索尼三星統(tǒng)領CMOS圖像傳感器市場底氣

1、索尼三星統(tǒng)領CMO筆像傳感器市場底氣2020-04-09【導讀】智能手機的相機功能可以有多強？三星電子（Samsung近期發(fā)表的最新旗艦型5G手機，樹立了一個新典范。該款新手機的拍攝畫素來到了1億800萬的等級，可拍攝8K的影片，而且最大的變焦數(shù)來到了史無前例的100倍，更驚人的是，幾乎克服了夜間低光源的拍攝困難，實現(xiàn)了隨時、隨地、隨身的高 品質攝影的可能。達成這個目標背后的功臣，就是先進的CMO影像感測器技術，而三星所使用的， 是一個名為ISOCELL的影像感測器系統(tǒng)。該產品是三星自行研發(fā)的CMO影像 感測技術，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）技術更新，而這 次的更新是一個重大的升級，因為三星正式將 3層堆疊架構運用在CMO影像感 測器上。異構整合CMOSS入感測+邏輯+ DRAMJ代在此之前，一般的CMO感測器是采兩層的結構，也就是把產生光感訊號的畫素 陣列（pixel array ）感測器，以及進行電子與數(shù)位訊號轉換的邏輯運算器進行 堆疊，借此加快運算的速度，并減少 DRAM勺使用。圖一：三星把DRAME合至影像感測器之中，完成了一種三層的架構。(source：這種雙層的結構對于實際的影像拍攝來了諸多的好處，最明顯的就是實現(xiàn)了超高的畫素(image readouts )讀取性能，并

3、讓電子快門的即時取景，與順暢的超級 慢動作成為可能。站在這個基礎上，三星進一步把 DRAMI合至感測器的結構之中。他們把 2GB的 LPDDR4)RAMK于邏輯層之下，完成了一種三層的架構，并帶來了超高速的的影 像拍攝性能。由于整合了 2GB的DRAM感測器可以在把數(shù)據(jù)傳送到處理器之前，暫時儲存大量的影像資訊，所產生的結果就是超高速的電子影像快門，以及清晰無比的錄影功能，對于拍攝者而言，就是更強大的照相能力，以及超高解析的影片拍攝。最 明顯的改進，就是消除了過去 CMO感測器的照片變形與所謂的果凍現(xiàn)象(Rolling shutter )。另一方面，高速快門與瞬時儲存多重畫幀(multiple

4、frames )的性能，就能支 援3D降噪(Noise Reduction )以及更高階的高動態(tài)范圍成像(HDR 。而這對 經常需要在室內拍攝的手機來說，是非常重要的提升。事實上，三星并不是第一個使用三層式堆疊技術的業(yè)者，早在 2017年，Sony就 發(fā)表了三層式的堆疊CMO影像感測器技術。但是不同于三星，Sony的DRAM!是為在中間，畫素感測在前，邏輯電路則是在后。此設計同樣達成了高畫素與更 快的影像幀數(shù)，讓智能手機的拍攝有了全新的思考。近期，Sony則是進一步把堆疊式CMO影像感測器技術拓展至工業(yè)領域上。他們 與Prophesee合作開發(fā)的新一代事件導向(Event-based) CMO

5、S!覺感測器，就 是把光學畫素陣列感測器堆疊在邏輯處理器之上，并以銅墊( copper pads )連 接的方式取代過去采TSV的作法。透過這個堆疊的架構，Sony實現(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影像感測器DRAMDRA MlSf料5K源:Sony : CTIMES鋤圖二：Sony的DRAM1是為在中間，畫素感測在前，邏輯電路則是在后 一直以來，Prophesee的事件導向影像感測技術，就是以高光學資料讀取量與快 速的畫素反應著稱，再與Sony高敏感與低雜訊的CMO影像感測器結合，兩者合

6、 一，則是產生了兼具速度與質量的影像感測產品。 而采用堆疊的結構，則又更進 一步縮減了晶片的面積，這對于物聯(lián)時代寸土寸金的產品體積來說， 十分有經濟 效益，尤其是機器視覺與安全監(jiān)控等應用。堆置式架橫縮減影像感測晶片尺寸圖三：采用堆疊的結構，則又更進一步縮減了晶片的面積。先進軟體演算贊力畫素與解析力倍增而盡管堆疊的架構能為影像資料的運算與晶片體積帶來突破， 但影像本身的質量 則是完全取決于感測技術對光感的畫素反應， 要有更細致與更大量的畫素，就要 在畫素層的技術著手，讓光感反應更敏感，同時畫素資料更細致。以Sony為例，就是采用背照式(Back-illuminated )的影像感測結構，再搭配

7、自主研發(fā)的專屬畫素結構(proprietary pixel structure )技術，達成了優(yōu)越 的敏感度，同時也改善了過去畫素微小化的缺陷。風格理毒躇徑*”式舞A '和dtiWhJI OAF < u IT fiTlHT圖四：背照式（Back-illuminated的影像感測結構。透過這個技術，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，感測器得以針對更廣的區(qū)域進行偵測與量測， 這意味著能夠產生更多更精細的訊號，所以整體的解析度也較前照式架構增加了 1.7 倍。至于三星則是運用獨家的畫素模擬技術 增加的困境，他們透過特殊的演算法

8、， 測器的彩色濾光片。Teracell，來突破實體感測畫素無法 讓畫素以四個為一組的形式安排在影像感當處于低光源的拍攝時，演算法就會把四個畫素模擬成一個，讓畫素變大；反之， 在明亮的環(huán)境時，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，借此產生更高解析度的照片。這個技術不僅改善了明暗成像 的性能，同時也增加了 HDR&高對比環(huán)境中的拍照能力，等于全面提升了手機的 拍攝能力。而三星最新一代的ISOCELLBright HM1則是更進一步采用了新的Nonacell 技術，它其實是Teracell的升級版。不同于前代使用四畫素（2 x 2） 一組的結 構，新的Nonacell則是使用9畫素（3 x 3） 一組的結構，把拍攝畫素一舉推升 到了 1億800萬的等級，同時新的感測器的畫素尺寸則是縮小至0.8仙m意味著能夠對光感測訊號有更細致的敏感度，在明暗兩端的拍攝也更加突出。結語就系統(tǒng)設計的觀點，CMO影像感測器本身的體積只能有減無增，并不允許其占 用過多的裝置空間。而在這個前提下，想要達成更佳的拍攝品質，就只能從制程 與設計結構來改善。但若從應用的角度切入，則拍照與攝影其實是軟硬體協(xié)同產出的結果，所以想要突破目前的成像限制，更多的光學工程設計與軟體優(yōu)化的技