據麥姆斯咨詢介紹，偏振圖像傳感器（Polarization Image Sensor），或稱為偏光圖像傳感器，能夠將人眼無法察覺的光的偏振特性可視化。這項成像技術不僅為制造業和智能交通提供了一個很有前景的應用潛力，而且還將其優勢進一步擴展到醫療、安防等領域。

成像技術并不僅僅在于創建我們可以看到的視覺圖像，在索尼半導體解決方案集團（Sony Semiconductor Solutions Group，簡稱：SSS集團），我們還追求捕捉人眼無法看到的圖像，并應對種種成像技術挑戰。

偏振圖像傳感器可以檢測偏振光——這是我們肉眼看不見的光波振動方向，輕松實現了傳統方法難以做到的任務，例如物體形狀識別、反射清除、變形及劃痕檢測。索尼（Sony）研發團隊懷揣著偉大的想法在這項傳感技術研究中努力工作。他們鉆研了這個“深邃”的偏振領域，全球首創了半導體芯片和偏振濾光片的制造工藝融合，實現了工業級偏振圖像傳感器的量產。這為制造業、智能交通系統（ITS）、醫療、安防，以及科學研究等領域的發展提供了巨大潛力。近期，該研發團隊的4位成員講述了他們如何開發這種偏振傳感技術，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的檢測精度

問：什么是偏振和偏振圖像傳感器？

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

簡單地說，我們人類眼鏡只能感知光的部分參數，例如光的亮度、顏色和傳播方向，但光波的振動方向——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方向，可用于檢測光照射到物體表面時振動方向的變化，進而實現物體形狀識別、消除水或玻璃表面上的干擾反射光以看清另一側的物體。

問：偏振圖像傳感器的用途有哪些？

Kato：目前，制造業和智能交通系統已經進行評估并導入偏振圖像傳感器。在制造業方面已經有部分應用，例如玻璃或透明塑料產品的變形檢查、金屬產品的目視檢查，以及顯微鏡等。索尼研發的集成4向（0°、45°、90°和135°）偏振濾光片的圖像傳感器逐步將應用范圍擴展到新的領域，例如在制造業中，傳統的黑色物體檢查是使用肉眼完成的，這產生很高的檢查失敗率，而使用偏振圖像傳感器可以實現檢測的自動化。又如，在以前需要旋轉偏振濾光片并拍攝多張照片以識別缺陷部件的地方，偏振圖像傳感器可以一次完成任務。針對智能交通系統，偏振圖像傳感器在去除車輛擋風玻璃上的反射光方面具有價值。此外，越來越多的行業對偏振圖像傳感器表現出興趣，例如醫療、科學研究、安防、移動設備等。

問：圖像傳感器和偏振濾光片必須解決哪些困難？

Kato：工業傳感應用所需要的不是人眼覺得美麗的影像，而是定量數據，從而可以判斷產品成色、有無附著物或劃痕等異物、物體識別等。傳感技術依賴于對比度的變化。傳統的圖像傳感器識別的是亮度和顏色的對比度變化。對于偏振圖像傳感器，還有一個附加參數，即偏振光的對比度。這有助于實現更準確的檢測。傳統方法使用偏振濾光片獲得偏振信息，需要拍攝多次，每次旋轉物體或偏振濾光片。由于需要使用機械裝置來旋轉偏振濾光片，因此成為一個耗時的過程，這使得將偏振應用于生產線的檢查并不實際。索尼的偏振圖像傳感器集成了4向偏振濾光片，可實現一次拍攝即可獲得偏振圖像。這意味著可以實時獲取偏振信息。

在研發過程中遇到超出想象的困難，團隊的創造力和問題解決能力是前進的動力

問：這是一個沒有先例的偏振圖像傳感器研發項目，你們的理念是什么？

Yamazaki：由于我們研發的產品是市面上沒有的，具備世界首創微納結構的偏振圖像傳感器。因此，很多方面都是全新的體驗。

例如，我們必須弄清楚圖像傳感器需要什么樣的偏振元件，應該測量什么才能獲得所需的偏振信息，以及我們應該達到什么樣的精度水平。在偏振數據處理方面，我們與索尼研發部門的偏振算法開發團隊密切合作，通過文獻調查和反復的偏振模擬，以及對反射光去除和物體形狀識別處理數據的現場測試，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固有特性，那就是消光比。它是指示偏振測量準確度的參數。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，最終達到了目標設定的消光比，同時兼顧了透光率。

