索尼揭示偏振光帶來的未來可能性

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，偏振圖像傳感器（Polarization Image Sensor），或稱為偏光圖像傳感器，能夠?qū)⑷搜蹮o法察覺的光的偏振特性可視化。這項(xiàng)成像技術(shù)不僅為制造業(yè)和智能交通提供了一個(gè)很有前景的應(yīng)用潛力，而且還將其優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步擴(kuò)展到醫(yī)療、安防等領(lǐng)域。

成像技術(shù)并不僅僅在于創(chuàng)建我們可以看到的視覺圖像，在索尼半導(dǎo)體解決方案集團(tuán)（Sony Semiconductor Solutions Group，簡(jiǎn)稱：SSS集團(tuán)），我們還追求捕捉人眼無法看到的圖像，并應(yīng)對(duì)種種成像技術(shù)挑戰(zhàn)。

偏振圖像傳感器可以檢測(cè)偏振光——這是我們?nèi)庋劭床灰姷墓獠ㄕ駝?dòng)方向，輕松實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)方法難以做到的任務(wù)，例如物體形狀識(shí)別、反射清除、變形及劃痕檢測(cè)。索尼（Sony）研發(fā)團(tuán)隊(duì)?wèi)汛е鴤ゴ蟮南敕ㄔ谶@項(xiàng)傳感技術(shù)研究中努力工作。他們鉆研了這個(gè)“深邃”的偏振領(lǐng)域，全球首創(chuàng)了半導(dǎo)體芯片和偏振濾光片的制造工藝融合，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)級(jí)偏振圖像傳感器的量產(chǎn)。這為制造業(yè)、智能交通系統(tǒng)（ITS）、醫(yī)療、安防，以及科學(xué)研究等領(lǐng)域的發(fā)展提供了巨大潛力。近期，該研發(fā)團(tuán)隊(duì)的4位成員講述了他們?nèi)绾伍_發(fā)這種偏振傳感技術(shù)，揭示了偏振光帶來的未來可能性。

捕捉人眼不可見的偏振光使我們能夠顯著提高制造業(yè)的檢測(cè)精度

問：什么是偏振和偏振圖像傳感器？

Yamagishi：光具有波動(dòng)性，可以用振幅（亮度）、波長(zhǎng)（顏色）、波的傳播方向、波的振動(dòng)方向（偏振）等參數(shù)來描述。

簡(jiǎn)單地說，我們?nèi)祟愌坨R只能感知光的部分參數(shù)，例如光的亮度、顏色和傳播方向，但光波的振動(dòng)方向——偏振，人眼無法直接感知。

偏振圖像傳感器能夠捕捉光波的振動(dòng)方向，可用于檢測(cè)光照射到物體表面時(shí)振動(dòng)方向的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物體形狀識(shí)別、消除水或玻璃表面上的干擾反射光以看清另一側(cè)的物體。

問：偏振圖像傳感器的用途有哪些？

Kato：目前，制造業(yè)和智能交通系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行評(píng)估并導(dǎo)入偏振圖像傳感器。在制造業(yè)方面已經(jīng)有部分應(yīng)用，例如玻璃或透明塑料產(chǎn)品的變形檢查、金屬產(chǎn)品的目視檢查，以及顯微鏡等。索尼研發(fā)的集成4向（0°、45°、90°和135°）偏振濾光片的圖像傳感器逐步將應(yīng)用范圍擴(kuò)展到新的領(lǐng)域，例如在制造業(yè)中，傳統(tǒng)的黑色物體檢查是使用肉眼完成的，這產(chǎn)生很高的檢查失敗率，而使用偏振圖像傳感器可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的自動(dòng)化。又如，在以前需要旋轉(zhuǎn)偏振濾光片并拍攝多張照片以識(shí)別缺陷部件的地方，偏振圖像傳感器可以一次完成任務(wù)。針對(duì)智能交通系統(tǒng)，偏振圖像傳感器在去除車輛擋風(fēng)玻璃上的反射光方面具有價(jià)值。此外，越來越多的行業(yè)對(duì)偏振圖像傳感器表現(xiàn)出興趣，例如醫(yī)療、科學(xué)研究、安防、移動(dòng)設(shè)備等。

