CMOS发明人公布更好代替品,独具慧眼

2019-11-03 23:29栏目:通讯产品
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  光子 (Photon),也就是光线的最基本单位,如果感光元件连一粒光子都可以感应到,并因此释放电子讯息,那就是极为惊人的敏感度。而美国科学家Eric Fossum则正与Jiaju Ma研发这种革命性的感光元件Quanta Image Sensor (QIS),前者就是被视为CMOS的发明人,因为他在1993年于文件正式提出及发展此技术,而目前世上大多数相机及手机,都已使用CMOS这种感光元件,QIS会是我们的未来吗?

据麦姆斯咨询报道,达特茅斯学院的一个工程师团队开发出一款创新的图像传感器芯片。有朝一日,它可以使您的智能手机摄像头具有超级敏锐的“眼光”,即便是一位超级英雄也会无比羡慕。

8月23日消息,随着人工智能开始走向应用,在手机终端、智能家居、工业机器人以及未来无人驾驶等领域的逐步普及,未来智能终端对真实环境的准确感知变得尤为重要。作为机器三维视觉的重要传感器,基于激光脉冲飞行时间的三维图像传感器相比较传统的二维图像传感器提供额外维度的感知,赋予智能终端更加精确高效的环境场景捕捉能力。

7月26日,日本气味传感器创新开发商Aroma Bit成立了一家新子公司,新公司将硅基CMOS传感器衬底开发下一代气味传感器,具有超紧凑、高分辨率和低成本的优势。其技术通过将Aroma Bit开发的气味传感器接收膜技术,结合丰桥技术科学大学及相关企业开发的超灵敏硅基CMOS离子成像传感器技术而实现。

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该新型图像传感器来自达特茅斯学院Eric Fossum教授及其团队,能够以数千fps帧速和一百万像素分辨率捕获单个光子并进行计数。即使在光线不足的情况下,该传感器也能实现高灵敏度、高质量、易于操作的数字成像、3D成像以及计算机视觉,让成像设备“独具慧眼”。

然而,目前基于脉冲飞行时间的ToF测距三维成像成本居高不下,成为了制约人工智能发展的一个障碍。典型的案例就是目前用于无人驾驶的激光雷达。同样是基于ToF激光测距原理,但是由于分离芯片和器件的设计方式,64线的测距激光雷达将大量的分离器件和芯片拥挤在一个狭小的腔体空间,难以解决成本、功耗、散热和稳定可靠性的诸多量产难题。

可嵌入智能手机的气味传感器,在1平方毫米的芯片上实现了与狗鼻相当的超高分辨率

  资料指出,我们看见东西,就是因为光子刺激到我们的神经并变成大脑讯息,而QIS则会使每颗像素变得极端地细小,好让一像素对应一光子,让光子打破半导体内硅原子的化学键,并转化为电子。于是与目前CMOS相同尺寸下的感光元件,将会变成以10亿像素计,而同时读取速度会以Tb/秒来计算,至于光敏度当然会大幅提升,所谓低光表现的定义将会彻底改写。

这不是Eric Fossum教授孕育的第一项成像技术,早在二十五年前,他在美国国家航空航天局喷气推进实验室工作时,就开发出CMOS图像传感器技术。

据麦姆斯咨询介绍,针对当前的行业痛点,芯视界发布了全球领先的基于单光子探测的激光测距ToF图像传感器芯片。该芯片在低成本CMOS工艺上实现了超高灵敏度、高分辨率单光子探测阵列,集成了自主研发的超高精度测距电路和抗干扰数字算法。相比较于目前修改CMOS像素图像传感器而实现的间接ToF三维测距,基于单光子像素阵列的直接ToF拥有超高的光电探测灵敏度,实现低激光功率下的远距离探测,降低整体系统的功耗和成本。

Aroma Bit已经开发并正在销售采用石英晶体微天平传感器衬底的紧凑型气味传感器,在传感器市场上展现了超高的灵敏度。不过,利用传统QCM型气味传感器进一步缩小尺寸、降低成本以满足智能手机等大批量应用颇具挑战。

