速度快與動(dòng)態(tài)高，CMOS圖像傳感器市場(chǎng)技術(shù)趨勢(shì)解讀

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/周凱揚(yáng)）自從智能手機(jī)面世以來，CMOS圖像傳感器的技術(shù)演進(jìn)就搭上了快車道。尤其是近幾年來，隨著手機(jī)攝像頭數(shù)目逐漸穩(wěn)定下來，傳感器尺寸似乎也止步于1英寸。對(duì)于CIS廠商來說，從設(shè)計(jì)以及制造工藝上尋求突破，成了當(dāng)務(wù)之急，尤其是國(guó)內(nèi)的一眾CIS廠商。不過從他們?cè)谘屑夹g(shù)的目標(biāo)來看，這些技術(shù)如今都是為了實(shí)現(xiàn)更快的速度以及更高的動(dòng)態(tài)范圍。

更高動(dòng)態(tài)范圍

在高像素帶來的邊際效應(yīng)越來越明顯之后，不少CIS廠商已經(jīng)意識(shí)到了更高的動(dòng)態(tài)范圍是新的趨勢(shì)，其重要程度甚至可與計(jì)算攝影相提并論。在手機(jī)廠商看來，要想實(shí)現(xiàn)與聯(lián)名相機(jī)品牌聲稱的影調(diào)，就必須擁有極高的動(dòng)態(tài)范圍。一個(gè)典型的例子就是從去年開始，DCG技術(shù)就成了不少手機(jī)主攝傳感器的一項(xiàng)必備技術(shù)。

實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍成像的技術(shù)路線有很多種，比如傳統(tǒng)的多張合成等。然而隨著ISP處理能力加強(qiáng)，堆棧式傳感器的讀出速度加快，通過高低轉(zhuǎn)換增益電路的方式，成了提高圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的更優(yōu)解。高轉(zhuǎn)換增益降低了噪聲，低轉(zhuǎn)換增益又兼顧了高井容，相較多張合成，DCG這種同時(shí)讀取的技術(shù)也提供了無偽像的HDR畫面獲取途徑。

以索尼為智能手機(jī)準(zhǔn)備的首個(gè)1英寸大底IMX989為例，該傳感器其實(shí)也支持DCG模式，只不過其采用了40nm工藝，開啟DCG后會(huì)顯著提升功耗。正因如此，基于該傳感器的設(shè)備中，只有專用于影像記錄的口袋相機(jī)開啟了這一模式。隨后索尼提升了工藝，推出了22nm的版本，也就是OPPO Find X7首發(fā)的LYT-900，才正式依賴這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)了更高的動(dòng)態(tài)范圍。

除此之外，車載CIS也開始進(jìn)一步加強(qiáng)動(dòng)態(tài)范圍，并追求DCG以外的HDR技術(shù)，以求超越120dB這個(gè)傳統(tǒng)的車規(guī)HDR標(biāo)準(zhǔn)，為強(qiáng)光以及夜景下的ADAS提供更準(zhǔn)確的傳感器捕捉結(jié)果。

比如豪威的OX08D10，就引入了其最新的TheiaCel技術(shù)，結(jié)合DCG和LOFIC兩大解決方案。OX08D10采用了單光電二極管的LOFIC架構(gòu)，結(jié)合一個(gè)更大的電容，捕捉從光電二極管溢出的電荷，實(shí)現(xiàn)更大的滿井容量。也正因如此，TheiaCEL可以在DCG之外，再增加兩次短曝光，從而實(shí)現(xiàn)高達(dá)140dB的動(dòng)態(tài)范圍。同樣還有安森美去年發(fā)布的Hyperlux系列圖像傳感器，其最高支持到150dB超高動(dòng)態(tài)范圍的全分辨率輸出。

從近期索尼、豪威和思特威等廠商發(fā)布的新品來看，1億像素以上的圖像傳感器已經(jīng)不再是剛需，反倒是具備DCG等高動(dòng)態(tài)范圍技術(shù)的CIS更能抓住OEM的需求。隨著以上提到的這些CIS在今年將紛紛投入量產(chǎn)，未來我們或許會(huì)看到除手機(jī)主攝外的更多圖像傳感器用上高動(dòng)態(tài)范圍技術(shù)，比如潛望式長(zhǎng)焦等。