問：圖像傳感器和偏振濾光片必須解決哪些困難？

Kato：工業(yè)傳感應(yīng)用所需要的不是人眼覺得美麗的影像，而是定量數(shù)據(jù)，從而可以判斷產(chǎn)品成色、有無附著物或劃痕等異物、物體識(shí)別等。傳感技術(shù)依賴于對(duì)比度的變化。傳統(tǒng)的圖像傳感器識(shí)別的是亮度和顏色的對(duì)比度變化。對(duì)于偏振圖像傳感器，還有一個(gè)附加參數(shù)，即偏振光的對(duì)比度。這有助于實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的檢測(cè)。傳統(tǒng)方法使用偏振濾光片獲得偏振信息，需要拍攝多次，每次旋轉(zhuǎn)物體或偏振濾光片。由于需要使用機(jī)械裝置來旋轉(zhuǎn)偏振濾光片，因此成為一個(gè)耗時(shí)的過程，這使得將偏振應(yīng)用于生產(chǎn)線的檢查并不實(shí)際。索尼的偏振圖像傳感器集成了4向偏振濾光片，可實(shí)現(xiàn)一次拍攝即可獲得偏振圖像。這意味著可以實(shí)時(shí)獲取偏振信息。

在研發(fā)過程中遇到超出想象的困難，團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)造力和問題解決能力是前進(jìn)的動(dòng)力

問：這是一個(gè)沒有先例的偏振圖像傳感器研發(fā)項(xiàng)目，你們的理念是什么？

Yamazaki：由于我們研發(fā)的產(chǎn)品是市面上沒有的，具備世界首創(chuàng)微納結(jié)構(gòu)的偏振圖像傳感器。因此，很多方面都是全新的體驗(yàn)。

例如，我們必須弄清楚圖像傳感器需要什么樣的偏振元件，應(yīng)該測(cè)量什么才能獲得所需的偏振信息，以及我們應(yīng)該達(dá)到什么樣的精度水平。在偏振數(shù)據(jù)處理方面，我們與索尼研發(fā)部門的偏振算法開發(fā)團(tuán)隊(duì)密切合作，通過文獻(xiàn)調(diào)查和反復(fù)的偏振模擬，以及對(duì)反射光去除和物體形狀識(shí)別處理數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，才最終確定了這款偏振圖像傳感器的特性。

另外，偏振圖像傳感器有一項(xiàng)固有特性，那就是消光比。它是指示偏振測(cè)量準(zhǔn)確度的參數(shù)。消光比越高，精度就越高。但是，它與透光率（靈敏度）成反比。我們希望盡可能地提高消光比，但又不想降低透光率。這是兩種相反的特性，但是由于我們的努力，最終達(dá)到了目標(biāo)設(shè)定的消光比，同時(shí)兼顧了透光率。

Kato：關(guān)于結(jié)構(gòu)，下圖展示了偏振圖像傳感器的截面圖。這張圖中條紋的位置就是偏振濾光片的部分，它是一種將金屬加工成線性狹縫的光柵（超薄金屬板等間距排成陣列）。

由于偏振濾光片直接集成于傳感器芯片，并且位于微鏡頭下方，因此索尼的偏振圖像傳感器能夠減少由像素串?dāng)_問題造成的數(shù)據(jù)誤差，

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問：你們?nèi)绾慰朔獗群屯腹饴实臋?quán)衡關(guān)系問題？

Yamazaki：最初，我們從工藝穩(wěn)定性和可靠性的角度出發(fā)，采用氧化膜填充偏振濾光片的超薄金屬板間隙，但結(jié)果證明這種方法無法解決消光比和透光率的權(quán)衡關(guān)系。理論上，只要使偏振濾光片的寬度和間隙遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光的波長(zhǎng)（即要求更細(xì)的光柵和更窄的間隙），就能提高消光比和透光率的特性，但在金屬加工技術(shù)上存在限制。另外，我們注意到因?yàn)橥ㄟ^氧化膜時(shí)，光的波長(zhǎng)變短，如果使用以氧化膜填充偏振濾光片的結(jié)構(gòu)間隙，則需要進(jìn)一步縮小偏振濾光片的寬度和間隙。