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CMOS发明人公布更好代替品,独具慧眼。Eric Fossum教授说:“每年约有40亿颗集成CMOS图像传感器的摄像头被生产出来。CMOS图像传感器将光信号转换为电信号,可以对其进行处理形成数字图像。”

365bet亚洲官方网站,南京芯视界在单光子测距技术和实用性上处于世界领先地位。该公司成立于2018年5月,公司拥有领先世界的光电转换器件设计和单光子探测成像技术,主营ToF三维图像传感芯片和大数据中心超高速光电互联芯片解决方案。该公司研发的芯片产品可广泛应用于汽车辅助/自动驾驶、机器人定位导航、手机三维成像、空间环境测绘、安保安防等领域,为整机厂商和模组厂商提供测距和三维成像的芯片级解决方案。

采用新开发的硅基CMOS气味传感器,可实现超紧凑、高气味分辨率和低成本,并能够嵌入智能手机及其它物联网设备。例如,采用新型传感器衬底的1平方毫米芯片,可实现相当于狗鼻子的分辨率。

  至于目前研究的挑战之一,就是怎样处理光子刺激出的电子量,在低光环境下尤其重要;另外就是考虑如何放进市场上的消费级CMOS,即是将之变成商品化及民用化,另外也包括其他重要的研究如生物科研 (显微镜之类) 等。

Eric Fossum教授将他的新技术称为量子图像传感器,并将QIS芯片内的最小单元称为“映像点”,而不是“像素”,每个映像点都可以探测到单个光子。

芯视界在激光雷达芯片领域的主要竞争优势有:

凭借这款新传感器衬底技术,Aroma Bit现在拥有了两种技术组合:传统超高灵敏度的QCM型传感器衬底技术,以及超高分辨率、超紧凑、低成本的硅基CMOS传感器衬底技术。两种技术的结合,为Aroma Bit提供了极具竞争力的传感器技术组合,兼具了气味传感器的两个关键性能:即传感器灵敏度和气味分辨率。因此,新型传感器的补充,有望进一步增强Aroma Bit在紧凑型气味传感器领域的竞争优势。

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Eric Fossum教授继续说道:“因为QIS对单个光子敏感,所以它具有令人艳羡的‘视力’,可以在微弱的光线下看到物体。例如,圣诞树上的一颗装饰灯泡,每秒产生的光子数量就高达10^19个,由此可以想想一个光子有多暗淡!”

1. 基于低成本CMOS工艺的SPAD单光子探测阵列芯片,性价比高。芯片采用直接ToF的探测方式,相对于间接ToF或相干光方式,具有功耗低、系统简单、探测距离远、精度高等优势。

Aroma Bit将气味探测转换为视觉模型

也有些人开发了其它可以探测单光子的芯片,但是这些芯片通常需要特殊的冷却设备,并且造价昂贵。Eric Fossum教授的QIS芯片可以在室温下工作,使用标准的半导体制造设备,工艺与CMOS图像传感器兼容。因此,该项技术更容易被工业界所采用,并实现大规模量产。

2. 单光子探测新技术大幅提升了接收器的灵敏度,发送端的激光器数量和功率大幅降低。

目前,Aroma Bit还在进一步加速开发其数字气味数据库,或基于其硬件竞争优势的气味大数据。通过传感器硬件结合气味数据库,Aroma Bit确保了在不断增长的数字嗅觉市场中的领先地位,从而实现其“通过气味成像技术可视化气味,实现更美好世界”的愿景。

芯片测试表明,在室温和60℃下,QIS芯片的暗电流都非常低。同时,研究人员还对高速单光子成像进行了测试,并展示了一百万像素分辨率、1040 fps的读出速度。未来,他们将使QIS芯片能够以非常快的速度扫描数亿甚至数十亿个映像点。

