ALD技術(shù)，相機(jī)去噪，圖像傳感器

1. 作為鏡片的防反射涂層技術(shù)被關(guān)注的ALD（atomic layer deposition）的引入趨勢(shì)。
   （a）為什么需要一種新的防止反射的涂層技術(shù)？ ALD被認(rèn)為是最有前途的防止反射的涂層技術(shù)嗎？
   原子層沉積（ALD）是將物質(zhì)以單原子膜形式一層一層鍍?cè)诨妆砻娴募夹g(shù)。原子層沉積是化學(xué)氣相沉積（CVD）的一種，是一種新型薄膜沉積技術(shù)，具有成膜均勻性極優(yōu)、成膜密度極好、薄膜純度高、臺(tái)階覆蓋性優(yōu)、可低溫沉積等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用在微納電子、納米材料制造領(lǐng)域，全球多個(gè)國家對(duì)其技術(shù)研究與應(yīng)用開發(fā)正在不斷深入。
   低溫沉積、薄膜純度以及絕佳覆蓋率等固有優(yōu)點(diǎn)。
   ALD 除了常規(guī)的半導(dǎo)體高K 材料，太陽能等領(lǐng)域，軍事上的用途： MCP ， 熱和快中子探測(cè)等領(lǐng)域。
   （b）ALD有哪些方面優(yōu)于現(xiàn)有的CVD和PVD沉積技術(shù)，從而促進(jìn)了ALD進(jìn)入市場(chǎng)？另一方面，是否有什么因素阻礙了ALD的導(dǎo)入？
   ?例如）折射率的改善，能在小鏡片上涂布厚度均勻的膜層，成本優(yōu)勢(shì)，大量的初期投資等。
   ALD有哪些方面優(yōu)于現(xiàn)有的CVD和PVD沉積技術(shù)：
   ? 成膜均勻性好；
   ? 薄膜密度高
   ? 臺(tái)階覆蓋性好
   ? 可以實(shí)現(xiàn)低溫沉積(T: 50℃~500 ℃)
   阻止：
   沉積速率還是比較慢，大大限制了其在工業(yè)上的推廣應(yīng)用。
   沉積速率，成本和價(jià)格的問題，在制約推廣。
   （c）誰在加快ALD的導(dǎo)入？
   ?是由華為，索尼，特斯拉，英偉達(dá)或蘋果等成品制造商引導(dǎo)的嗎？
   ?還是鏡頭制造商和加工商在引導(dǎo)，以增加附加價(jià)值？
   在全球市場(chǎng)中，ALD設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)主要是美國應(yīng)用材料Applied Materials、美國拉姆研究Lam Research、美國英特格Entegris、韓國NCD、荷蘭SolayTec、荷蘭Levitech等。
   在我國市場(chǎng)中，ALD設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)主要有無錫微導(dǎo)、無錫松煜、理想能源等。
   （d）ALD進(jìn)入市場(chǎng)并滿足市場(chǎng)需求預(yù)計(jì)需要幾年，多長時(shí)間？
   （e）ALD是否有被期待的特定使用用途？
   ?例如）超高端智能手機(jī)（iPhone13等），自動(dòng)駕駛，監(jiān)控?cái)z像頭等。
   ?或者是在鏡頭的特定部分（例如7層鏡片配置的第一片鏡頭表面或形狀復(fù)雜的凹凸形鏡頭等）需要ALD？
   預(yù)計(jì)未來5年，消費(fèi)電子行業(yè)技術(shù)升級(jí)迭代速度將不斷加快，新型產(chǎn)品推出將不斷增多；物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代背景下，連接入網(wǎng)的終端移動(dòng)設(shè)備數(shù)量將快速增加；可穿戴智能設(shè)備、智能家居領(lǐng)域發(fā)展迅速，傳感器需求將快速增長；工業(yè)自動(dòng)化、工業(yè)機(jī)器人普及率將不斷提升，微電子、半導(dǎo)體市場(chǎng)需求將持續(xù)上升。在此背景下，全球原子層沉積技術(shù)需求將快速增長，預(yù)計(jì)2020-2025年間，全球ALD設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模年均復(fù)合增長率將達(dá)到14%以上。
