索尼三星统领CMOS图像传感器市场底气

1、索尼三星统领CMO笔像传感器市场底气2020-04-09【导读】智能手机的相机功能可以有多强？三星电子（Samsung近期发表的最新旗舰型5G手机，树立了一个新典范。该款新手机的拍摄画素来到了1亿800万的等级，可拍摄8K的影片，而且最大的变焦数来到了史无前例的100倍，更惊人的是，几乎克服了夜间低光源的拍摄困难，实现了随时、随地、随身的高 品质摄影的可能。达成这个目标背后的功臣，就是先进的CMO影像感测器技术，而三星所使用的， 是一个名为ISOCELL的影像感测器系统。该产品是三星自行研发的CMO影像 感测技术，目前最新的一代为ISOCELL Bright HM1。在2018年初，三星宣布了

2、新一代的ISOCELL （Fast 2L3版本）技术更新，而这 次的更新是一个重大的升级，因为三星正式将 3层堆叠架构运用在CMO影像感 测器上。异构整合CMOSS入感测+逻辑+ DRAMJ代在此之前，一般的CMO感测器是采两层的结构，也就是把产生光感讯号的画素 阵列（pixel array ）感测器，以及进行电子与数位讯号转换的逻辑运算器进行 堆叠，借此加快运算的速度，并减少 DRAM勺使用。图一：三星把DRAME合至影像感测器之中，完成了一种三层的架构。(source：这种双层的结构对于实际的影像拍摄来了诸多的好处，最明显的就是实现了超高的画素(image readouts )读取性能，并

3、让电子快门的即时取景，与顺畅的超级 慢动作成为可能。站在这个基础上，三星进一步把 DRAMI合至感测器的结构之中。他们把 2GB的 LPDDR4)RAMK于逻辑层之下，完成了一种三层的架构，并带来了超高速的的影 像拍摄性能。由于整合了 2GB的DRAM感测器可以在把数据传送到处理器之前，暂时储存大量的影像资讯，所产生的结果就是超高速的电子影像快门，以及清晰无比的录影功能，对于拍摄者而言，就是更强大的照相能力，以及超高解析的影片拍摄。最 明显的改进，就是消除了过去 CMO感测器的照片变形与所谓的果冻现象(Rolling shutter )。另一方面，高速快门与瞬时储存多重画帧(multiple

4、frames )的性能，就能支 援3D降噪(Noise Reduction )以及更高阶的高动态范围成像(HDR 。而这对 经常需要在室内拍摄的手机来说，是非常重要的提升。事实上，三星并不是第一个使用三层式堆叠技术的业者，早在 2017年，Sony就 发表了三层式的堆叠CMO影像感测器技术。但是不同于三星，Sony的DRAM!是为在中间，画素感测在前，逻辑电路则是在后。此设计同样达成了高画素与更 快的影像帧数，让智能手机的拍摄有了全新的思考。近期，Sony则是进一步把堆叠式CMO影像感测器技术拓展至工业领域上。他们 与Prophesee合作开发的新一代事件导向(Event-based) CMO

5、S!觉感测器，就 是把光学画素阵列感测器堆叠在逻辑处理器之上，并以铜垫( copper pads )连 接的方式取代过去采TSV的作法。透过这个堆叠的架构，Sony实现了业界最小 的画素尺寸(1 4.86 m),和最高的 HDR勺性能(1 124dB)。背照式(Back-illu minted)CMOS影像感测器DRAMDRA MlSf料5K源:Sony : CTIMES锄图二：Sony的DRAM1是为在中间，画素感测在前，逻辑电路则是在后 一直以来，Prophesee的事件导向影像感测技术，就是以高光学资料读取量与快 速的画素反应著称，再与Sony高敏感与低杂讯的CMO影像感测器结合，两者合

6、 一，则是产生了兼具速度与质量的影像感测产品。 而采用堆叠的结构，则又更进 一步缩减了晶片的面积，这对于物联时代寸土寸金的产品体积来说， 十分有经济 效益，尤其是机器视觉与安全监控等应用。堆置式架横缩减影像感测晶片尺寸图三：采用堆叠的结构，则又更进一步缩减了晶片的面积。先进软体演算赞力画素与解析力倍增而尽管堆叠的架构能为影像资料的运算与晶片体积带来突破， 但影像本身的质量 则是完全取决于感测技术对光感的画素反应， 要有更细致与更大量的画素，就要 在画素层的技术着手，让光感反应更敏感，同时画素资料更细致。以Sony为例，就是采用背照式(Back-illuminated )的影像感测结构，再搭配

7、自主研发的专属画素结构(proprietary pixel structure )技术，达成了优越 的敏感度，同时也改善了过去画素微小化的缺陷。风格理毒躇径*”式舞A '和dtiWhJI OAF < u IT fiTlHT图四：背照式（Back-illuminated的影像感测结构。透过这个技术，Sony把画素微缩至2.74 m并维持了元件的敏感度以及色彩 饱和度，也由于采用后照式的形式，感测器得以针对更广的区域进行侦测与量测， 这意味着能够产生更多更精细的讯号，所以整体的解析度也较前照式架构增加了 1.7 倍。至于三星则是运用独家的画素模拟技术 增加的困境，他们透过特殊的演算法

8、， 测器的彩色滤光片。Teracell，来突破实体感测画素无法 让画素以四个为一组的形式安排在影像感当处于低光源的拍摄时，演算法就会把四个画素模拟成一个，让画素变大；反之， 在明亮的环境时，则使用称之为再马赛克（re-mosaic）演算法，把原本的 画素再分割成四格，借此产生更高解析度的照片。这个技术不仅改善了明暗成像 的性能，同时也增加了 HDR&高对比环境中的拍照能力，等于全面提升了手机的 拍摄能力。而三星最新一代的ISOCELLBright HM1则是更进一步采用了新的Nonacell 技术，它其实是Teracell的升级版。不同于前代使用四画素（2 x 2） 一组的结 构，新的Nonacell则是使用9画素（3 x 3） 一组的结构，把拍摄画素一举推升 到了 1亿800万的等级，同时新的感测器的画素尺寸则是缩小至0.8仙m意味着能够对光感测讯号有更细致的敏感度，在明暗两端的拍摄也更加突出。结语就系统设计的观点，CMO影像感测器本身的体积只能有减无增，并不允许其占 用过多的装置空间。而在这个前提下，想要达成更佳的拍摄品质，就只能从制程 与设计结构来改善。但若从应用的角度切入，则拍照与摄影其实是软硬体协同产出的结果，所以想要突破目前的成像限制，更多的光学工程设计与软体优化的技