3. 接收端自主设计全集成接收芯片,集成了单光子探测阵列、单光子像素数模混合控制电路、抗阳光背景光算法及内存和高速接口,整体成本大幅降低。

Aroma Bit新发展的子公司Aroma Bit Silicon Sensor Technology,是丰桥技术科学大学首家官方认可的大学创业公司。尽管大学创业公司正在日本兴起,但由于大公司利益之间的知识产权冲突,研究人员与企业家角色之间的不匹配等因素,真正能够工业化的成功案例很有限。在这个特定的产学合作案例中,通过指派ABSST推动与大学共同开发的技术的商业化,预计将提高这项技术的成功机会。

Eric Fossum教授认为,这项创新技术能够实现高速、高分辨率、精确的光子计数成像,可以满足科研、医疗、太空、安防、弱光成像、增强现实和虚拟现实、3D成像等一系列应用的需求。该团队已经成立了一家名为Gigajot Technology的创业公司,以进一步开发QIS技术并将其应用于众多极具前景的应用。

4. 公司核心团队在光电集成电路和硅光领域具有超过十年的行业经验,保证了产品的设计和生产效率。

Aroma Bit通过将其开发的气味传感器接收膜技术,应用于丰桥技术科学大学Kazuaki Sawada教授开发的超灵敏硅基CMOS离子成像传感器技术,成功地开发了硅基CMOS传感器衬底的下一代高紧凑、高分辨率气味传感器。2017年,丰桥技术科学大学、Toyohashi Sensor Kyogikai公司、滨松光子、东朋科技、日本化工和Aroma Bit共同组建了CMOS气味传感器联盟。为了汇总COSCo联盟的成果并进一步加快开发和工业化,ABSST作为Aroma Bit的子公司成立。展望未来,ABSST将致力于开发硅基CMOS型下一代气味传感器,这种传感器具有超高分辨率、超紧凑和低成本优势,可嵌入智能手机及各种物联网设备。

“这是非常酷的技术!” 新墨西哥桑迪亚国家实验室的微电子工程师Sara Jensen兴奋地说道,“我将该项技术的论文给摄像头领域的专业人士看过,他们都非常感兴趣,所以我认为这项技术有望开启新一代成像浪潮。”

激光测距三维成像技术是当前机器视觉领域的研究热点,通过发射激光束探测目标,利用反射光获取点云数据,经成像处理后就可得到精确的三维立体图像,测距精度可达厘米级,具有精准度高、作业速度快和效率高等优势,在汽车辅助/自动驾驶、AR/VR、机器人三维视觉定位导航、空间环境测绘、安保安防等领域有重要应用前景。

文章来源:麦姆斯咨询

不过,Eric Fossum教授表示,“尽管这项技术激动人心,但是不要指望它能很快进入智能手机中。例如之前我开发的CMOS图像传感器技术,历经20多年才成为主流成像产品。不过,我认为该项新型成像技术——QIS可能处于类似CMOS图像传感器的发展轨道!”

激光测距的工作原理类似于传统的雷达波装置。激光器发送激光信号照射到目标物体后,反射光信号被接收器收集。通过测量光信号在空中的往返飞行时间,从而测量出精确的物理距离。目前基本有两种测量方式。

“虽然QIS的应用发展并不会很快,并且CMOS图像传感器技术仍然非常好,但是我很愿意看到新技术能够与自己的老技术进行竞争。正因为看好新技术,所以我们成立了Gigajot Technology公司!” Eric Fossum教授自信满满地说道。

第一种,发送端使用激光窄脉冲照射目标物体,接收端用时间到数字转换器,直接测量激光脉冲在空中的飞行时间,即直接ToF测距。

第二种,发送端采用连续光正弦或者方波调制,接收端根据调制光在往返过程中产生的相位偏移对调制信号周期的比例间接计算出光信号的飞行时间,即间接ToF测距。

根据光速恒定原理,两种方式都可以计算出目标物体的精确距离。其中第一种方式由于其高信噪比、高精度、大动态范围、抗多路径干扰等优势,配合单光子探测器件的超高灵敏度探测,非常适合微弱光条件下的远距离探测,为激光测距和三维探测成像提供超高灵敏度,低功耗解决方案。