   2.圖像傳感器的整體趨勢(shì)和業(yè)界正在著重解決的重要的技術(shù)問題。
   （a）相機(jī)模塊的小型化會(huì)繼續(xù)嗎？另一方面，圖像傳感器會(huì)變得更大，更薄，分辨率會(huì)更高或靈敏會(huì)更高嗎？
   超小超薄封裝COBP光反射器促使手機(jī)相機(jī)模塊小型化
   鏡頭可換，其次是更大的像場(chǎng)、變焦，等等這一系列問題都讓A7縱然擁有小巧的機(jī)身體積。
   圖像傳感器，或稱感光元件，是一種將光學(xué)圖像信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的設(shè)備，它被廣泛地應(yīng)用在數(shù)碼相機(jī)和其他電子光學(xué)設(shè)備中。完成圖像信息光電變換的功能器件稱為光電圖像傳感器。
   電荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD)和金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)器件是目前市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用的兩種圖像傳感器器件。它們的主要區(qū)別在于采用的半導(dǎo)體工藝的差別。CMOS和CCD器件都是基于光電效應(yīng)原理，不過在光生電荷的收集和讀出方式上兩者存在著明顯的區(qū)別。
   （b）那些趨勢(shì)或人要求了這些圖像傳感器的發(fā)展？
   ?作為智能手機(jī)的攝像頭，據(jù)說目前的攝像頭模塊還不夠薄，對(duì)嗎？由于相機(jī)部件突出，背面不能平整。另一方面，是否由于鏡片數(shù)量增加或攝像頭的變薄，造成光學(xué)噪聲無法消除，圖像質(zhì)量下降，這種說法對(duì)的嗎？
   ?在汽車的自動(dòng)駕駛中，光學(xué)噪聲的存在會(huì)造成識(shí)別錯(cuò)誤并導(dǎo)致事故，所以必須消除光學(xué)噪聲，這種說法對(duì)的嗎？
   噪音分析
   對(duì)噪聲種類區(qū)分，圖像傳感器的噪聲源根據(jù)特性的不同可以大致劃分為兩類：一種為時(shí)變?cè)肼?#xff0c;另一種是空間分布噪聲。時(shí)變?cè)肼暿窃诓煌瑫r(shí)刻其噪聲值變化的噪聲，如光子散射噪聲、散粒噪聲、熱噪聲等。他們具有白噪聲的性質(zhì)。在時(shí)間軸上，這種噪聲呈泊松分布趨勢(shì)，在不同時(shí)刻的信號(hào)值圍繞均值隨機(jī)分布。另一種噪聲在空間分布上具有高斯分布特性，但是在不同時(shí)刻，空間影響都會(huì)顯現(xiàn)。比如：每個(gè)像素的增益和感光面積不同造成的固定模式噪聲、傳感器每列數(shù)據(jù)讀出電路差異造成的列向固定模式噪聲(Column Fixed Pattern Noise, CFPN)。兩種噪聲普遍存在于圖像傳感器的電路中，并且噪聲的傳遞規(guī)律能夠體現(xiàn)圖像傳感器內(nèi)部特征，對(duì)兩部分主要噪聲分析具有十分重要的意義。
   光子散射噪聲
