huaCMOS圖像傳感器技術的製高點提供參考。

背照式（BSI）CMOS圖像傳感器和前照式（FSI）CMOS圖tu像xiang傳chuan感gan器qi的de金jin屬shu層ceng和he光guang電dian二er極ji管guan位wei置zhi剛gang好hao顛dian倒dao
，背bei照zhao式shi結jie構gou中zhong光guang線xian直zhi接jie照zhao射she在zai光guang電dian二er極ji管guan層ceng，量liang子zi效xiao率lv大da幅fu提ti高gao
，有you效xiao增zeng強qiang了le低di照zhao度du環huan境jing下xia的de成cheng像xiang品pin質zhi，同tong時shi還hai可ke以yi抑yi製zhi光guang入ru射she角jiao度du變bian化hua導dao致zhi的de靈ling敏min度du下xia降jiang的de問wen題ti。背bei照zhao式shi結jie構gou推tui動dong了le一yi係xi列lieCMOS圖像傳感器技術的重大突破
，其中最具裏程碑意義的就是堆疊式CMOS圖像傳感器
，並經曆了一係列發展：第一代傳統的背照式CMOS圖像傳感器、第二代采用矽通孔（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圖像傳感器發展曆程

模(mo)仿(fang)人(ren)類(lei)視(shi)覺(jiao)係(xi)統(tong)的(de)異(yi)步(bu)獨(du)立(li)的(de)感(gan)知(zhi)方(fang)式(shi)，以(yi)脈(mai)衝(chong)電(dian)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)信(xin)息(xi)傳(chuan)遞(di)以(yi)及(ji)大(da)量(liang)的(de)並(bing)行(xing)和(he)分(fen)層(ceng)處(chu)理(li)機(ji)製(zhi)構(gou)造(zao)的(de)視(shi)覺(jiao)係(xi)統(tong)可(ke)實(shi)現(xian)如(ru)人(ren)類(lei)視(shi)覺(jiao)般(ban)高(gao)效(xiao)穩(wen)定(ding)的(de)工(gong)作(zuo)機(ji)製(zhi)，基(ji)於(yu)這(zhe)種(zhong)仿(fang)生(sheng)物(wu)的(de)感(gan)知(zhi)與(yu)處(chu)理(li)方(fang)式(shi)的(de)圖(tu)像(xiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)被(bei)稱(cheng)為(wei)智(zhi)能(neng)圖(tu)像(xiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)。智(zhi)能(neng)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——脈衝型圖像傳感器以及新型智能視覺芯片——仿生複眼芯片。

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(zhi)能(neng)圖(tu)像(xiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)高(gao)效(xiao)實(shi)現(xian)離(li)不(bu)開(kai)智(zhi)能(neng)化(hua)圖(tu)像(xiang)的(de)讀(du)出(chu)與(yu)處(chu)理(li)。傳(chuan)統(tong)智(zhi)能(neng)視(shi)覺(jiao)係(xi)統(tong)融(rong)合(he)了(le)圖(tu)像(xiang)傳(chuan)感(gan)與(yu)處(chu)理(li)的(de)功(gong)能(neng)，隨(sui)著(zhe)三(san)維(wei)堆(dui)疊(die)集(ji)成(cheng)工(gong)藝(yi)發(fa)展(zhan)，可(ke)將(jiang)圖(tu)像(xiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)圖(tu)像(xiang)處(chu)理(li)器(qi)集(ji)成(cheng)入(ru)同(tong)一(yi)顆(ke)芯(xin)片(pian)中(zhong)。除(chu)了(le)傳(chuan)統(tong)基(ji)於(yu)矽(gui)基(ji)的(de)融(rong)合(he)手(shou)段(duan)外(wai)，目(mu)前(qian)科(ke)研(yan)人(ren)員(yuan)也(ye)在(zai)研(yan)究(jiu)基(ji)於(yu)新(xin)材(cai)料(liao)的(de)像(xiang)素(su)端(duan)融(rong)合(he)計(ji)算(suan)，如(ru)基(ji)於(yu)二(er)維(wei)半(ban)導(dao)體(ti)材(cai)料(liao)WSe2-a實現可重構的感光陣列。

基於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
，但超越生物視覺係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係統的集成度，但仍然是“先感知，後計算”的(de)方(fang)式(shi)，圖(tu)像(xiang)數(shu)據(ju)量(liang)和(he)計(ji)算(suan)量(liang)沒(mei)有(you)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)。動(dong)態(tai)視(shi)覺(jiao)傳(chuan)感(gan)器(qi)在(zai)像(xiang)素(su)中(zhong)加(jia)入(ru)了(le)減(jian)法(fa)操(cao)作(zuo)
，采(cai)用(yong)事(shi)件(jian)驅(qu)動(dong)方(fang)式(shi)大(da)幅(fu)降(jiang)低(di)的(de)數(shu)據(ju)量(liang)，但(dan)簡(jian)單(dan)的(de)減(jian)法(fa)操(cao)作(zuo)也(ye)帶(dai)來(lai)了(le)圖(tu)像(xiang)中(zhong)部(bu)分(fen)有(you)效(xiao)信(xin)息(xi)的(de)損(sun)失(shi)
，應(ying)用(yong)領(ling)域(yu)受(shou)限(xian)。二(er)維(wei)半(ban)導(dao)體(ti)材(cai)料(liao)實(shi)現(xian)了(le)光(guang)電(dian)感(gan)知(zhi)與(yu)計(ji)算(suan)處(chu)理(li)的(de)融(rong)合(he)，但(dan)其(qi)製(zhi)作(zuo)工(gong)藝(yi)上(shang)不(bu)能(neng)與(yu)標(biao)準(zhun)CMOS工藝兼容。

智能CMOS圖像傳感器技術的後續研究應圍繞以下兩方麵內容展開：（1）基於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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