然后，我們想到了把偏振濾光片的間隙變成空氣層的氣隙結(jié)構(gòu)。這種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)解決了消光比和透光率的權(quán)衡關(guān)系問題。一個(gè)關(guān)鍵問題得到了解決，但還有一系列其他挑戰(zhàn)等待著我們。例如，需要確立氣隙結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性，利用納米級(jí)加工實(shí)現(xiàn)偏振濾光片的多層結(jié)構(gòu)，并將這種極小的結(jié)構(gòu)集成在圖像傳感器的不平坦表面上。

Osawa：在量產(chǎn)方面，需要保證這種微納結(jié)構(gòu)達(dá)到一定的質(zhì)量水平。如果以500萬像素圖像傳感器為例，則必須為500萬個(gè)像素都實(shí)施這種微納加工并確保均一的品質(zhì)。保持高質(zhì)量和成品率是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，但是同時(shí)，這也是一直以來索尼備受客戶好評(píng)的重要原因。因此，就像我們的其它圖像傳感器一樣，我們希望確保偏振圖像傳感器也具有出色的質(zhì)量。

問：作為全球首創(chuàng)的偏振圖像傳感器，在產(chǎn)品評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)上難度有多大？

Yamagishi：我所在的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)建立偏振圖像傳感器的評(píng)估方法。一般情況下，光源產(chǎn)生的光只要不通過偏振濾光片，就會(huì)被認(rèn)為是非偏振光。因此，我一開始認(rèn)為只要在常規(guī)圖像傳感器的評(píng)價(jià)光源里安裝上偏振濾光片和轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，就能簡(jiǎn)單地開發(fā)出偏振圖像傳感器的評(píng)價(jià)測(cè)試環(huán)境。但實(shí)際實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，偏振圖像傳感器像素輸出結(jié)果與設(shè)想的完全不同，測(cè)試開發(fā)非常不順利。然后我們對(duì)光源本身進(jìn)行了細(xì)致的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該光源的偏光狀態(tài)就不是均勻的，其發(fā)出的光有很少一部分就存在偏振性。

市場(chǎng)上銷售的光源在光強(qiáng)、均勻性等方面有相應(yīng)的規(guī)格參數(shù)，但沒有提供偏振特性，因此廠商自然也不會(huì)保證偏振品質(zhì)。即使是相同產(chǎn)品型號(hào)的光源，因?yàn)闆]有明確規(guī)格，個(gè)體間的偏振狀態(tài)也是存在差異的（有偏差）。這些問題造成我們不僅得研究偏振圖像傳感器本身的偏振問題，還必須了解光源的偏振狀態(tài)。此外，我們?cè)谠u(píng)價(jià)中還發(fā)現(xiàn)經(jīng)判斷沒有問題而實(shí)際被用于評(píng)價(jià)的光源，其偏振狀態(tài)會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生改變。因此在評(píng)估測(cè)試過程中，我們?yōu)榇颂岢隽艘幌盗械膽?yīng)對(duì)措施。

同樣地，偏振濾光片在購買后首先需要進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。如果它們沒有達(dá)到預(yù)期的水平，我們需要采購更多種的偏振濾光片并重復(fù)最初的過程，這使我們的困難遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過最初的預(yù)期。

Osawa：雖然設(shè)計(jì)和制造過程很重要，但還有一個(gè)同樣重要的因素，那就是對(duì)批量生產(chǎn)的晶圓進(jìn)行裝運(yùn)前檢查，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。這是我和Yamagishi密切合作的方面，我們利用研究部門在原型制作中開發(fā)的專業(yè)知識(shí)和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，在索尼半導(dǎo)體制造公司（Sony Semiconductor Manufacturing Corporation）熊本技術(shù)中心的工程師幫助下，改進(jìn)檢查工序，不斷積累檢查數(shù)據(jù)，最終確立了索尼偏振圖像傳感器的高品質(zhì)檢測(cè)手段。