   光子散射噪聲是具有泊松分布特征的隨機(jī)噪聲。它們是由大量單個(gè)事件的統(tǒng)計(jì)不確定性引起的，在時(shí)間上服從泊松分布，噪聲值通常采用入射光子的標(biāo)準(zhǔn)差σ描述。散射噪聲從根本上體現(xiàn)了光子從空間到達(dá)探測(cè)器的隨機(jī)分布情況。例如，關(guān)于演示光子隨機(jī)入射的Monte Carlo模擬示意圖，其中200個(gè)光子入射在一個(gè)20×20 像素的區(qū)域。可以看出，每一個(gè)像素接收到的光子數(shù)目從零到四個(gè)隨機(jī)分布。每個(gè)像素接收到光子數(shù)目的標(biāo)準(zhǔn)偏差被稱為光子散射噪聲。
   子散射噪聲具有量子特性。光子打在圖像傳感器像元上時(shí)，光子必然遵循隨機(jī)分布規(guī)律，光子散射噪聲是不可避免的。但是在信號(hào)在傳感器內(nèi)傳輸?shù)倪^程中，隨機(jī)噪聲的傳遞同樣受增益的影響，在輸出端仍會(huì)顯示出隨機(jī)分布的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。所以光子散射噪聲對(duì)于圖像傳感器的參數(shù)測(cè)試來說至關(guān)重要，例如系統(tǒng)增益測(cè)試。
   信號(hào)散粒噪聲
   除了光子入射的隨機(jī)噪聲外，圖像傳感器內(nèi)部電路還會(huì)引入散粒噪聲。由于帶電粒子同樣具有量子性，當(dāng)帶電粒子傳遞或者穿越勢(shì)壘的過程中，其數(shù)量并不是恒定不變，而是圍繞均值附近隨機(jī)漲落的。帶電粒子這一漲落特性符合泊松分布，因此當(dāng)電荷積聚以及電壓被放大的過程中，電子隨機(jī)漲落引入散粒噪聲。這種噪聲源于帶電散粒的量子特性，因而稱為散粒噪聲。散粒噪聲屬于白噪聲。
   暗電流
   任何像素在無光條件下，都會(huì)產(chǎn)生非預(yù)期的電荷。能夠產(chǎn)生非預(yù)期電荷的原因包括：感應(yīng)節(jié)點(diǎn)復(fù)位引入的復(fù)位噪聲、電壓在內(nèi)部傳遞引入的源跟隨噪聲、以及其他由于勢(shì)阱充放電引入的隨機(jī)讀出噪聲等。這些噪聲可以統(tǒng)一歸結(jié)為熱隨機(jī)噪聲，這是由熱電子在圖像傳感器熱震蕩引起的，熱隨機(jī)噪聲服從高斯分布規(guī)律。暗電流是單位時(shí)間內(nèi)熱噪聲的累計(jì)值。
   熱噪聲可視為白噪聲，實(shí)際上熱噪聲的功率譜密度，頻域上是平坦的，只在非常高的頻率范圍時(shí)才開始下降，白噪聲模型己經(jīng)足夠精確了。
   固定模式噪聲
   固定模式噪聲包括明場(chǎng)像素不均勻響應(yīng)和固定模式噪聲(FPN)，是圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)不一致性引入的噪聲。造成圖像非均勻性原因有很多，硅材料本身質(zhì)量及加工工藝造成溝道摻雜濃度不均，表面態(tài)密度分布不均以及柵氧化物厚度不同，因此開啟電壓和有效感光面積不同。
   圖像傳感器的不均勻性響應(yīng)表現(xiàn)在三方面：一是圖像傳感器每列的讀出電路差異引入的列向固定模式噪聲CFPN，CFPN的主要來源有兩個(gè)：差分放大器輸入級(jí)的失配和列雙采樣電路源跟隨器的失配。二是由于圖像傳感器像元加工工藝的不一致，導(dǎo)致像元感光面積具有差異，致使相同光照的情況下，每一個(gè)像元輸出的灰度值有所差異；三是由于半導(dǎo)體材料內(nèi)部摻雜濃度不均勻，導(dǎo)致每個(gè)像元之間的增益大小有差距，同種光照情況下，增益大的像元輸出灰度值大，增益小的像元輸出灰度值小。
   （c）高性能圖像傳感器的決定性課題是什么？
   ?鬼影和耀斑等光學(xué)噪聲是否是課題？或者是降低紅外線？還是防霧？還有其他課題嗎？
   ?當(dāng)前的技術(shù)（用于降低紅外線的藍(lán)玻璃等）無法解決問題有哪些？
   （d）為了解決這些問題，打算使用什么樣的技術(shù)？
   ?改善軟件？
   ?改善攝像頭？
   ?還有其他的方法嗎？
   （e）您認(rèn)為將來圖像傳感器會(huì)成為什么樣的角色？
