领略新兴视觉传感风采，突破人类眼睛感知极限
2022-07-02 08:16:32   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

学习借鉴并超越人类感觉器官是业界孜孜不倦追求的方向，各种新兴视觉传感器技术层出不穷，涉及更宽的电磁波频率（光谱）范围、更高的空间和时间分辨率、更高的灵敏度和动态范围，以及更多的电磁波信息（例如偏振）。为了探寻视觉传感的奥秘，麦姆斯咨询邀请拥有丰富实践经验的科研学者及企业家，于2022年5月开办了《第42期“见微知著”培训课程：新兴视觉传感器技术》，为大家深入讲解了视觉传感器发展之路及近期涌现出的新技术、新架构、新产品。

课程一：图像传感器技术综述

老师：北京与光科技有限公司 首席运营官 黄志雷

图像传感器是机器感知外界光线的“眼睛”，是将光信号按一定规律变换成电信号的换能器。长期从事光声晶体和光谱芯片在场景应用方面的研究工作的与光科技黄志雷博士带来了《图像传感器技术综述》课程。首先，黄博士从图像传感技术的起源入手，详细介绍了图像传感器的发展历程。黄博士表示，在机器视觉追赶人类视觉的历程中，CCD和CMOS图像传感器的研发和不断革新对机器视觉来说意义重大。随后，黄博士重点解析了CMOS图像传感器机构、工艺路线、工作原理、信号处理过程、生产过程以及市场发展趋势。黄博士表示，基于技术创新和应用创新两条主线，CMOS图像传感器的发展趋势一定是沿着多波段、高光谱、集成人工智能以及事件视觉等多个方向不断前进。在对新兴图像传感器的讲解中，黄博士综述了短波红外图像传感器、量子点图像传感器、事件驱动视觉传感器、偏振图像传感器和3D视觉传感器，为后续细分课程起到提纲携领的作用。最后，黄博士以与光科技CMOS光谱芯片技术方案为例，剖析了光谱成像技术及应用前景。

课程二：基于事件的视觉传感器技术发展及应用落地

老师：南方科技大学 教授 / 锐思智芯科技有限公司 首席科学家 刘晓光

基于事件的视觉传感器（EVS）是基于帧的CMOS图像传感器的有效补充，锐思智芯的核心技术在于将基于事件的仿生视觉技术与CMOS图像传感器集成，可同时输出帧图像信号和事件流信号。刘晓光教授在高频高速集成电路与光电集成电路系统的设计和实现相关领域拥有超过15年的科研及产业经验，在课程中从技术和应用角度详解了基于事件的视觉传感器。刘教授首先从传统CMOS图像传感器基本原理入手并引出其痛点。刘教授表示，传统CMOS图像传感器在视觉人工智能应用领域的突出痛点包括：运动模糊、冗余数据量大、功耗高、算力消耗大、动态范围窄，而基于事件的视觉传感器（EVS）则可以显著弥补其不足。随后，刘教授通过多组EVS特性示例，有力地体现出EVS的突出优势。在对EVS的讲解中，刘教授从基本原理、数字模型、电路实现、从事件流信息重建图像等关键技术要点剖析，并用实际案例分析了EVS暗光性能、高动态范围等突出特点。在对锐思智芯“融合视觉Hybrid Vision”的讲解中，刘教授重点分析了Hybrid Vision与其他纯EVS的区别、技术优势以及应用场景，同时分析了全球首款融合式仿生视觉传感器芯片ALPIX – Pilatus关键技术指标。

课程三：面向智能持续感知的“传感-计算”共融架构和芯片

老师：清华大学 副研究员 乔飞

设计和实现具有持续智能感知能力的集成物联网节点是实现各种终端设备智能化的必由之路，也是解决当前物联网系统功耗、实时性和安全隐私性难题的关键技术。乔飞老师在该领域拥有近20年的基础理论研究和关键芯片设计技术积累，为大家倾情讲授了《面向智能持续感知的“传感-计算”共融架构和芯片》课程。该课程主要分为两大部分，第一部分由乔老师为大家详细分析面向持续感知的“感算共融”技术概述和近传感技术体系，第二部分由乔老师的助教许晗博士介绍极致低功耗的智能视觉感知和传感器内计算技术体系。乔老师的课程主要从“传感-计算”共融持续感知架构、面向智能视觉持续感知的应用和设计实现、“传感+计算一体”混合信号电路设计与优化以及面向智能持续感知的技术与应用几方面进行讲授，并重点解析了“近传感计算技术体系”的架构、电路实现，设计方法和芯片验证。乔老师表示未来的智能传感器将广泛用于机器人、可穿戴设备、物联终端等机器，因而实现随时随地多模态融合感知和新兴计算范式是发展的大趋势。许晗博士的课程主要从解决智能视觉感知的功耗等实际应用问题入手，详解了感算融合芯片的核心芯片架构及应用优势。