話雖這么說，但它并不像聽起來那么簡(jiǎn)單。我們經(jīng)常會(huì)遇到?jīng)]有按預(yù)期得到測(cè)試結(jié)果的情況。每次發(fā)生這種情況時(shí)，我們都會(huì)分析評(píng)估環(huán)境、傳感器屬性等因素，以確定失敗的原因。

索尼在普通CMOS圖像傳感器方面擁有豐富的數(shù)據(jù)和專業(yè)知識(shí)，但在偏振特性方面幾乎沒有積累，傳統(tǒng)方法往往以失敗告終。從頭開始創(chuàng)造新的事物是一場(chǎng)巨大的斗爭(zhēng)。

幸運(yùn)的是，我們有元器件、設(shè)備、光學(xué)等方面的專家，他們能夠快速正確地進(jìn)行改進(jìn)，在將高質(zhì)量的偏振圖像傳感器推向市場(chǎng)方面做出了無價(jià)的貢獻(xiàn)。

偏振圖像傳感器市場(chǎng)仍處于早期階段，市場(chǎng)和應(yīng)用面臨考驗(yàn)

問：偏振圖像傳感器可以提供哪些應(yīng)用解決方案？

Kato：在制造業(yè)方面，由于黑色物體和透明體對(duì)比度很低，普通相機(jī)難以捕捉和檢測(cè)，因此過去都是以人眼目視或抽樣方式進(jìn)行檢查。

索尼的偏振圖像傳感器使上述類型的檢查自動(dòng)化成為可能，并且還降低了誤識(shí)別的機(jī)率。此外，它還解決了必須旋轉(zhuǎn)偏振濾光片的耗時(shí)、逐點(diǎn)識(shí)別缺陷等問題。如果采用偏振圖像傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)“一拍即測(cè)”，獲得視場(chǎng)內(nèi)清晰的全貌。這將有助于減少檢查所需的時(shí)間和人力。

其它使用偏振圖像傳感器的應(yīng)用解決方案還包括反射光去除、3D識(shí)別、材料識(shí)別、透明材料的失真檢測(cè)等。

偏振圖像傳感器的應(yīng)用范圍非常廣泛，不能簡(jiǎn)單地用幾句話來描述。索尼網(wǎng)站上提供更多信息，包括視頻和白皮書等資料。

目前，很多機(jī)器視覺相機(jī)已經(jīng)搭載了我們的偏振圖像傳感器，并開始在市場(chǎng)上銷售了，歡迎感興趣的朋友試用和評(píng)價(jià)。

問：偏振圖像傳感器的未來應(yīng)用趨勢(shì)如何？

Kato：若要獲取偏振信息，光源的控制很重要。我們預(yù)計(jì)將先從能控制光源的工廠開始導(dǎo)入偏振圖像傳感器。

對(duì)于制造業(yè)而言，偏振圖像傳感器有望在檢查中得到更多應(yīng)用。潛在地，偏振圖像傳感器可以對(duì)以前無法自動(dòng)化或使用普通圖像傳感器無法完成的此類檢查做出重大貢獻(xiàn)。

另外在智能交通系統(tǒng)方面，偏振圖像傳感器可以提供的應(yīng)用解決方案是為去除車窗上的反射光。傳統(tǒng)的偏振濾光片對(duì)于消除某些車型的反射是無效的。我聽說有一些智能交通系統(tǒng)項(xiàng)目由于這個(gè)問題而沒法實(shí)現(xiàn)。我希望索尼的偏振圖像傳感器能夠在這種情況下取得突破。

問：如果偏振圖像傳感器與人工智能（AI）相結(jié)合，未來會(huì)發(fā)生什么？

Yamagishi：對(duì)于人工智能而言，有更多的數(shù)據(jù)作為判斷依據(jù)總是有利的。從這個(gè)意義上來說，增加“偏振”這個(gè)維度的信息是非常有幫助的。而且，在反射光產(chǎn)生干擾的場(chǎng)景中，偏振傳感技術(shù)可以過濾掉不需要的信息，這是一個(gè)強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。通過偏振圖像傳感器去除不需要的信息，可以大幅提高人工智能的判斷精度。因此，偏振圖像傳感器與人工智能結(jié)合，無論是出于增加信息的目的，還是便于篩選的目的，都非常適合。

