从一个亿像素看camera sensor的发展
2019-12-02
14:00:07
来源: 半导体行业观察
小米最新的1个亿将camera sensor的热度推到了新高.这和最近几年智能手机的行业竞争已经到了白热化状态相关，所有的手机厂商都在尝试寻找新的卖点以提高用户的粘性.而camera是其中少有的持续的显性卖点.这也让相关技术快速的进行迭代。Image sensor虽然是一个传统的半导体器件，但也在巨大的市场需求下呈现了技术更新的快速化和多元化。
对于一般的用户来说,除了广告上看不懂的新名词之外,可能最引起注意的就是相机的像素数.虽然像素的数目并和图像质量之间的关系并不是线性的.但是很多用户就是认为像素越高相机越好。
增加的像素数目往往随着sensor size的增加.这几年最大的sensor面积已经迅速由1/2.5英寸增加到了1/1.33英寸。
虽然从图来看1/1.33英寸比起单反全幅的35mm还是有很大差距,但是在最近两年增大了已经不止一倍了.许多的手机中的sensor已经大于之前的卡片机.但是手机中的camera模组却要比卡片机小的多.不过光是sensor size的增大已经远远不能满足像素增加,只能同时减小Pixel size.因此sensor在这种市场需求下向多像素、小pixel size的方向发展。18年Sony、三星相继推出0.8um 48M。19年64M 0.8um快速产品化,最终在年底前一个亿的0.8um终于进入了量产.而Sensor厂又已经开始开发0.7um像素大小的技术。
从下表来看，从1.12um开始小pixel size的技术开发速度越来越快，1.0um到0.9用了4年，而0.8um只用了1年时间。0.9um昙花一现，很快就退出了主流市场。而0.8um迅速的成为市场上主流.
Pixel size减小给性能带来极大的挑战。为了实现小pixel size仍能保持优良的画质，sensor的设计和制程工艺也在不断的发展。另外一方面，
上图总结了随着pixel size减小，各公司衍生出来的新技术。所有这些技术的目的都是为了提高进光量、减小pixel之间的串扰。这里的每个技术我们后面有机会在公众号中逐个介绍。
15年三星推出了第一颗手机用PDAF sensor。为了实现PDAF，PD pixel被金属遮挡一半。因此早期的PDAF sensor往往在30 lux照度以下对焦很困难。
随着对暗光对焦的需求，sensor厂又相继推出2*1OCL（on chip lens）PDAF。有效的增大了PD pixel的受光面积，增强了PDAF在暗光下的性能。
Dual PD实现了100%PD密度，更是极大的改善了AF性能。目前最好的对焦速度和效果的sensor依然都是Dual PD sensor. 在这之后也出现了Qual PD sensor的概念,也就是4个像素组成的横竖两个方向的PD侦测。但Quad PD对功耗和pixel 感光等性能的负面影响，变成了其产品化的阻碍,直到目前并未流行起来。
目前主流的sensor都是用Stacked 技术把sensor分为pixe和logic两层,这有效的减小了sensor面积（平面变为立体），其次pixel部分和logic可以分别优化，logic部分可以采用更先进的半导体制程工艺。
更先进的半导体生产工艺意味着更小的功耗、更小的die size和提供更多功能的可能性。目前广泛使用的是40nm制程，而三星更激进的导入了28nm。从die size的统计数据来看，同样的resolution下die size是呈减小的趋势。不知道什么时候sensor也可以用上现在CPU最先进的7nm制程。
Reference [1] R. Fontaine. The State-of-the-Art of Smartphone Imagers
个人认为Quad Bayer(4 Cell)技术是这两年最好的手机sensor技术.这个技术很好的补偿了小pixel size在低光时的损失.将用户使用场景分成了高光使用小像素高分辨率,低光中”大像素”低噪声.这是最近几年相机进入48M,64M,108M的根本推进技术.而且该项技术后面的发展潜力还是很大的。
最早在手机camera sensor中推广4 Cell技术是三星,但是当时国内的厂商主要是在前摄中使用.配合柔光灯推出了很多很多柔光拍摄的手机.4 Cell的技术很好进行了美白,成为了国产手机独特的卖点.这个和当时的4 Cell中的remosaic技术是在软件中实现有很大关系.由于是软件实现,所以无法实时出全分辨率图片.对于后摄是个硬伤。
而在这之后发展中很重要的一步就是Sony将remosaic功能由软件放到了sensor中,做到可以实时出全分辨率的图像.这使得4cell sensor 进入后摄的集成变得更简单,不需要ISP做任何修改(ISP的修改更慢).尤其华为P20pro的夜景效果使得4 Cell sensor在夜景拍摄中站稳了脚跟.而这次三星108M更进一步的体现了4 Cell的优势。
今年我们看到Video在手机camera中变得越来越重要.而4 Cell中的单帧HDR确实是目前视频HDR中很靠谱的方案之一。
另外4 Cell合一也不是局限,是不是会出现9 Cell变成一个像素继续提高暗光表现或者更多的颜色排列方式呢? 让我们继续关注三星,Sony,OV等sensor厂商将这些技术市场化的进程。
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