前言

在2018年度的國際固態電路會議(ISSCC)上，有幾項在圖像傳感器技術方面的新進展亮相，超越了以前著重在“選美”的圖像擷取，添加了更多情境信息；這些新進展包括了事件導向(event-driven)傳感器、能解決運動中物體圖像扭曲問題的全局快門(global shutters)新方法，以及飛行時間(ToF)圖像傳感器。

具備動作偵測功能的CMOS圖像傳感器

? ? ? Sony的事件導向傳感器具備像素數組、列驅動器(row drivers)、列譯碼器(row decoders)、單斜率產生器(single-slope generation)、動作/光偵測功能區塊、圖像信號處理器、訊框內存SRAM、MIPI鏈接端口，以及連結至傳感器控制區塊的CPU （來源：Sony）

Sony事件導向傳感器功能區塊?

ToF傳感器技術進展

3D深度攝影機正夯，相關技術的競爭焦點在于更高分辨率、更低功耗以及更小體積；微軟(Microsoft)在ISSCC簡報了應用于Kinect 2動作感測設備的ToF傳感器進展，該傳感器采用的是經過改善的連續波(Continuous-Wave，CW)式ToF技術，號稱將最新的ToF傳感器推向了百萬像素等級。

Microsoft的最新ToF傳感器?

Microsoft的ToF傳感器規格?

小型像素(3.5 x 3.5μm)對新一代ToF傳感器在智能手機應用的競爭上非常重要，Microsoft號稱其方案具備商用全局快門RGB傳感器競爭力，以及適用手持式設備的小型光學堆棧；該公司在ISSCC論文中介紹的1024x1024像素ToF全局快門圖像傳感器，能在200MHz下達到87%的調變對比，采用臺積電(TSMC)的65奈米1P8M背照式CMOS技術。

像素內噪聲消除

松下(Panasonic)在ISSCC展示其有機光導薄膜(organic photoconductive film，OPF) CMOS圖像傳感器技術最新進展──將OPF CMOS圖像傳感器中的光電轉換功能與電路分離；藉由這種獨特架構，該公司團隊將新開發的高速噪聲消除技術以及高飽和度技術整合至電路，同時利用傳感器的獨特敏感度控制功能來改變施加到OPF的電壓，因此實現全局快門功能。

OPF CMOS圖像傳感器與傳統全局快門傳感器的架構比較；Panasonic聲稱其最新傳感器是業界首款提供8K分辨率、60fps訊框速率、450k電子飽和度，并具備全局快門功能 （來源：Panasonic）

在過去，廣播電視與保全應用的高分辨率、高保真度攝影機，如8K超高分辨率電視系統與采用堆棧傳感器方案的8K攝影機的共同缺陷，是采用滾動快門(rolling-shutter)而非全局快門。在全局模式下，快門運作能同步擷取所有像素的圖像；而滾動快門模式的有機CMOS圖像傳感器，則是以逐行(row by row)方式曝光與運作。

Panasonic表示，滾動快門會導致失真問題，特別是在高速成像以及多視角圖像合成應用時?

Panasonic新開發的傳感器號稱能實時擷取不失真的運動物體圖像，該公司認為這對多視角與高速、高分辨率攝影機特別有益，例如機器視覺與智能交通監控系統的應用；而因為光電轉換與電路能分開設計，利用像素內增益開關(in-pixel gain-switching)技術能達到高飽和度特性，電壓控制敏感度調變技術則是藉由改變施加至OPF的電壓來調整敏感度。

Panasonic新開發的CMOS圖像傳感器能擷取8K分辨率圖像，甚至在高對比度度的場景中，同時具備全局快門功能，可用全像素擷取同步圖像 （來源：EE Times）

支持200公尺距離的成像光達

車用光達系統的偵測距離要求以及Toshiba的解決方案規格?

Toshiba介紹了一種結合時間至數字值轉換器(Time-to-Digital Converter，TDC)與模擬數字轉換器(ADC)的光達SoC，配備了一種命名為智能累加技術(Smart Accumulation Technique，SAT)的功能，號稱能讓光達系統達到200公尺的視距以及自動駕駛車輛需要的高分辨率圖像。

根據Toshiba的說法，SAT能利用來自ADC的強度與背景光信息，識別并累計僅從目標物反射的數據，因此與傳統的累加技術相較，其分辨率能達到四倍。該TDC/ADC組合架構放寬了ADC采樣率需求，以支持短距離DM精確度；此外該概念驗證支持200公尺距離的光達系統，DM距離是傳統設計的兩倍，可實現240x96像素分辨率與0.125%的DM精確度。

Toshiba光達方案與傳統設計的性能比較?

像素平行接合技術

不只Panasonic，Sony也注意到滾動快門圖像傳感器擷取運動物體圖像失真的問題，指出像素內模擬內存(in-pixel analog memory)與像素平行(pixel-parallel) ADC雖是潛在解決方案，但這些技術都無法支持百萬像素分辨率，因為它們都沒有解決在一個像素中讀寫ADC數字訊號的時序限制(timing constraint)問題。

Sony在ISSCC論文中提出的方案，是利用具備每像素單一ADC的堆棧圖像傳感器，在CMOS傳感器實現全局快門??

Sony的堆棧式背照CMOS圖像傳感器，配備146萬像素14位ADC，采用像素級接合技術(pixel-level bonding technology)。該公司表示，具備正向回饋電路的次臨界值比較器(subthreshold comparator)有助于降低比較器運作電流與電路區域最小化，能降低功耗。