   ?圖像傳感器是否會(huì)起至關(guān)重要的作用？或者，像ToF等這樣的其他傳感技術(shù)成為主流，圖像傳感器的作用變得不重要？
   智能手機(jī)“多攝像頭化”發(fā)展迅猛
   據(jù)預(yù)測(cè)，未來圖像傳感器的市場(chǎng)增長率會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過智能手機(jī)的增長。據(jù)OMDIA表示，假設(shè)2020年的智能手機(jī)出貨數(shù)量較上年下滑了13.2%，而圖像傳感器的出貨數(shù)量會(huì)與去年持平，或者微增。此外，在2020年-2030年十年間，年平均增長率（CAGR）會(huì)保持在5.3%，在2026年前后，年度出貨數(shù)量會(huì)突破100億個(gè)。
   而主要原因如下：智能手機(jī)通過搭載多個(gè)攝像頭， 以獲得高質(zhì)量的圖像—-即“多攝像頭化”趨勢(shì)的發(fā)展。“多攝像頭化”趨勢(shì)在2019年開始迅速發(fā)展。據(jù)OMDIA調(diào)查，搭載兩個(gè)以上攝像頭的智能手機(jī)在2018年還不及全數(shù)的一半，而據(jù)預(yù)測(cè)，在2020年將會(huì)占八成左右。2020年，搭載三個(gè)及以上攝像頭的智能手機(jī)預(yù)計(jì)會(huì)超五成。他們進(jìn)一步指出：“在市場(chǎng)進(jìn)入紅海（Red Ocean）之下，各家公司要獲得市場(chǎng)份額，戰(zhàn)略很重要。攝像頭也會(huì)起到一定助推作用，在如今的市場(chǎng)上，如果不是搭載多個(gè)攝像頭的手機(jī)，基本不會(huì)刺激購買層”。
   2019年智能手機(jī)出貨數(shù)量中，第一名為三星（21%）、第二名為華為（17%）、第三名為蘋果（14%），后續(xù)為小米（9%）、OPPO為8%，在前五名的公司中，中國公司占了三家。智能手機(jī)市場(chǎng)上不僅存在TOP1的競(jìng)爭，此外，2019年整體出貨數(shù)量的57%被中國廠家占據(jù)，且呈迅速增長趨勢(shì)。正是這些中國的手機(jī)廠家推動(dòng)了“多攝像頭化”的發(fā)展。
   其中，動(dòng)作最快的是華為，在2017年第四季度，一半的華為手機(jī)都搭載了兩個(gè)及以上攝像頭。據(jù)說，在2019年第三季度，中國的排名前四的手機(jī)廠家—華為和小米、OPPO、Vivo的搭載多個(gè)攝像頭的手機(jī)突破了八成。受此影響，排名第一的三星也迅速擴(kuò)大“多攝像頭化”手機(jī)，此外，蘋果也自“iPhone X／XS”開始搭載多個(gè)攝像頭。手機(jī)的多攝像頭化成為了業(yè)界的潮流。如今，搭載三個(gè)攝像頭已經(jīng)成為趨勢(shì)，2020年第一季度，中國排名前四的手機(jī)廠商和三星的60%以上的手機(jī)都搭載了三個(gè)及以上攝像頭。
   OMDIA方面進(jìn)一步表示：“這種趨勢(shì)與對(duì)圖像傳感器的預(yù)測(cè)（未來十年，圖像傳感器的需求會(huì)穩(wěn)定推移）有關(guān)聯(lián)，即使2020年的智能手機(jī)市場(chǎng)下滑，智能手機(jī)方向的攝像頭需求并不會(huì)減少，且增長程度可以足夠彌補(bǔ)因新冠肺炎帶來的損失”。
   此外，他們還提及了智能手機(jī)攝像頭像素的極限問題，“本來搭載一個(gè)攝像頭就可以獲得較高的像素，但是令人遺憾的是，如今在智能手機(jī)可搭載的形狀因素（Form Factor）中，20M像素已經(jīng)是極限。這里說的并不是半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的極限，而是鏡頭（Lens）的極限，如果像素的大小超過鏡頭的聚光范圍，即使進(jìn)一步提高像素，也無法適當(dāng)?shù)亻_啟和關(guān)閉光的投射，因此，不得不搭載兩個(gè)、三個(gè)甚至更多個(gè)攝像頭”。