Kato：關于結構，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擾問題造成的數據誤差，

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問：你們如何克服消光比和透光率的權衡關系問題？

Yamazaki：最初，我們從工藝穩定性和可靠性的角度出發，采用氧化膜填充偏振濾光片的超薄金屬板間隙，但結果證明這種方法無法解決消光比和透光率的權衡關系。理論上，只要使偏振濾光片的寬度和間隙遠遠小于光的波長（即要求更細的光柵和更窄的間隙），就能提高消光比和透光率的特性，但在金屬加工技術上存在限制。另外，我們注意到因為通過氧化膜時，光的波長變短，如果使用以氧化膜填充偏振濾光片的結構間隙，則需要進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構。這種創新的結構解決了消光比和透光率的權衡關系問題。一個關鍵問題得到了解決，但還有一系列其他挑戰等待著我們。例如，需要確立氣隙結構的穩定性和可靠性，利用納米級加工實現偏振濾光片的多層結構，并將這種極小的結構集成在圖像傳感器的不平坦表面上。

Osawa：在量產方面，需要保證這種微納結構達到一定的質量水平。如果以500萬像素圖像傳感器為例，則必須為500萬個像素都實施這種微納加工并確保均一的品質。保持高質量和成品率是一項非常具有挑戰性的任務，但是同時，這也是一直以來索尼備受客戶好評的重要原因。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量。

問：作為全球首創的偏振圖像傳感器，在產品評價標準上難度有多大？

Yamagishi：我所在的團隊負責建立偏振圖像傳感器的評估方法。一般情況下，光源產生的光只要不通過偏振濾光片，就會被認為是非偏振光。因此，我一開始認為只要在常規圖像傳感器的評價光源里安裝上偏振濾光片和轉動結構，就能簡單地開發出偏振圖像傳感器的評價測試環境。但實際實驗后發現，偏振圖像傳感器像素輸出結果與設想的完全不同，測試開發非常不順利。然后我們對光源本身進行了細致的調查，發現該光源的偏光狀態就不是均勻的，其發出的光有很少一部分就存在偏振性。

市場上銷售的光源在光強、均勻性等方面有相應的規格參數，但沒有提供偏振特性，因此廠商自然也不會保證偏振品質。即使是相同產品型號的光源，因為沒有明確規格，個體間的偏振狀態也是存在差異的（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。此外，我們在評價中還發現經判斷沒有問題而實際被用于評價的光源，其偏振狀態會隨著時間的推移而發生改變。因此在評估測試過程中，我們為此提出了一系列的應對措施。

同樣地，偏振濾光片在購買后首先需要進行測試和驗證。如果它們沒有達到預期的水平，我們需要采購更多種的偏振濾光片并重復最初的過程，這使我們的困難遠遠超過最初的預期。

Osawa：雖然設計和制造過程很重要，但還有一個同樣重要的因素，那就是對批量生產的晶圓進行裝運前檢查，以確保產品質量。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的專業知識和技術經驗，在索尼半導體制造公司（Sony Semiconductor Manufacturing Corporation）熊本技術中心的工程師幫助下，改進檢查工序，不斷積累檢查數據，最終確立了索尼偏振圖像傳感器的高品質檢測手段。

話雖這么說，但它并不像聽起來那么簡單。我們經常會遇到沒有按預期得到測試結果的情況。每次發生這種情況時，我們都會分析評估環境、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據和專業知識，但在偏振特性方面幾乎沒有積累，傳統方法往往以失敗告終。從頭開始創造新的事物是一場巨大的斗爭。