课程四：短波红外InGaAs焦平面探测器

老师：中国科学院上海技术物理研究所 研究员 李雪

短波红外InGaAs焦平面探测器具有探测率高、均匀性好等优点，其是发展小型化、低功耗和高可靠性短波红外光电系统的理想选择之一。李雪研究员长期从事航天遥感用新型短波红外焦平面探测器组件以及红外组件集成技术，具有丰富的科研经验。李老师的授课内容可以凝练为一句话：源于物理、始于材料、成于器件、用于组件。李老师首先从“源于物理”入手，分析了红外光电探测器以及短波红外InGaAs焦平面探测器的物理底层意义。李老师分析道，InGaAs焦平面探测器在夜视增强、细节识别、透雾/透烟能力、伪装识别等方面独具优势。随后，李老师基于“始于材料、成于器件”，详解了InGaAs材料特点和外延生长技术，并从材料、核心器件、电路、读出电路及封装等角度分析了InGaAs探测器关键特性指标的根本来源和解决方法。在李老师看来，在InGaAs探测器制造标准工艺中，成结技术（扩散和刻蚀）、表面钝化、欧姆接触以及混成工艺（铟柱制备和互联耦合）是其中最为关键的工艺技术。在对短波红外InGaAs焦平面探测器展望中，李老师表示，InGaAs焦平面探测器将颠覆传统强度探测、颠覆传统模块组装、颠覆传统被动探测，向多维模式、一体化、曲面化、自适应、智能化等方向发展。

课程五：量子点红外探测器及焦平面阵列

老师：北京理工大学 教授 唐鑫

量子点红外探测器具有对垂直入射光敏感、暗电流小、载流子寿命长、工作维度和响应率高等优势，也是新兴视觉传感器技术的重要组成部分。唐鑫教授长期从事新型胶体量子点红外探测器及焦平面阵列的研究及系统开发工作，围绕胶体量子点的新型光电器件构筑、焦平面制备以及多光谱红外成像等难题取得了一系列突破性研究成果。唐教授的课程从胶体量子点的基本性质入手，突出了胶体量子点带隙可通过其尺寸进行调节的特点。随后，唐教授重点解析了七大胶体量子点探测器的制备技术路线，并从材料层面、器件层面分析了其中面临的挑战和解决方案。唐教授表示，为了进一步攻克材料均匀性问题、为大阵列焦平面提供工艺基础，需要解决大面积均匀成膜的制备技术。接着，唐教授剖析了多光谱及高光谱胶体量子点探测技术主要有四大技术路线：块体/量子点耦合、异带隙量子点耦合、平面耦合技术和滤光耦合技术。唐教授还重点介绍了其创新理论“背靠背”双光电二极管原理解决双色器件概念。在对红外技术发展趋势和挑战进行解读后，唐教授主要从探测器窄带带内跃迁、偏振探测、多波段红外融合成像技术以及产业化几方面对胶体量子点成像技术的发展做了详细探讨。唐教授总结道，红外胶体量子点的优势在于制备成本低、覆盖波段全以及阵列规模大，其自研团队已在新型量子点器件探索上获得了诸多成果。

课程六：基于低维半导体材料的智能红外感知器件

老师：电子科技大学 教授 巫江

自石墨烯被成功制备以来，低维材料因其独特的性质吸引了广泛的关注。其中，III-V低维半导体材料是构建高性能、宽光谱光电探测器的良好选择。巫江教授长期从事化合物半导体外延生长机理、低维结构中关于物质作用、以及量子结构光电器件特性与性能等问题的研究工作，具备丰富的理论功底。课程之初，巫教授就点明了III-V低维半导体材料和新型低维半导体材料在红外探测器发展中的重要地位，讲解了体材料、量子阱以及量子点等低维半导体材料的特点，并分析了不同器件及应用对二维材料的要求。巫教授重点剖析了III-V低维半导体红外探测器和新型低维材料红外探测器的制备工艺及应用，巫教授表示：新型红外量子点材料的研发和应用符合发展的趋势，有望将传感器成本降低到硅芯片的成本，同时为探测器的制造提供更多的模式。在对智能红外感知器件的介绍中，巫教授对其设计和制造的关键技术细节进行详细阐述。在谈及智能红外感知器件技术展望时，巫教授从材料体系、器件体系、电路融合和组件体系四方面进行了讲述，帮助大家描绘了低维半导体材料+智能感知器件的雄伟蓝图。

课程七：CMOS太赫兹图像传感器

老师：中国科学院半导体研究所 研究员 刘力源

太赫兹波成像技术作为一种新型无损成像技术正在兴起，在生物医学、医疗诊断、安全检测、危险物品检查、隐形武器探测、材料表征和探伤等方面具有非常广阔的应用前景。刘力源研究员长期从事CMOS太赫兹波图像传感器和视觉芯片研究。刘老师先对太赫兹成像的基础概念和主要应用进行了简单介绍，随后重点分析了CMOS自混频探测器，并解释了CMOS工艺集成片上贴片天线会有金属长宽过大、金属密度低等DRC规则问题及其解决方案。同时，刘老师还提到精确建模太赫兹天线的方法：利用基于不同CMOS工艺顶层介质层的覆盖方式。在对CMOS自混频探测器的读出电路的讲解中，刘老师强调了设计低噪声读出电路的重要性，并从设计原理、架构实现、关键电路和调制器的设计要点等方面解析。在剖析CMOS太赫兹图像传感器的设计和测试内容时，刘老师着重分析了几种常见的太赫兹图像传感器架构和测试效果。课程最后，刘老师在坦言，CMOS太赫兹图像传感器技术的突破点还有许多：在太赫兹片上光源投入更多精力，在像素结构的高响应率、大面阵和低噪声的方面提出多元化解决方案，读出电路未来可向积分型读出发展，发展针对太赫兹成像的智能化处理器。