   智能手機(jī)方向圖像傳感器的像素在不斷提高，如三星研發(fā)了108M像素的圖像傳感器—“Samsung ISOCELL Bright HMX”，正在推進(jìn)供貨。但是，OMDIA方面認(rèn)為：“如果是單位達(dá)億的圖像傳感器的話，STMicroelectronics以及一些日系廠家已經(jīng)在數(shù)年前開始研發(fā)用于衛(wèi)星用途的產(chǎn)品，遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于三星，且技術(shù)更勝一籌，即使是三星的產(chǎn)品，也只是’噱頭’，實(shí)際并沒有什么需求”。
   預(yù)計(jì)搭載ToF的智能手機(jī)將會(huì)大幅度增長
   在智能手機(jī)的功能中，另一個(gè)令人期待的是“ToF 傳感”功能的增長。已經(jīng)有多家智能手機(jī)廠家發(fā)布了搭載“ToF 傳感”功能的手機(jī)，此外，近期、發(fā)布的“iPhone 12 Pro”也搭載此功能。OMDIA表示，2019年智能手機(jī)方向的“ToF 傳感器”出貨數(shù)量達(dá)13億9，500萬個(gè)，2020年雖然會(huì)因新冠肺炎而減速，而2020年-2030年期間，預(yù)計(jì)CAGR會(huì)達(dá)到5.3%。另外，在普通照相機(jī)方向的圖像傳感器中，索尼位居首位，且與TOP2拉開了很大距離；而在ToF傳感器方面，STMicroelectronics、ams是兩家最大的廠商。李根秀先生表示：“不過，與照相機(jī)用途方向相比，手機(jī)用途的技術(shù)門檻更低，因此有很多中國廠家在不斷加入，未來市場(chǎng)占比還會(huì)再發(fā)生變化”。
   車載領(lǐng)域持續(xù)增長、年度增長率近20%
   如上所述，在圖像傳感器市場(chǎng)中，手機(jī)方向占了八成左右，起決定性作用，從增長率來看，又是另一番景象！尤其引人注目的是汽車、工業(yè)設(shè)備、無人機(jī)三個(gè)領(lǐng)域，OMDIA表示，2020年-2030年期間的CAGR分別為19.6％、21.6％、14.0％，增長極其迅速。
   車載領(lǐng)域增長的主要原因在于ADAS（高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)，Advanced Driving Assistance System）的發(fā)展。如今，普及率最高的是后視攝像頭（Rear View Camera），據(jù)說這是基于美國的“KT法（Kids and Transportation Safety Act）”要求的。就ADAS攝像頭而言，成本是最大的“瓶頸”，與“后視攝像頭（Rear View Camera）”相比，普及率還較低，但在無人駕駛L2上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，且在2020年4月份日本的L3已經(jīng)全面啟動(dòng)，因此市場(chǎng)開始活躍化。各家汽車廠家正在加速研發(fā)以投入新產(chǎn)品。
   據(jù)預(yù)測(cè)， 2020年新冠肺炎雖然會(huì)導(dǎo)致市場(chǎng)低迷，而2030年車載方向的圖像傳感器會(huì)從2019年的9，400萬個(gè)增至5億2，500萬個(gè)。從一輛汽車的攝像頭搭載率來看（攝像頭數(shù)量/汽車輛數(shù)），2019年為79.7%，2026年將會(huì)擴(kuò)大至195.2%！
