索尼三星统领CMOS图像传感器市场的底气
2020-04-09
15:42:22
来源: Sophie
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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CMOS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CMOS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CMOS影像感测器上。
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（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，最明显的就是实现了超高的画素（image readouts）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LPDDR4 DRAM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。最明显的改进，就是消除了过去CMOS感测器的照片变形与所谓的果冻现象（Rolling shutter）。
另一方面，高速快门与瞬时储存多重画帧（multiple 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（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 4.86μm），和最高的HDR的性能（1 124dB）。
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。
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（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。
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 μm，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。
而三星最新一代的ISOCELL Bright 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0.8μm，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。
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。
所以对于系统开发商来说，寻求先进的影像感测器方案固然是一个明显的对策，但思考进一步结合第三方的光学设计与优质的软体协助，从整体性的影像拍摄体验进行改良，才会是最佳对策，而这也是前述这两家业者能够持续领先的原因所在。
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