幸運的是，我們有元器件、設備、光學等方面的專家，他們能夠快速正確地進行改進，在將高質量的偏振圖像傳感器推向市場方面做出了無價的貢獻。

偏振圖像傳感器市場仍處于早期階段，市場和應用面臨考驗

問：偏振圖像傳感器可以提供哪些應用解決方案？

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

索尼的偏振圖像傳感器使上述類型的檢查自動化成為可能，并且還降低了誤識別的機率。此外，它還解決了必須旋轉偏振濾光片的耗時、逐點識別缺陷等問題。如果采用偏振圖像傳感器，能夠實現“一拍即測”，獲得視場內清晰的全貌。這將有助于減少檢查所需的時間和人力。

其它使用偏振圖像傳感器的應用解決方案還包括反射光去除、3D識別、材料識別、透明材料的失真檢測等。

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

目前，很多機器視覺相機已經搭載了我們的偏振圖像傳感器，并開始在市場上銷售了，歡迎感興趣的朋友試用和評價。

問：偏振圖像傳感器的未來應用趨勢如何？

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

對于制造業而言，偏振圖像傳感器有望在檢查中得到更多應用。潛在地，偏振圖像傳感器可以對以前無法自動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。

另外在智能交通系統方面，偏振圖像傳感器可以提供的應用解決方案是為去除車窗上的反射光。傳統的偏振濾光片對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項目由于這個問題而沒法實現。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）相結合，未來會發生什么？

Yamagishi：對于人工智能而言，有更多的數據作為判斷依據總是有利的。從這個意義上來說，增加“偏振”這個維度的信息是非常有幫助的。而且，在反射光產生干擾的場景中，偏振傳感技術可以過濾掉不需要的信息，這是一個強大的優勢。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合，可能有助于進一步提高檢測的準確性，例如通過多光譜傳感技術檢測肉類的新鮮度時，人工智能可以利用波長和偏振信息來做出判斷，大大提升檢測精度。

Kato：我也認同偏振圖像傳感器和人工智能是非常好的搭配。因為這樣能獲取更多光的信息，原理上可以提升識別精度。

我們曾利用多種傳感器+深度學習技術比較人、車輛、透明瓶等物體的識別率，發現在測試環境中，無論什么情況下，都是偏振圖像傳感器的識別率更高。

為了將偏振圖像傳感器和人工智能結合并應用在實際場景中，除了需要圖像數據處理的知識外，還必須對“偏振”有一定程度的理解。這使得技術難度或許提高，但正因如此，也是一個充滿商機的嶄新領域。

研發和量產并不是終點，我們將滿足不同客戶的需求，拓展偏振傳感技術潛力

問：今后，你們還將應對哪些挑戰？

Yamazaki：偏光圖像傳感器有其獨有的優點，但目前還有一些缺陷，例如偏振圖像傳感器因為集成了偏振濾光片而導致感光靈敏度和圖像分辨率受損。所以，我們今后想開發一種感光靈敏度和圖像分辨率不會下降的偏振圖像傳感器，從而拓寬該傳感器的應用范圍。

從結構上來說，各種規格的圖像傳感器上都可以集成偏振濾光片。隨著未來對偏振傳感技術需求的增長，對偏振圖像傳感器的需求將會多樣化。因此，我們會嘗試開發高品質的測試環境和光源技術，確保產品的高質量。

Osawa：最近，我與客戶交流的機會越來越多，由此也傾聽到客戶面臨的各種挑戰。憑借索尼強大的傳感器系列產品，包括偏振圖像傳感器，我們希望能夠幫助客戶實現最佳的應用解決方案。如果在尋找解決方案時遇到難題，我們會以此為契機開發新的技術，為一個更加美好的世界而做出貢獻。

Kato：我相信隨著傳感技術的不斷發展，將使得機器代替人類完成各項任務，從而將人類從單純的作業任務中解放出來。這將幫助我們擁有更多時間來豐富生活。但是，像這種復雜的偏振傳感技術，如果很難導入實際生活和生產中，那么技術的價值就大打折扣了。因此，我認為必須關注并創建讓客戶順暢使用這些技術的環境。技術被實際使用之后才體現價值。因此，我們會努力推動新技術的實用化。

原文標題：索尼講述首款偏振圖像傳感器的研發歷程

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責任編輯：haq