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CMOS图像传感器行业 ​索尼三星各发优势

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-06-26  浏览次数:746
核心提示:顾拜旦简介 三星至爱小鬼宣布了新一代的ISOCELL(Fa酷毙st2L3版本)技术更新,而这次的更新是一个重宝嘉丽官网大的升级,因为三星正式将3层堆叠架构运用在CMOS影像感测器上。 异构整合CMOS进入感测+逻辑+DRAM时代 在此之前,一般的CMOS感测器是采
三星宣布了新一代的ISOCELL(Fast2L3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CMOS影像感测器上。
异构整合CMOS进入感测+逻辑+DRAM时代

在此之前,一般的CMOS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(pixelarray)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的使用。

图一:三星把DRAM整合至影像感测器之中,完成了一种三层的架构。(source:三星)
这种双层的结构对于实际的影像拍摄来了诸多的好处, 明显的就是实现了超高的画素(imagereadouts)读取性能,并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DRAM整合至感测器的结构之中。他们把2GB的LPDDR4DRAM置于逻辑层之下,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。 明显的改进,就是消除了过去CMOS感测器的照片变形与所谓的果冻现象(Rollingshutter)。
另一方面,高速快门与瞬时储存多重画帧(multipleframes)的性能,就能支援3D降噪(NoiseReduction)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CMOS影像感测器技术。但是不同于三星,Sony的DRAM层是为在中间,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CMOS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)CMOS视觉感测器,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(copperpads)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 小的画素尺寸(14.86μm),和 高的HDR的性能(1124dB)。

图二:Sony的DRAM层是为在中间,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CMOS影像感测器结合,两者合一,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。

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,再搭配自主研发的专属画素结构(proprietarypixelstructure)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。

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2.74μm,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「Teracell」,来突破实体感测画素无法增加的困境,他们透过特殊的演算法,让画素以四个为一组的形式安排在影像感测器的彩色滤光片。
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在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 新一代的ISOCELLBrightHM1,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(2x2)一组的结构,新的Nonacell则是使用9画素(3x3)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0.8μm,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,CMOS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术也是不可或缺的,例如AI与人工智能的导入等,都是可用之策。
 
 
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