摩尔传感器 探寻国产高端传感器的进阶之路

探寻国产高端传感器的进阶之路

新华社上海12月2日电 题：探寻国产高端传感器的进阶之路

新华社记者杜康

迈入“万物互联”时代，首先要解决“感知”问题。传感器作为信息时代的“眼耳口鼻”，对外界信息进行收集。然而，一方面是我国传感器市场快速增长，一方面却是国产高端传感器亟待突破。从工艺提升到工程迭代，国产高端传感器的进阶之路何寻？

你的手机上有多少个传感器？仅拿拍照功能来说，图像传感器能够处理弱光，进行自动对焦、高速对焦等；运动传感器则防抖动。此外，加速度传感器可以用来计步，以及手势识别；环境光感测器帮助自动调节屏幕明暗。一款手机上面已经集成了几十块传感器。

相较最初，如今的传感器体积更小、功耗低、成本也不断下降。这与MEMS技术紧密相关，MEMS也即微小的电学机械系统。以硅片等半导体为技术载体，MEMS传感器将采集来的精敏信号，通过电路放大。上海微技术工业研究院总经理丁辉文介绍，从最“基本”物理传感，如对振动和压力的感知，到光，再到红外、声音，多传感器融合以及人工智能技术的融入将是未来的方向。

近几年我国传感器市场规模一直保持较快增长。根据前瞻产业研究院6月份发布的《中国传感器制造行业发展前景与投资预测分析报告》，2018年行业市场规模达到1472亿元，同比增长13.2%，近5年均保持两位数的增长率。

虽然我国传感器市场保持较快增长，但一直面临着“高端传感器有待突破”的问题。“我国传感器产业已经形成从研发、设计、生产到应用的完整产业体系,但总体与国际先进水平尚有差距，高端智能传感器近80%依赖进口，尤其是芯片。”丁辉文说。

不过值得一提的是，记者调查发现，在越来越多的细分领域，出现了高端国产传感器的身影。

以高精度喷墨打印头为例，傲睿科技董事长关一民介绍，除了墨水打印，傲睿在生物打印方面也有进展。将细胞溶液置于类似墨盒的装置中，传感器对流速、温度等精准控制，喷头逐个将细胞按照一定结构在培养皿上进行排列，生成类组织。这些类组织可以在药物研发中发挥作用，代替小白鼠“试药”，观察药物的毒性反应。

矽睿科技在运动传感器方面有所突破。“我们用10个参数对运动的速度、加速度、转动、高度进行描述。相关的加速度计、磁传感器、陀螺传感器、惯性传感器（IMU）芯片累计销售已经达到1亿颗。”矽睿科技首席执行官孙臻介绍。

关于国产高端传感器的发展机会，关一民介绍，目前一些省市建设的“中试线”，帮助很多创新的小传感器厂商实现从图纸到样品的落地。

高端传感器需要设计和生产工艺的紧密配合，并在应用、设计、生产过程中不断循环优化产品。但由于小传感器厂商产量低、资金有限，很多大型代工厂不愿意为小公司进行工艺优化调整，“性价比不高。即使调试成功，小公司需要代工生产的芯片数量有限，收入金额低，同时工艺调试过程中耗费的人力物力，并不低于大公司的‘大单子’。”丁辉文说。

所谓中试线，也即产品进行中间性试验的产线，对于一些创新的小传感器厂商来说，可以部分代替过去代工厂，有机会不断进行工艺优化。

上海微技术工业研究院拥有一条8英寸研发中试线。“目前线上有90多个项目在研发、中试和量产导入，大部分都是创业阶段小公司的项目。”丁辉文介绍。

此外，丁辉文认为，国产高端传感器的发展，还有赖于结合实际应用，不断进行工程上的迭代。

“在我们看来，传感器属于‘超越摩尔领域’，不再完全追求工艺线宽的持续缩微，也与材料、工艺密切相关。在很多细分领域，我们的设备和工艺线宽与国外基本在同一代，细节工艺积累差距较大。然而国内广阔的物联网市场，使得我们距离应用场景更近，有利于技术的迭代更新。”丁辉文说。

孙臻介绍，随着供应链安全受到重视，一些下游厂商，如手机品牌开始向国内寻求产品替代，有助于国内高端传感器市场的发展。此外，定制化传感器正在成为趋势，选择国内传感器也更灵活。

我只是想给PPT拍个照，为什么总有该死的波纹出现？

来源：SME科技故事

平常拿出手机拍PPT，拍电脑，拍电视，是再平常不过的行为了。可是,有的时拍出来的照片会出现一些奇奇怪怪的彩色条纹。而在旋转手机的过程中,这些条纹还会发生不规则的变化。

就连摄像时也会被叮嘱说不要穿格子或条纹的衣服，一定要净面衬衫，不然会导致拍摄的效果出现异常。

这些花纹到底为什么会出现，又怎么去避免呢？专业一点的话，这种现象被称为“摩尔纹”，说到底还是设备的问题。

一些数码相机、扫描仪等仪器的感光元件（如感光芯片）在拍摄或扫描时，如果在感光元件里面像素的空间频率与影像中条纹的空间频率接近，在叠加的过程中就会形成出现了彩色和形状不规律的条纹（如下图）。

