從一個億像素看camera sensor的發展

2020-12-05 電子工程專輯

小米最新的1個億將camera sensor的熱度推到了新高.這和最近幾年智慧型手機的行業競爭已經到了白熱化狀態相關，所有的手機廠商都在嘗試尋找新的賣點以提高用戶的粘性.而camera是其中少有的持續的顯性賣點.這也讓相關技術快速的進行迭代。Image sensor雖然是一個傳統的半導體器件，但也在巨大的市場需求下呈現了技術更新的快速化和多元化。

 

多像素、Pixel size小型化

對於一般的用戶來說,除了廣告上看不懂的新名詞之外,可能最引起注意的就是相機的像素數.雖然像素的數目並和圖像質量之間的關係並不是線性的.但是很多用戶就是認為像素越高相機越好.

增加的像素數目往往隨著sensor size的增加.這幾年最大的sensor面積已經迅速由1/2.5英寸增加到了1/1.33英寸

雖然從圖來看1/1.33英寸比起單反全幅的35mm還是有很大差距,但是在最近兩年增大了已經不止一倍了.許多的手機中的sensor已經大於之前的卡片機.但是手機中的camera模組卻要比卡片機小的多.不過光是sensor size的增大已經遠遠不能滿足像素增加,只能同時減小Pixel size.因此sensor在這種市場需求下向多像素、小pixel size的方向發展。18年Sony、三星相繼推出0.8um 48M。19年64M 0.8um快速產品化,最終在年底前一個億的0.8um終於進入了量產.而Sensor廠又已經開始開發0.7um像素大小的技術。

從下表來看，從1.12um開始小pixel size的技術開發速度越來越快，1.0um到0.9用了4年，而0.8um只用了1年時間。0.9um曇花一現，很快就退出了主流市場。而0.8um迅速的成為市場上主流.

Pixel size減小給性能帶來極大的挑戰。為了實現小pixel size仍能保持優良的畫質，sensor的設計和製程工藝也在不斷的發展。另外一方面

上圖總結了隨著pixel size減小，各公司衍生出來的新技術。所有這些技術的目的都是為了提高進光量、減小pixel之間的串擾。這裡的每個技術我們後面有機會在公眾號中逐個介紹.

PDAF的發展

15年三星推出了第一顆手機用PDAF sensor。為了實現PDAF，PD pixel被金屬遮擋一半。因此早期的PDAF sensor往往在30 lux照度以下對焦很困難.

隨著對暗光對焦的需求，sensor廠又相繼推出2*1OCL（on chip lens）PDAF。有效的增大了PD pixel的受光面積，增強了PDAF在暗光下的性能。

Dual PD實現了100%PD密度，更是極大的改善了AF性能。目前最好的對焦速度和效果的sensor依然都是Dual PD sensor. 在這之後也出現了Qual PD sensor的概念,也就是4個像素組成的橫豎兩個方向的PD偵測。但Quad PD對功耗和pixel 感光等性能的負面影響，變成了其產品化的阻礙,直到目前並未流行起來

Die size和Logic部分工藝

目前主流的sensor都是用Stacked 技術把sensor分為pixe和logic兩層,這有效的減小了sensor面積（平面變為立體），其次pixel部分和logic可以分別優化，logic部分可以採用更先進的半導體製程工藝。

更先進的半導體生產工藝意味著更小的功耗、更小的die size和提供更多功能的可能性。目前廣泛使用的是40nm製程，而三星更激進的導入了28nm。從die size的統計數據來看，同樣的resolution下die size是呈減小的趨勢。不知道什麼時候sensor也可以用上現在CPU最先進的7nm製程.

Reference [1] R. Fontaine. The State-of-the-Art of Smartphone Imagers

 

Quad Bayer(4 Cell)

個人認為Quad Bayer(4 Cell)技術是這兩年最好的手機sensor技術.這個技術很好的補償了小pixel size在低光時的損失.將用戶使用場景分成了高光使用小像素高解析度,低光中」大像素」低噪聲.這是最近幾年相機進入48M,64M,108M的根本推進技術.而且該項技術後面的發展潛力還是很大的.

最早在手機camera sensor中推廣4 Cell技術是三星,但是當時國內的廠商主要是在前攝中使用.配合柔光燈推出了很多很多柔光拍攝的手機.4 Cell的技術很好進行了美白,成為了國產手機獨特的賣點.這個和當時的4 Cell中的remosaic技術是在軟體中實現有很大關係.由於是軟體實現,所以無法實時出全解析度圖片.對於後攝是個硬傷.

而在這之後發展中很重要的一步就是Sony將remosaic功能由軟體放到了sensor中,做到可以實時出全解析度的圖像.這使得4cell sensor 進入後攝的集成變得更簡單,不需要ISP做任何修改(ISP的修改更慢).尤其華為P20pro的夜景效果使得4 Cell sensor在夜景拍攝中站穩了腳跟.而這次三星108M更進一步的體現了4 Cell的優勢.

今年我們看到Video在手機camera中變得越來越重要.而4 Cell中的單幀HDR確實是目前視頻HDR中很靠譜的方案之一.


另外4 Cell合一也不是局限,是不是會出現9 Cell變成一個像素繼續提高暗光表現或者更多的顏色排列方式呢? 讓我們繼續關注三星,Sony,OV等sensor廠商將這些技術市場化的進程.

 




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