索尼三星統(tǒng)領(lǐng)CMOS圖像傳感器市場(chǎng)底氣

1、索尼三星統(tǒng)領(lǐng)CMO筆像傳感器市場(chǎng)底氣2020-04-09【導(dǎo)讀】智能手機(jī)的相機(jī)功能可以有多強(qiáng)？三星電子（Samsung近期發(fā)表的最新旗艦型5G手機(jī)，樹(shù)立了一個(gè)新典范。該款新手機(jī)的拍攝畫素來(lái)到了1億800萬(wàn)的等級(jí)，可拍攝8K的影片，而且最大的變焦數(shù)來(lái)到了史無(wú)前例的100倍，更驚人的是，幾乎克服了夜間低光源的拍攝困難，實(shí)現(xiàn)了隨時(shí)、隨地、隨身的高 品質(zhì)攝影的可能。達(dá)成這個(gè)目標(biāo)背后的功臣，就是先進(jìn)的CMO影像感測(cè)器技術(shù)，而三星所使用的， 是一個(gè)名為ISOCELL的影像感測(cè)器系統(tǒng)。該產(chǎn)品是三星自行研發(fā)的CMO影像 感測(cè)技術(shù)，目前最新的一代為ISOCELL Bright HM1。在2018年初，三星宣布了

2、新一代的ISOCELL （Fast 2L3版本）技術(shù)更新，而這 次的更新是一個(gè)重大的升級(jí)，因?yàn)槿钦綄?3層堆疊架構(gòu)運(yùn)用在CMO影像感 測(cè)器上。異構(gòu)整合CMOSS入感測(cè)+邏輯+ DRAMJ代在此之前，一般的CMO感測(cè)器是采兩層的結(jié)構(gòu)，也就是把產(chǎn)生光感訊號(hào)的畫素 陣列（pixel array ）感測(cè)器，以及進(jìn)行電子與數(shù)位訊號(hào)轉(zhuǎn)換的邏輯運(yùn)算器進(jìn)行 堆疊，借此加快運(yùn)算的速度，并減少 DRAM勺使用。圖一：三星把DRAME合至影像感測(cè)器之中，完成了一種三層的架構(gòu)。(source：這種雙層的結(jié)構(gòu)對(duì)于實(shí)際的影像拍攝來(lái)了諸多的好處，最明顯的就是實(shí)現(xiàn)了超高的畫素(image readouts )讀取性能，并

3、讓電子快門的即時(shí)取景，與順暢的超級(jí) 慢動(dòng)作成為可能。站在這個(gè)基礎(chǔ)上，三星進(jìn)一步把 DRAMI合至感測(cè)器的結(jié)構(gòu)之中。他們把 2GB的 LPDDR4)RAMK于邏輯層之下，完成了一種三層的架構(gòu)，并帶來(lái)了超高速的的影 像拍攝性能。由于整合了 2GB的DRAM感測(cè)器可以在把數(shù)據(jù)傳送到處理器之前，暫時(shí)儲(chǔ)存大量的影像資訊，所產(chǎn)生的結(jié)果就是超高速的電子影像快門，以及清晰無(wú)比的錄影功能，對(duì)于拍攝者而言，就是更強(qiáng)大的照相能力，以及超高解析的影片拍攝。最 明顯的改進(jìn)，就是消除了過(guò)去 CMO感測(cè)器的照片變形與所謂的果凍現(xiàn)象(Rolling shutter )。另一方面，高速快門與瞬時(shí)儲(chǔ)存多重畫幀(multiple

4、frames )的性能，就能支 援3D降噪(Noise Reduction )以及更高階的高動(dòng)態(tài)范圍成像(HDR 。而這對(duì) 經(jīng)常需要在室內(nèi)拍攝的手機(jī)來(lái)說(shuō)，是非常重要的提升。事實(shí)上，三星并不是第一個(gè)使用三層式堆疊技術(shù)的業(yè)者，早在 2017年，Sony就 發(fā)表了三層式的堆疊CMO影像感測(cè)器技術(shù)。但是不同于三星，Sony的DRAM!是為在中間，畫素感測(cè)在前，邏輯電路則是在后。此設(shè)計(jì)同樣達(dá)成了高畫素與更 快的影像幀數(shù)，讓智能手機(jī)的拍攝有了全新的思考。近期，Sony則是進(jìn)一步把堆疊式CMO影像感測(cè)器技術(shù)拓展至工業(yè)領(lǐng)域上。他們 與Prophesee合作開(kāi)發(fā)的新一代事件導(dǎo)向(Event-based) CMO