现在我们就以投影仪为例，来进一步探索一下这种现象背后的机制。

目前学校等地方常用的投影仪被叫做LCD（Liquid Crystal Display）投影机，分为单片式和三片式两种，现在的LCD投影机大部分采用3片LCD板。三片式LCD板投影机是用红、绿、蓝三块液晶板分别作为红、绿、蓝三色光的控制层，白色光源经过分色镜组分分成红、绿、蓝三种颜色的光，分别投射到三块液晶板后生成图像信息，然后三种光进行合成，由投影镜头投射到投影幕上形成彩色图像。

LCD投影机实物

LCD投影机工作原理解析

还有性能更高一点的DLP(Digital Light Processor)投影机也比较普遍，它分为单片式和三片式。其关键成像器件数字微透镜装置 (Digital Micromirror Device,DMD)是半导体元件。该元件具有快速反射式数字开关性能,能够准确控制光源。光通过一高速旋转的三色透镜投射在DMD部件上,经反射后可通过镜头投射到影幕上形成图像。

DLP投影机工作原理示意图

这就是要被我们拍摄的设备了，它们形成的影像条纹主要就是由上面介绍的元件生成之后投射形成的。那我们的手机又为什么会和它们相互干扰呢？下面来了解一下手机相机的工作原理就知道了。

相机工作流程图

相机的构成简单来说，就是镜头与感光芯片。相机最概念性的结构框图,可以用镜头+图像传感器+数字信号处理（DSP）概括。如果图像传感器类型是电荷耦合元件（CCD）,那么在图像传感器采光后还需要一个A/D转换的过程，如果是互补型金属氧化物半导体（CMOS）则不需要A/D转换。

上图中的图像传感器(Image Sensor)的作用类似胶片相机的底片,起保存曝光时间内光线数据的作用。所保存的原始数据中含有基色、亮度等成像的全部要素。与需要在暗房里慢慢用光显影液与定影液冲出影像的胶片不同,图像传感器要经过数字信号处理和数据转换才能成为通用的影像格式。

图像传感器的结构如下图所示:

图像传感器结构

大致可分为聚集二极管微前光的微透镜、将光滤成单色光的滤光层和感应光线的感光二极管。不同的光线照射到感光二极管上,可以输出不同的信号电平。下面是CCD和CMOS的感光二极管排列,因感光二极管的构造不同，所以CCD和CMOS的感光阵列结构也不同，但最终都可以通过数字信号处理和转换后形成我们熟悉的照片。而摩尔纹的出现，也主要是在感光二极管层形成的。

CCD及CMOS工作原理

至此我们已经了解了所使用设备的大致原理，那在工作的时候又为什么会相互作用产生摩尔纹呢？一张图就可以进行解释。

取样像素的叠加(a)屏幕像素;(b)摄像头传感器取样像素;(c)像素叠加

用(a)来代表我们所要拍摄的屏幕，如投影仪投射的幕布，电脑，甚至你的格子衫，(b)则表示手机或摄像机传感器的取样结果，当它们发生叠加，也就是你准备拍摄的时候，(c)就出现了。这也能解释为什么调整拍摄角度后会呈现不同的摩尔纹了。当我们使用没有像素的胶片相机,因为没有(b)的存在，所以无论如何交错也不会出现不规则的干涉条纹了。

更学术一点的解释就要归因到光学的干涉上面，有没有唤起你被物理支配的恐惧？

“摩尔纹是数码照相机或者扫描仪等设备上的感光元件出现的高频干扰,会使图片出现彩色的高频率条纹。简单来说即不同物体之间发生了波形干涉现象。由于其不规则，故并无明显的形状规律。摩尔纹是差拍原理的一种表现，即两个频率接近的等幅正弦波叠加,合成信号的幅度将按照两个频率之差变化。数码相机或手机摄像头拍摄物体时出现这种现象是因为被拍摄物体如液晶显示器的像素排列，与手机像素的排列出现干涉现象。投影仪发出复合光经屏幕反射到达手机或相机的摄像头,在摄像头处发生干涉,在设备内部，光线透过透镜、滤镜,到达感光二极管,继续发生多次干涉,导致了摩尔纹的产生。”

上图只是黑白的演示，对于平常的照片来说，因为白光是各种颜色光的复合光，自然就会产生相间的彩色条纹，即一开始图片所呈现的摩尔纹了。

有了问题总要解决，不然拍出来的照片泛着奇怪的花纹对后续的使用总是有影响的。了解原理之后，我们可以进一步通过计算来寻找解决方法。计算的过程反正大家也是太长不看，在此就略过吧。

消除摩尔纹目前有三种途径:一是在相机镜头前添加低通滤波过程;二是在后期用图像处理软件消除摩尔纹;三是寻求更好的插值方法。这些完美解决办法一听就不是普通人能做的，那最简单的方法是什么呢？

适当拉开相机与大屏幕之间的距离,使得要拍摄的屏幕与拍摄设备的像素分布比较接近，就可以减少干涉的影响。这就是说,在上某些图片较多、对颜色保真要求较高的艺术类课程的时候,选择中间靠前的座位,可能比坐在第一排更好。

所以呀，努力学习认真听课也不一定要抢坐前排，下次再有前排学霸拍出带摩尔纹的照片的时候，就可以爆发你的物理大佬气场，告诉他中间地带的妙处所在了。

*参考资料

傅庆建.电视演播室摄像的摩尔纹现象探究摄录地带[J].2014:34-37

李玉林.电视摄像中景深的计算和控制[J].现代电影技术.2011（09）:23-26

https://en。wikipedia。org/wiki/Moir%C3%A9_pattern

栗小斌.LED显示屏摩尔纹的消除方法[J].演艺科技.2010（08）:44-47

编辑：朱丽

审核：王小龙

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