   此外，在車載攝像頭方面，以“后視攝像頭（Rear View Camera）”為中心，安森美半導(dǎo)體（ON Semiconductor）和豪威科技（OmniVision）兩家公司占有較高份額，如上所述，就ADAS攝像頭的研發(fā)而言，“在技術(shù)上占有優(yōu)勢(shì)的索尼的受關(guān)注程度較高”。此外，索尼曾經(jīng)有一條不成文的規(guī)定—-“不從事與人類生命相關(guān)的產(chǎn)品”，自2014年發(fā)布車載圖像傳感器以來，把車載圖像傳感器定位為一大業(yè)務(wù)并開始推進(jìn)研發(fā)，索尼于2020年公布稱：開始量產(chǎn)800萬像素級(jí)別的車載圖像傳感器。且應(yīng)用實(shí)績穩(wěn)步推移，如已經(jīng)被豐田最新款A(yù)DAS“Toyota Safety Sense 2.0”采用，此外，索尼在2020年1月的CES上公布了自主研發(fā)的電動(dòng)汽車試做版—-“VISION-S”，進(jìn)一步提高了自身的存在感。
   在車載領(lǐng)域，索尼雖然處于后起之秀，但OMDIA卻認(rèn)為：“索尼以創(chuàng)造了圖像傳感器市場(chǎng)而感到自豪，在車載領(lǐng)域，也盡快與博世在德國的高速公路（Autobahn）上對(duì)搭載了800萬像素圖像傳感器的無人駕駛汽車進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，可以說索尼表現(xiàn)了極大的自信！索尼應(yīng)該是希望通過運(yùn)用自身的產(chǎn)品獲得TOP1的地位，在不久的將來，索尼應(yīng)該會(huì)研發(fā)出令汽車廠家、Tier1大吃一驚的技術(shù)！”
   就工業(yè)設(shè)備而言，據(jù)預(yù)測(cè)，在機(jī)器視覺（Machine Vision，即電子設(shè)備、食品外觀檢查等設(shè)備）方面的應(yīng)用未來還會(huì)繼續(xù)加速發(fā)展。OMDIA表示，2020年-2030年期間的CAGR高達(dá)21.6%，而2019年的工業(yè)圖像傳感器的出貨數(shù)量為910萬個(gè)，規(guī)模不及車載用途的十分之一，2030年的預(yù)測(cè)值為6，700萬個(gè)。但是，OMDIA認(rèn)為：“也許這個(gè)預(yù)測(cè)不是那么樂觀”，“從以往的市場(chǎng)動(dòng)向來看，很有可能會(huì)在以某種模式獲得成功的同時(shí)，各行各業(yè)以及各廠家會(huì)超越隔閡，加大投資。現(xiàn)在還沒有明顯的證據(jù)，如果一旦成真，將會(huì)獲得突破性的發(fā)展”。
   在無人機(jī)領(lǐng)域，CAGR主要是基于以個(gè)人興趣為中心的消費(fèi)用途（2019年出貨數(shù)量的七成以上為個(gè)人消費(fèi)用途），未來活躍的中心會(huì)集中在以噴灑農(nóng)藥為主的第一產(chǎn)業(yè)，且監(jiān)控、點(diǎn)檢、檢查等各種專業(yè)性方向的采用也會(huì)擴(kuò)大。據(jù)說，圖像傳感器的出貨數(shù)量會(huì)從2019年的740萬個(gè)增至2030年的2，600萬個(gè)。OMDIA認(rèn)為：“到2030年，專業(yè)用途方向的圖像傳感器將會(huì)增至整體的一半，就數(shù)量而言，雖然比不上智能手機(jī)，而改變我們的世界這一點(diǎn)是毫無疑問的事實(shí)，市場(chǎng)肯定會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大”。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的ALD技术，相机去噪，图像传感器的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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