微软研制曲面图像传感器：显著提升数码相机拍摄效果！

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

背景

前天发布的《基于石墨烯和量子点的图像传感器：应用前景广阔！》一文，介绍了利用石墨烯和量子点技术制成的新型图像传感器，让图像传感器再一次成为我们关注的焦点。今天，我将继续介绍关于图像传感器的创新技术。

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。

（图片来源于：维基百科）

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。

（图片来源于：维基百科）

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。

（图片来源于：维基百科）

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：

（图片来源于：维基百科）

之所以多个不同形状和性能的镜头元件要进行组合，目的就是使像差最小化，从而形成无视觉缺陷、完整、清晰的图像。例如，人们为了纠正色差，就会采用不同色散系数的镜片（至少两片）组合而成，一片具有高色散系数，一片具有低色散系数。同样，其他的像差，例如彗形像差和像散，也可以通过不同的镜片搭配组合进行修正。复杂的摄影镜头可以具有超过15个甚至更多的镜头元件组成。

由此可见，为了纠正各种光学错误和像差，让光学图像被传统的平面型图像传感器更容易检测到，绝大多数的数码相机会使用多个光学元件组合，纠正光学图像，达到最佳的成像效果。

然而，这也会带来一些副作用：这么多的光学元件，肯定会抬高设计复杂度和成本。此时，我们就会思考如下的问题：

可否减轻光学元件的工作负担，或者说可否减少使用的光学元件数？

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。

（图片来源于：微软研究院）

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。

技术

让我们从理想聊起，理想的数码相机设计是什么样的呢？仁者见仁，智者见智，或许大家有着不同的看法。但是，这项研究的科学家们是这样想的：

这种理想的相机可以在极度低光的条件下正常工作、尺寸要足够小、并且能拍摄出极高锐度、高质量、无瑕疵的图像。

可理想终究是理想，实际上一直并未得以实现。但是，科学家们并未停止过探索，他们一直想要设计出更加快速的镜头和更小尺寸的图像传感器，且依然可以采集足够多的光线，拍摄出高质量的图像。正是出于这些想法，他们进行了曲面图像传感器的研究，并期待取得突破性进展。

也许，上面的这些说法比较专业化，那么下面这幅图能让我们，更直观地理解科学家们的想法。

（图片来源于：参考资料【2】）

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。

（图片来源于：参考资料【2】）

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。

（图片来源于：参考资料【2】）

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。

价值

从创新价值的角度来说，这种曲面传感器更加有效地低纠正了像差，同时也简化了广角镜头的设计过程。

尽管，目前论文中介绍的原型相机，尺寸差不多和小型消费电子相机一样。但研究人员称，这个摄像头的尺寸还可以更小，从应用于智能手机和平板电脑。同时，他们也会创造出量产该曲面传感器的设备，通过在现有的图像传感器制造工艺基础上，结合一些附加的工艺，使其最终得以量产。

所以，它最终带来可商用的曲面图像传感器，同时进一步制造出高性能的新型数码相机和摄像头，拍摄出跨越整个视场的高锐度图像，另外在低光环境下，拍摄效果也可以很好。这项技术可应用于视频监控、AR/VR、无人驾驶等多个领域。

未来

研究人员正在进一步提高传感器的曲率，他们想让这种曲面图像传感器，能够在红外线的波长条件下进行实验。这将有利于这项技术进一步应用于望远镜、三维空间映射、生物识别等领域。

不过，研究人员也在温馨提示，具有这种曲面传感器的商用产品可能不会很快出现。但是，他们希望和其他公司进行合作，对于传感器进行进一步的鲁棒性测试，为量产做好准备。

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

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