5、S!覺(jué)感測(cè)器，就 是把光學(xué)畫素陣列感測(cè)器堆疊在邏輯處理器之上，并以銅墊( copper pads )連 接的方式取代過(guò)去采TSV的作法。透過(guò)這個(gè)堆疊的架構(gòu)，Sony實(shí)現(xiàn)了業(yè)界最小 的畫素尺寸(1 4.86 m),和最高的 HDR勺性能(1 124dB)。背照式(Back-illu minted)CMOS影像感測(cè)器DRAMDRA MlSf料5K源:Sony : CTIMES鋤圖二：Sony的DRAM1是為在中間，畫素感測(cè)在前，邏輯電路則是在后 一直以來(lái)，Prophesee的事件導(dǎo)向影像感測(cè)技術(shù)，就是以高光學(xué)資料讀取量與快 速的畫素反應(yīng)著稱，再與Sony高敏感與低雜訊的CMO影像感測(cè)器結(jié)合，兩者合

6、 一，則是產(chǎn)生了兼具速度與質(zhì)量的影像感測(cè)產(chǎn)品。 而采用堆疊的結(jié)構(gòu)，則又更進(jìn) 一步縮減了晶片的面積，這對(duì)于物聯(lián)時(shí)代寸土寸金的產(chǎn)品體積來(lái)說(shuō)， 十分有經(jīng)濟(jì) 效益，尤其是機(jī)器視覺(jué)與安全監(jiān)控等應(yīng)用。堆置式架橫縮減影像感測(cè)晶片尺寸圖三：采用堆疊的結(jié)構(gòu)，則又更進(jìn)一步縮減了晶片的面積。先進(jìn)軟體演算贊力畫素與解析力倍增而盡管堆疊的架構(gòu)能為影像資料的運(yùn)算與晶片體積帶來(lái)突破， 但影像本身的質(zhì)量 則是完全取決于感測(cè)技術(shù)對(duì)光感的畫素反應(yīng)， 要有更細(xì)致與更大量的畫素，就要 在畫素層的技術(shù)著手，讓光感反應(yīng)更敏感，同時(shí)畫素資料更細(xì)致。以Sony為例，就是采用背照式(Back-illuminated )的影像感測(cè)結(jié)構(gòu)，再搭配

7、自主研發(fā)的專屬畫素結(jié)構(gòu)(proprietary pixel structure )技術(shù)，達(dá)成了優(yōu)越 的敏感度，同時(shí)也改善了過(guò)去畫素微小化的缺陷。風(fēng)格理毒躇徑*”式舞A '和dtiWhJI OAF < u IT fiTlHT圖四：背照式（Back-illuminated的影像感測(cè)結(jié)構(gòu)。透過(guò)這個(gè)技術(shù)，Sony把畫素微縮至2.74 m并維持了元件的敏感度以及色彩 飽和度，也由于采用后照式的形式，感測(cè)器得以針對(duì)更廣的區(qū)域進(jìn)行偵測(cè)與量測(cè)， 這意味著能夠產(chǎn)生更多更精細(xì)的訊號(hào)，所以整體的解析度也較前照式架構(gòu)增加了 1.7 倍。至于三星則是運(yùn)用獨(dú)家的畫素模擬技術(shù) 增加的困境，他們透過(guò)特殊的演算法

8、， 測(cè)器的彩色濾光片。Teracell，來(lái)突破實(shí)體感測(cè)畫素?zé)o法 讓畫素以四個(gè)為一組的形式安排在影像感當(dāng)處于低光源的拍攝時(shí)，演算法就會(huì)把四個(gè)畫素模擬成一個(gè)，讓畫素變大；反之， 在明亮的環(huán)境時(shí)，則使用稱之為再馬賽克（re-mosaic）演算法，把原本的 畫素再分割成四格，借此產(chǎn)生更高解析度的照片。這個(gè)技術(shù)不僅改善了明暗成像 的性能，同時(shí)也增加了 HDR&高對(duì)比環(huán)境中的拍照能力，等于全面提升了手機(jī)的 拍攝能力。而三星最新一代的ISOCELLBright HM1則是更進(jìn)一步采用了新的Nonacell 技術(shù)，它其實(shí)是Teracell的升級(jí)版。不同于前代使用四畫素（2 x 2） 一組的結(jié) 構(gòu)，新的Nonacell則是使用9畫素（3 x 3） 一組的結(jié)構(gòu)，把拍攝畫素一舉推升 到了 1億800萬(wàn)的等級(jí)，同時(shí)新的感測(cè)器的畫素尺寸則是縮小至0.8仙m意味著能夠?qū)飧袦y(cè)訊號(hào)有更細(xì)致的敏感度，在明暗兩端的拍攝也更加突出。結(jié)語(yǔ)就系統(tǒng)設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)，CMO影像感測(cè)器本身的體積只能有減無(wú)增，并不允許其占 用過(guò)多的裝置空間。而在這個(gè)前提下，想要達(dá)成更佳的拍攝品質(zhì)，就只能從制程 與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來(lái)改善。但若從應(yīng)用的角度切入，則拍照與攝影其實(shí)是軟硬體協(xié)同產(chǎn)出的結(jié)果，所以想要突破目前的成像限制，更多的光學(xué)工程設(shè)計(jì)與軟體優(yōu)化的技