图1:直接ToF与间接ToF测量原理图

当前的激光测距及成像系统由于成本高、体积大、集成度低等因素,限制了其在消费级市场的应用,业界期待硅光技术的发展能够带来激光测距技术的革命性变革。基于大规模单光子探测阵列的集成一直是个难题。目前,业界主流的方案还是采用分立元器件来搭建激光雷达系统,这类系统结构复杂,所采用的APD传感器光电转换电流较低,会导致在多线数的时候有串扰问题,不容易做大线数,同时多级放大元器件增多,成本居高不下,较难实现大规模量产商用。分离器件方案的另外一个问题是由于目标物体不同反射率导致的测量误差较大,甚至可以到达几十厘米,需要耗费资源的算法矫正。芯视界基于单光子探测的单芯片解决方案,可以做到不同反射率目标物体的极限测量误差小于1cm,处于激光测距的世界领先水平。

图2:传统激光脉冲直接测距分离器件芯片组方案

图3:芯视界单光子直接测距单芯片解决方案

芯视界依靠以李成博士为核心的具有超过15年从业经验的一批国内外资深技术专家深厚的技术积累,基于CMOS工艺实现了高灵敏度、高分辨率单光子检测阵列的芯片化设计,同时在芯片上集成了自主研发的超高精度测距电路和抗背景光干扰数字算法,解决了单光子器件对阳光背景光敏感的难题。配合芯片内的测距算法电路和片上内存,完美的实现了低成本、低功耗、高性能的测距任务。并且实现晶圆级大规模商用量产,在技术和实用性上处于世界领先地位。

芯视界创始人李成博士本科毕业于东南大学无线电系,于美国Texas AM University数模混合集成电路专业获得电子工程博士学位。李成博士拥有丰富的研发经验与管理经验,曾任美国硅光子制造协会委员、硅谷惠普实验室主任科学家,担任多个IEEE集成电路会议和期刊的评审委员。主要研究方向包括CMOS超高速数模混合SerDes设计、ToF图像传感器、固态激光雷达、高速低功耗硅光电路设计和制造,在光电集成电路和硅光电子设计和制造行业具有丰富的理论和实践经验。李成博士在集成电路的顶级会议ISSCC和顶级期刊JSSCC有多篇一作论文发表。累计发表集成电路论文80余篇和国际专利20余项,引用800余次。

本次发布的单光子检测激光测距及三维成像系列芯片基于直接飞行时间的激光测距方法,为市场上的微型ToF传感提供了一站式的解决方案,凭借自主研发的SPAD和独特的ToF采集和处理技术,芯视界首发的激光测距及三维成像芯片的具有性能方面的巨大优势。

其中,单点测距芯片VI4300系列实现了从0.1米到200米的全量程高精度测试,将此前的同类型测距芯片测距范围提升了100倍。并且可以抵抗100 KLux的环境光干扰,从而适用于室外阳光环境中的测量。VI4300系列芯片在测距领域有着广泛的应用:例如近距离的扫地机LDS模组,摄像头激光对焦模组;中距离的手持测距仪模组,AGV防碰撞模组,车道检测模组;远距离的自动驾驶车辆激光雷达等。

以业内关注的自动驾驶激光雷达为例,较于摄像头等传感器,基于VI4300单点测距芯片的激光雷达系统除了能够生成三维位置模型之外,还具有更远的的探测距离、更高的测量精度、更快的响应速度,同时还不受环境光的影响。可以说,VI4300单点测距芯片给激光雷达提供了极佳的芯片解决方案。

另外,此次芯视界还独家发布了两款全集成的面阵单光子的ToF芯片,在芯片的性能、易用性、量产性均做到了全球的领先。面阵ToF芯片在空间感知和三维建模等方向也有着广泛的应用。基于VI3802芯片,芯视界与中电27所合作开发的32 x 32像素面阵模组已经通过验收,拟运用于空间航天器对接。同时芯视界的面阵芯片在3D人脸识别、活体检测、手机AR、安防、生物检测等方向都有着广泛的应用前景。

表1:芯视界ToF芯片参数

文章来源:麦姆斯咨询

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