下一代CMOS图像传感器猜测
2019-12-16
14:00:17
来源: 半导体行业观察
在2019年4月的伦敦图像传感器峰会上，松下介绍了他们耗时5年，与富士联合开发的Organic-Photoconductive-Film CMOS Image Sensor---- 有机光导薄膜cmos 图像传感器技术。2019年10月，有消息透露，Sony也即将生产其3-layer stacked OPF cmos sensor。松下与富士推出的这款OPF sensor主要针对的是专业摄像机市场，而Sony加入OPF sensor阵营则增加了业内对OPF sensor的遐想，也许过不了多久，我们的手机，无人机上就会出现大量应用OPF cmos image sensor的camera。
传统背照式cmos sensor 如下图左边，OPF sensor 如下图右边。
OPF sensor用有机光导薄膜取代了BSI sensor的光电二极管，也就是光电转换发生在这层薄薄的OPF内，sensor感光部分的厚度从BSI的3um下降到了0.5um。
BSI的光电转换和电荷存储都在PD单元内，而OPF的电荷存储部分与光电转换部分是分开的，由于感光的部分非常薄，留下更多了的空间给电荷存储，这样满井容量得到了大大升。
在OPF的基础之上，松下依照人类视觉的构造，设计了Dual-Sensitivity Pixel Technology，双敏像素技术。
FD1 与FD2 连着大小不同的OPF（上图红色的部分），分别存储了不同的sensitivity的子像素电荷，这样可以构成dual exposure的HDR，进一步扩大sensor的动态范围。
1.大动态范围，WDR。
如前面所说，一方面由于电荷存储的容量变大，另一方面由于dual sensitivity pixel 技术。sensor的动态范围大大增加。
2.Global shutter。
BSI sensor 要想设计成Global shutter, 需要额外增加一个存储电容，这样占用了大量的空间，这也是Global shutter sensor 不容易做小的一个原因。而这种OPF sensor相当于自带大电容存储，天然具备了设计成Global shutter的条件。（实际上还是得益于感光部分变小了）
3.光电转换灵活可控，
OPF 有机光导薄膜的光电转换增益可以被灵活的控制，这样与传统BSI sensor 相比可以更灵活地适应不同场景，得到更好的图像质量。
4.由于OPF天然对NIR 近红外光敏感
，这样它很容易被设计成RGBNIR的sensor，同时，OPF的感光度可以用电信号直接调制。
对于低光有需求的监控类场景，这真是大大的福音。传统的RGBNIR camera，需要切换IR filter 。当白天光线好的时候，IR filter 滤去IR，当晚上光线弱的时候，需要一个装置把IR filter移到下面去，让IR光也进入sensor。
切IR 很大地增加了成本，也影响产品的寿命以及维护成本。OPF sensor 的感光可以任意调整，这就不需求切换IR filter或者sensor，根据照度用程序对感光进行实时调整就可以了。
5.这种sensitivity调整甚至可以逐帧进行，一帧RGB模式，一帧IR模式，产品可以更加灵活设计。
下一代的image sensor，相对于过去imaging的需求，要增加sensing的需求，这样才能因应AI的广泛应用场景。有三个最基本要点：
4.当然针对不同的应用，不同市场，还有其他的需求，比如LED flicker cancellation，motion artefact free等等。
OPF image sensor的推出，标致着在图像传感器领域，日本公司又一次走在前面，我们ISP的设计者，camera的开发者，又有了新的选择，这既是挑战，也是很好的机遇。
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