更快的讀出速度

實(shí)現(xiàn)以上的HDR技術(shù)往往對(duì)CIS的讀出速度也提出了要求，因?yàn)闊o論是多張合成還是DCG，都需要傳感器讀出速度夠快，才能實(shí)現(xiàn)更好的HDR效果。尤其是在視頻拍攝時(shí)，更快的讀出速度能保證每一幀合成的質(zhì)量，從而減少果凍效應(yīng)的產(chǎn)生。

正因如此，如今的手機(jī)主攝多數(shù)都是基于堆棧式工藝打造的。通過將像素區(qū)域、處理電路和高速緩存堆疊至一起，不僅實(shí)現(xiàn)了更大的像素區(qū)域，也增大了處理電路的區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)更快的速度。

與此同時(shí)，半導(dǎo)體檢測(cè)、8K以上分辨率顯示面板檢測(cè)等應(yīng)用又對(duì)CMOS的像素提出了較高要求，在保證幀率的同時(shí)提高像素?cái)?shù)，也就自然需要更高速的CMOS傳感器。而在讀出速度上還要高于堆棧式傳感器的技術(shù)，也就是全局快門了。

去年長(zhǎng)光辰芯就發(fā)布了兩款小面陣的全局快門傳感器，5MP的GMAX3405和12MP的GMAX3412，其中GMAX3405更是最大支持LVDS 10bit下164fps的最高幀率。兩款傳感器的快門效率高達(dá)1/25000，正因如此，它們可高效、穩(wěn)定地為高速工業(yè)檢測(cè)等應(yīng)用提供更多選擇。

而在專業(yè)影像領(lǐng)域，更大靶面的全局快門也已經(jīng)逐漸普及，尤其是在影視領(lǐng)域。比如索尼于去年底發(fā)布了首個(gè)全畫幅的全域快門微單相機(jī)A9M3，可以做到最快每秒120張的原始圖像文件高速連拍，同時(shí)具備4K120p的視頻記錄能力。也正是因?yàn)槿挚扉T同時(shí)讀出所有像素的特性，其可以有效地規(guī)避頻閃，并實(shí)現(xiàn)最高1/80000秒的閃光燈同步。

今年年初，RED公司也推出了V-Raptor、V-Raptor XL兩款電影機(jī)的全域快門版本V-Raptor X和V-Raptor XL，在保證動(dòng)態(tài)范圍以及記錄規(guī)格基本不變的同時(shí)，以全域快門徹底消除了果凍效應(yīng)。同時(shí)利用全域快門的超高讀取速度，加入了依賴合成算法的高光拓展模式，最高可實(shí)現(xiàn)20檔的動(dòng)態(tài)范圍。

盡管如此，我們也可以看出，全局快門目前還屬于較高功耗的傳感器技術(shù)，并沒有如同往常一樣，率先在智能手機(jī)、汽車CIS上落地，而是先一步出現(xiàn)在工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域，隨后延伸到專業(yè)影像領(lǐng)域。但隨著制造工藝的逐步改進(jìn)，以及未來端側(cè)計(jì)算攝影更高的要求，相信全局快門不久也會(huì)出現(xiàn)在這兩大應(yīng)用上。

寫在最后

圖像傳感器作為允許電子設(shè)備感知世界最為重要的視覺傳感器，仍是消費(fèi)電子、汽車以及工業(yè)領(lǐng)域功不可沒的組件之一。盡管計(jì)算攝影以及生成式AI的出現(xiàn)讓人們?cè)俣葘?duì)這類傳感器的性能要求產(chǎn)生了質(zhì)疑，加之消費(fèi)電子的需求下滑，導(dǎo)致全球CIS市場(chǎng)在2023年出現(xiàn)了一定的萎縮。

但面對(duì)去年下半年智能手機(jī)市場(chǎng)的復(fù)蘇，以及為了追求更高成像質(zhì)量以及減少端側(cè)處理功耗，多數(shù)CIS廠商還是在持續(xù)發(fā)力新品，尤其是更高單價(jià)的高端CIS產(chǎn)品。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)CIS廠商的設(shè)計(jì)與制造工藝開始迎頭趕上，成功搶下了不少市場(chǎng)份額。隨著新一輪高速高動(dòng)態(tài)范圍的CIS成功量產(chǎn)，CIS市場(chǎng)或?qū)⒃?024年迎來新的增長(zhǎng)。