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超越人类的“电子眼”——视觉传感器

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超越人类的“电子眼”

如今，越来越多的电子产品采用基于CMOS技术的图像传感器作为“眼睛”。因为，与传统的电荷耦合元件（CCD）相比，CMOS图像传感器具有集成度高、功耗小、速度快、成本低、体积小等优点，最近几年在宽动态、低照度方面发展迅速。CMOS图像传感器最先走进人类生活，是从数码相机在家居生活中的普及开始。随着信息技术、半导体制造技术的迅速发展，CMOS图像传感器的应用领域逐渐扩大，几乎成了无处不在的“电子眼”。

CMOS图像传感器已成为数码相机和智能手机的标准配置，苹果公司新推出的iPhone 7 Plus更是配有双后置摄像头的智能手机。一些新兴的消费电子类应用，如无人机、机器人、虚拟现实（VR）和增强现实（AR）等，也离不开CMOS图像传感器这只“慧眼”。在汽车电子领域，CMOS图像传感器应用在高级驾驶辅助系统（ADAS），成为神奇的车辆视觉系统的关键信息采集“眼”。除此之外，在生产、安防、医疗和工业等市场中，CMOS图像传感器也拥有一席之地。

CMOS图像传感器的各种应用领域

索尼第五代CMOS图像传感器Exmor R演化至第六代CMOS图像传感器Exmor RS，采用“堆栈式”设计，尺寸更小，像素更高

如果说CMOS图像传感器主要捕捉人类视觉范围内的景象，那么红外成像传感器则大大超越人类的视觉范围，帮助人类看到平时无法看到的景象！红外线是波长比可见光要长的电磁波，具有明显的热效应，使人能感觉到却看不见。自然界的任何物体都是红外线辐射源，并时时刻刻向外界辐射红外光。

各种电磁波按照波长分布的示意图

红外成像传感器因具有“见所未见”的“特异”功能，主要应用于国防、汽车、安防、工业、医疗等领域。红外热成像技术最早就是被应用于军事领域，其强大的远距离探测能力、烟雾穿透的能力、夜间成像能力以及隐蔽观察的特性，非常适合军事侦察、、轻武器瞄准、快速搜索、火控、机载、舰载、单兵夜视系统等。随着红外热成像技术的深入研究，供应商的增多和价格的下降，红外成像传感器才逐渐走入民用领域。在汽车电子领域，长波红外（LWIR）技术的夜视摄像头已配置在高档汽车来提高驾驶员夜间行车的安全性。在安防领域，红外成像传感器可以克服人类视觉无法全天候无死角监控及恶劣天气下的大范围远距离监控的局限性，因此可以发现隐蔽物体及人体，可用于边防监控、城市监控、港口码头监控等。在工业领域，红外成像传感器可感知机器及材料的温度变化，抓住异常信息，为人类提供预防性维护提醒。在医疗领域，红外成像传感器通过人体发出的红外辐射，测量人体体温，通过体温的监测，来及时发现患有传染性疾病的人群。相信随着红外成像传感器和热成像仪的价格侵蚀将使得许多新应用成为可能，如智能手机、个人视觉系统（PVS）、智能楼宇、增强现实（AR）和机器人等，而且这部分市场有望带来红外成像传感器爆发性的市场增长。

“电子眼”是如何工作的？

CMOS图像传感器工作原理

CMOS图像传感器采用标准的CMOS工艺制作，主要结构包含：微透镜（Microlens）、彩色滤光器（Color filer）、金属连线（Color filer）、光电二极管（Photodiode）、硅金属氧化物半导体场效应晶体管（Si MOSFET）。

光源经由彩色滤光片照射光电二极管，光电二极管体内产生电子-空穴对。将电子-空穴对分离，并经MOSFET放大器将信号送至资料线。最后由处理电路处理后，输出影像。

CMOS图像传感器结构示意图

红外成像传感器工作原理

红外成像传感器主要分为两类——按感测原理可分为红外光子探测器和红外热探测器。

红外成像传感器的分类

（1）红外光子探测器：利用材料和电子间的相互作用，吸收被测物体表面发出的红外辐射。通过吸收电子产生的电能分布变化，输出红外探测信号。红外光子探测器每个单元对入射辐射能量的吸收具有波长选择性。红外光子探测器具有完美的信噪比和快速响应性能。但是，红外光子探测器的缺点是需要对其进行低温冷却。而冷却要求，是基于半导体光子探测器的红外系统获得广泛应用的主要障碍。因为这使得光子探测器红外系统变得庞大、笨重、昂贵，而且使用不便，因此在民用领域逐渐被红外热探测器取代。

（2）红外热探测器主要分为热释电、热电堆和微测辐射热计。

A．红外热释电传感器：热释电效应是指极化强度随温度改变而表现出的电荷释放现象，宏观上是温度的改变是在材料的两端出现电压或产生电流。但是，热释电材料在持续的红外辐射下，其输出的静态电压信号会减弱，需要对其进行周期性的刷新。热释电探测器可以实现大规模批量生产。它们凭借防盗系统和自动照明开关等应用，在消费类市场逐渐找到了切入口。

热释电效应形成原理

B．红外热电堆传感器：根据塞贝克效应，在两种不同材料的一端相连，另一端不相连，形成一对热电偶、当相连的一端受热温度增加时，会在材料的两端形成温度差，会在这两种材料组成的闭环电路中产生电流。当很多对热电偶串联时就形成热电堆，传感器通过对输出信号的处理就可以探测出最初的红外光源的强度和波长大小等特性。

塞贝克效应

C．微测辐射热计：一种电阻型热传感器。工作原理是吸收目标物体发出的红外热辐，在引起热敏材料发生温度变化时，热敏材料的电阻也将发生变化，从而产生相应的电学信号输出，然后还原图像信息。金属温度升高，电阻增加；半导体温度升高，电阻减小。目前，采用氧化钒半导体作为敏感材料制作的微测辐射热计，其性能最好。

微测辐射热计剖面示意图和顶部平面示意图

持续看好的“电子眼”市场

CMOS图像传感器方面：据Yole的数据，在移动设备和汽车应用的驱动下，2015年~2021年，CMOS图像传感器（CIS）产业的复合年增长率为10.4%，预计市场规模将从2015年的103亿美元增长到2021年的188亿美元，持续保持高速增长。索尼（Sony）是市场、生产和技术的领导者。三星（Samsung）和豪威科技（Omnivision）一直保持着强有力的竞争实力。

2015年全球CMOS图像传感器厂商排名、营收及市场份额

红外成像业务主要由商业市场驱动，并将继续扩大市场规模。展望未来五年，商业市场出货量的复合年增长率为16.8%，到2021年将占整个红外市场规模的92%份额。商业市场主要有三大领域：热像仪（预计2021年出货量将达52.1万台）、汽车（预计2021年出货量将达28.4万台）、监控（预计2021年出货量将达24.8万台）。新的消费类应用市场将有显著增长，如智能手机和个人视觉系统（PVS），预计2021年将达到26.1万台。

2015年和2021年的非制冷红外热像仪的市场规模对比

经过漫长的“两强竞争（FLIR和ULIS）”岁月，非制冷红外市场将迎来“百家争鸣，百花齐放”的局面，其中包括多家重要的传感器供应商（如Bosch和Mikrosens）和中国竞争对手（如高德红外、森霸光电、艾睿光电、北方广微、大立微电子、巨哥电子、国惠光电）。这些新进入者没有采用微测辐射热计技术，而是选择了热释电、热电堆或热电偶技术，并努力寻找降低成本的方式实现大批量生产。

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