微软研制曲面图像传感器：显著提升数码相机拍摄效果！

来源： IntelligentThings

导读

最近，微软研究院和HRL实验室的科学家们，采用曲面图像传感器取代传统的平面图像传感器，不仅可减少相机镜头的组件数量，还降低了镜头的设计复杂度，从而制造出性能更强大、尺寸更小的数码相机和摄像头，不仅可在低光条件下拍摄，且拍摄出的图像效果更好。

关键字： 图像传感器 、 摄像头 、 半导体 、 CMOS

说起图像传感器，我们很快会联想到数码相机。特别是对于摄影爱好者来说，数码相机结构中存在着两个非常重要的组件，相信大家都不会感到陌生：

镜头和图像传感器

通过下面这张示意图，我们可以很清楚地看到镜头（Lens Elements）和图像传感器（Electronic sensor）在单反相机中的具体位置。

• 镜头：主要作用是捕捉外界物体反射的光线，然后将光线聚焦在图像传感器的光敏面上，所以其主要功能就是对要拍摄的目标物体，进行光学成像。

• 图像传感器：也称为感光元件，分为 电荷耦合元件 （CCD）和 金属氧化物 半导体元件（CMOS）两大类。它们都是采用光敏二极管，将光信号转化为电信号，然后再通过模数转换(ADC)，转化为数字信号。最后，这种数字信号会经过DSP芯片处理，形成完整的图像。CMOS传感器，已将DSP芯片集成于其中，从外观看上去如同一个整体。

接下来，我们再仔细看看镜头部分，镜头的重要性，相信爱好摄影或者玩过单反相机的朋友就会十分清楚，好的镜头价格都十分昂贵。这里我们先简单介绍一下，关于镜头两个非常重要的参数：焦距和光圈。

• 焦距，是指镜头光学后主点到焦点的距离，镜头焦距的长短决定着拍摄时的视场角和景深。根据焦距是否可以变化，镜头可分为：定焦镜头和变焦镜头。在定焦镜头中，根据焦距的长短，又可分为：广角镜头（视场角大）、中焦镜头和长焦镜头。当然，不同的镜头适合于不同的拍摄场景。

• 光圈，是安装在镜头上，用来控制光线透过镜头，进入传感器感光面光量的装置。光圈大小通常用F值（即镜头的焦距/镜头通光直径得出的相对值）表示，F值越大则光圈越小，F值越小则光圈越大。光圈不仅可以决定通光量，而且也可以影响景深。

了解完镜头关键参数后，我们再来看看镜头的结构。一般来说，每个数码相机的完整镜头都会由一组独立的镜头元件，沿着共同的轴排列组成，而这些元件主要是各种镜片。例如，一个廉价的28mm 镜头会含有很多不同的元件，如下图所示：

创新

然而，今天我们要介绍的创新技术可以回答这个问题。美国微软研究院和HRL实验室的 科学家们设计出了一个巧妙的方案：

使用曲面图像传感器，取代传统的平面图像传感器，使得镜头使用的光学元件数量变少。

研究人员在光学会杂志《光学快报》上发表了论文描述了他们的方案。

新型曲面图像传感器的球面曲率是之前报道的三倍以上，且其中的一个传感器已经可集成到数码相机原型中，且较现有的高端商用单反相机，这种数码相机原型，可以拍摄出分辨率更高的图像。这项创新将不仅有利于设计出更小、更快、更低成本的镜头，同时也有利于改善光学元件的其他性能。

其实，人眼恰恰就具备这些理想特征。所以，图A简单介绍了人眼成像过程，光线经晶状体折射后聚焦在视网膜上。这些我们需要特别注意的是，视网膜是曲面的。

然而，不同于人眼，经典光学镜头却需要更多的元件，更复杂的过程，进行像差纠正，将光线聚焦于平面的传感器上。相对于视网膜曲面来说，这种平面的传感器性能明显较差。

图B，则展示了一个1800万像素(1/2.3” 7.6 mm x 7.7 mm 晶粒)背照式CMOS曲面图像传感器，结合在18.74 mm的曲面模具表面上，这种曲面的图像传感器相对于平面的图像传感器，提供了一种类似人眼结构的新型解决方案，势必会全方位提升相机性能。

那么，科学家是如何实际制造这种曲面传感器的呢？

他们先将单个传感器从CMOS图像传感器的晶圆上切下，然后放置到定制的模具（mold）中，再使用气动压力将每个传感器压入模具里面。

除此之外，曲面传感器还有一些其他方法，例如将传感器的边缘粘合，然后再向其中间部分施加压力。然而，这样做会创造出高压力点，使得传感器在达到标准曲率之前，就会发生破碎。

然而，研究人员采用了新方法有效避免了这一问题。他们让图像传感器在弯曲的过程中，能够自由浮动，逐渐地驱散压力。同时，他们也使用了一种特殊形状的模具，逐渐地在芯片的边缘施加压力，将它压入模具中。

HRL实验室具有这样的半导体制造能力和相关设备，所以微软与其进行合作，战胜了曲面传感器的工艺中所面临的特殊物理挑战。研究人员称，这项研究需要进行大量实验，保证每个曲面传感器都具有精准的性能，即这种弯曲传感器的过程，不会改变任何的电气和成像特性。另外，还要保证施加压力恰当，不会使其发生破碎。

接下来，让我们再看看研究人员对这种曲面传感器进行测试的结果。

当采用具有曲面传感器以及特殊制作的f/1.2 镜头的数码相机进行实验时，这种传感器拍摄的图像分辨率，比具有类似镜头的高端单反相机高两倍。

大多数的相机在图像传感器边缘部分，光线检测能力都会减退。但是，这种曲面传感器几乎不会错失任何光线。在图像的边缘部分，这种曲面传感器拍摄的图像锐度是单反相机的大约5倍。

下面这幅图片，展示了具有曲面传感器的数码相机的拍摄效果。

所以通过这项研究，研究人员认为，你可以使用现有的图像传感器，将它弯曲，就能显著提升光学系统的性能。这个过程是相对低成本的，并且不会带来任何性能减退。

参考资料

【1】http://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2017/breakthrough_curved_sensor_could_dramatically_impr/

【2】B. Guenter, N. Joshi, R. Stoakley, A. Keefe, K. Geary, R. Freeman, J. Hundley, P. Patterson, D. Hammon, G. Herrera, E. Sherman, A. Nowak, R. Schubert, P. Brewer, L. Yang, R. Mott, and G. McKnight, “ Highly curved image sensors: a practical approach for improved optical performance ,” Opt. Express, Vol. 25, Issue 2, 13010-13023 (2017). DOI: 10.1364/OE.25.013010 .

【3】https://en.wikipedia.org/wiki/Photographic_lens_design