课程八：ToF图像传感器

老师：宁波飞芯电子科技有限公司 CEO 雷述宇

ToF图像传感器是3D成像和传感技术的核心器件之一，在智能手机、自动驾驶汽车、机器人、智能眼镜、智能家居、智慧安防等领域都拥有广阔的发展前景。拥有20余年研发和产品设计经验，百余项发明专利的飞芯电子雷述宇博士为学员带来了精彩纷呈的ToF图像传感器“知识大餐”。凭借其对技术的深度理解，雷博士从3D深度视觉的底层物理角度剖析了ToF图像传感器技术，从测距手段、探测原理、调制载体及手段、核心光电器件、探测模式等方面全方位解析了iToF与dToF的异同，让学员从原理层面对ToF图像传感器形成了清晰认知。在对iToF和dToF的关键技术讲授中，雷博士对二者的读出电路、像素器件及电路、dToF的光子探测效率（PDE）和Jitter指标、VCSEL、接收端镜头、发射端镜头、ToF模组组装和测试等关键技术进行了深入剖析。课程最后，雷博士对ToF模组的结构、ToF模组厂商及产业链做了分析，并且剖析了典型的ToF模组在智能手机、智能家居和激光雷达等应用方案。雷博士认为，RGB传感器与ToF传感器功能的集成方案将成为未来车载激光雷达传感器的发展方向。

课程九：基于SPAD的ToF传感器

老师：深圳市灵明光子科技有限公司 联合创始人兼总裁 贾捷阳

SPAD是ToF传感器的核心探测元件之一，而基于SPAD的dToF传感器及其各类应用是灵明光子的主研技术方向。灵明光子的联合创始人贾捷阳博士拥有10年以上高效率光电器件与半导体材料科研经验，为学员们深度解析了基于SPAD的ToF传感器核心技术。贾博士首先从深度传感器核心性能指标分析了dToF传感器在各类深度传感器中的优势。贾博士表示，dToF传感器同时在核心功能和可搭载性上表现优异，具备优异的测距能力+广泛的应用范围。随后，贾博士从单光子探测器的器件原理入手，详细分析了SPAD在PD和APD等光子探测器中的明显优势——高探测灵敏度、皮秒级的动态响应速度。而将SPAD并联、共用输出端口所产生的硅光子倍增管（SiPM）广泛应用于汽车激光雷达，配置每个SPAD独立读取电路所产生的单光子成像传感器（SPADIS）则是消费电子3D成像的核心。接着，贾博士分享了SPAD设计的核心性能参数及制造工艺，并介绍了其研发团队对dToF芯片的光子计数方法和解算方法。在对“基于dTof的深度解析”讲解中，贾博士从四大模式、dToF成像芯片的SPADIS架构、3D堆叠技术等方面进行重点剖析。课程最后，贾博士还为学员深入分析了如汽车激光雷达、智能手机3D摄像头等实用化的SPAD dToF传感应用，贾博士感叹，如今dToF传感应用越来越多元化，这也促进了技术迭代和产业发展。

课程十：硅基集成光学传感器及应用

老师：山东大学 教授 陶继方

利用硅基集成光电子平台集成多种光学传感器，具有低成本、高集成度等诸多优点。陶继方教授在硅基微纳光电子器件的设计、制造和封装以及该器件在智能传感领域应用方面拥有多年实战经验。陶教授首先从硅基集成光学传感器研究背景入手，为大家梳理了光波导、倏逝场、硅光子敏感单元以及硅光芯片的常见工艺。随后，陶教授逐一深入剖析了挥发性有机化合物（VOC）传感器、光子露点湿度传感器、集成红外气体传感器以及其他硅基集成光学传感器的关键技术，主要对比分析了器件工作原理及测量结果，同时还结合潜在应用及对市场的发展趋势进行分析。在对气体传感器尺寸、功耗、制造工艺及价格的对比中，陶教授总结道：气体传感器市场非常集中，产业格局正处于大调整中。在对生物传感器、光学陀螺仪、磁强计、压力及温度传感器的解析中，陶教授与学员们分享了自己的经验和独到的见解。

由麦姆斯咨询主办的《第42期“见微知著”培训课程：新兴视觉传感器技术》至此圆满落幕，十个精彩的主题课程获得了学员们的好评，这既是对我们的肯定，更是对我们的激励——促使我们更加充实有意义地为MEMS和传感器产业提供全方位的咨询服务。我们也希望课程引发的深度思考能够助力企业创新与发展。当前，视觉传感器技术呈现“百花齐放，百家争鸣”的繁华景象，麦姆斯咨询愿意“抛砖引玉、牵线搭桥”——为学术与产业的融合发展贡献自己的力量。