類似地，將偏振圖像傳感器與其它類型的傳感器結(jié)合，可能有助于進(jìn)一步提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性，例如通過多光譜傳感技術(shù)檢測(cè)肉類的新鮮度時(shí)，人工智能可以利用波長(zhǎng)和偏振信息來做出判斷，大大提升檢測(cè)精度。

Kato：我也認(rèn)同偏振圖像傳感器和人工智能是非常好的搭配。因?yàn)檫@樣能獲取更多光的信息，原理上可以提升識(shí)別精度。

我們?cè)枚喾N傳感器+深度學(xué)習(xí)技術(shù)比較人、車輛、透明瓶等物體的識(shí)別率，發(fā)現(xiàn)在測(cè)試環(huán)境中，無論什么情況下，都是偏振圖像傳感器的識(shí)別率更高。

為了將偏振圖像傳感器和人工智能結(jié)合并應(yīng)用在實(shí)際場(chǎng)景中，除了需要圖像數(shù)據(jù)處理的知識(shí)外，還必須對(duì)“偏振”有一定程度的理解。這使得技術(shù)難度或許提高，但正因如此，也是一個(gè)充滿商機(jī)的嶄新領(lǐng)域。

研發(fā)和量產(chǎn)并不是終點(diǎn)，我們將滿足不同客戶的需求，拓展偏振傳感技術(shù)潛力

問：今后，你們還將應(yīng)對(duì)哪些挑戰(zhàn)？

Yamazaki：偏光圖像傳感器有其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)，但目前還有一些缺陷，例如偏振圖像傳感器因?yàn)榧闪似駷V光片而導(dǎo)致感光靈敏度和圖像分辨率受損。所以，我們今后想開發(fā)一種感光靈敏度和圖像分辨率不會(huì)下降的偏振圖像傳感器，從而拓寬該傳感器的應(yīng)用范圍。

從結(jié)構(gòu)上來說，各種規(guī)格的圖像傳感器上都可以集成偏振濾光片。隨著未來對(duì)偏振傳感技術(shù)需求的增長(zhǎng)，對(duì)偏振圖像傳感器的需求將會(huì)多樣化。因此，我們會(huì)嘗試開發(fā)高品質(zhì)的測(cè)試環(huán)境和光源技術(shù)，確保產(chǎn)品的高質(zhì)量。

Osawa：最近，我與客戶交流的機(jī)會(huì)越來越多，由此也傾聽到客戶面臨的各種挑戰(zhàn)。憑借索尼強(qiáng)大的傳感器系列產(chǎn)品，包括偏振圖像傳感器，我們希望能夠幫助客戶實(shí)現(xiàn)最佳的應(yīng)用解決方案。如果在尋找解決方案時(shí)遇到難題，我們會(huì)以此為契機(jī)開發(fā)新的技術(shù)，為一個(gè)更加美好的世界而做出貢獻(xiàn)。

Kato：我相信隨著傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，將使得機(jī)器代替人類完成各項(xiàng)任務(wù)，從而將人類從單純的作業(yè)任務(wù)中解放出來。這將幫助我們擁有更多時(shí)間來豐富生活。但是，像這種復(fù)雜的偏振傳感技術(shù)，如果很難導(dǎo)入實(shí)際生活和生產(chǎn)中，那么技術(shù)的價(jià)值就大打折扣了。因此，我認(rèn)為必須關(guān)注并創(chuàng)建讓客戶順暢使用這些技術(shù)的環(huán)境。技術(shù)被實(shí)際使用之后才體現(xiàn)價(jià)值。因此，我們會(huì)努力推動(dòng)新技術(shù)的實(shí)用化。

原文標(biāo)題：索尼講述首款偏振圖像傳感器的研發(fā)歷程

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