速度快与动态高，CMOS图像传感器市场技术趋势解读

电子发烧友网报道（文/周凯扬）自从智能手机面世以来，CMOS图像传感器的技术演进就搭上了快车道。尤其是近几年来，随着手机摄像头数目逐渐稳定下来，传感器尺寸似乎也止步于1英寸。对于CIS厂商来说，从设计以及制造工艺上寻求突破，成了当务之急，尤其是国内的一众CIS厂商。不过从他们在研技术的目标来看，这些技术如今都是为了实现更快的速度以及更高的动态范围。
 
更高动态范围
 
在高像素带来的边际效应越来越明显之后，不少CIS厂商已经意识到了更高的动态范围是新的趋势，其重要程度甚至可与计算摄影相提并论。在手机厂商看来，要想实现与联名相机品牌声称的影调，就必须拥有极高的动态范围。一个典型的例子就是从去年开始，DCG技术就成了不少手机主摄传感器的一项必备技术。
 
实现高动态范围成像的技术路线有很多种，比如传统的多张合成等。然而随着ISP处理能力加强，堆栈式传感器的读出速度加快，通过高低转换增益电路的方式，成了提高图像传感器动态范围的更优解。高转换增益降低了噪声，低转换增益又兼顾了高井容，相较多张合成，DCG这种同时读取的技术也提供了无伪像的HDR画面获取途径。
 
以索尼为智能手机准备的首个1英寸大底IMX989为例，该传感器其实也支持DCG模式，只不过其采用了40nm工艺，开启DCG后会显著提升功耗。正因如此，基于该传感器的设备中，只有专用于影像记录的口袋相机开启了这一模式。随后索尼提升了工艺，推出了22nm的版本，也就是OPPO Find X7首发的LYT-900，才正式依赖这一技术实现了更高的动态范围。
 
除此之外，车载CIS也开始进一步加强动态范围，并追求DCG以外的HDR技术，以求超越120dB这个传统的车规HDR标准，为强光以及夜景下的ADAS提供更准确的传感器捕捉结果。
 
比如豪威的OX08D10，就引入了其最新的TheiaCel技术，结合DCG和LOFIC两大解决方案。OX08D10采用了单光电二极管的LOFIC架构，结合一个更大的电容，捕捉从光电二极管溢出的电荷，实现更大的满井容量。也正因如此，TheiaCEL可以在DCG之外，再增加两次短曝光，从而实现高达140dB的动态范围。同样还有安森美去年发布的Hyperlux系列图像传感器，其最高支持到150dB超高动态范围的全分辨率输出。
 
从近期索尼、豪威和思特威等厂商发布的新品来看，1亿像素以上的图像传感器已经不再是刚需，反倒是具备DCG等高动态范围技术的CIS更能抓住OEM的需求。随着以上提到的这些CIS在今年将纷纷投入量产，未来我们或许会看到除手机主摄外的更多图像传感器用上高动态范围技术，比如潜望式长焦等。
 
更快的读出速度
 
实现以上的HDR技术往往对CIS的读出速度也提出了要求，因为无论是多张合成还是DCG，都需要传感器读出速度够快，才能实现更好的HDR效果。尤其是在视频拍摄时，更快的读出速度能保证每一帧合成的质量，从而减少果冻效应的产生。
 
正因如此，如今的手机主摄多数都是基于堆栈式工艺打造的。通过将像素区域、处理电路和高速缓存堆叠至一起，不仅实现了更大的像素区域，也增大了处理电路的区域，从而实现更快的速度。
 
与此同时，半导体检测、8K以上分辨率显示面板检测等应用又对CMOS的像素提出了较高要求，在保证帧率的同时提高像素数，也就自然需要更高速的CMOS传感器。而在读出速度上还要高于堆栈式传感器的技术，也就是全局快门了。
 
去年长光辰芯就发布了两款小面阵的全局快门传感器，5MP的GMAX3405和12MP的GMAX3412，其中GMAX3405更是最大支持LVDS 10bit下164fps的最高帧率。两款传感器的快门效率高达1/25000，正因如此，它们可高效、稳定地为高速工业检测等应用提供更多选择。
 
而在专业影像领域，更大靶面的全局快门也已经逐渐普及，尤其是在影视领域。比如索尼于去年底发布了首个全画幅的全域快门微单相机A9M3，可以做到最快每秒120张的原始图像文件高速连拍，同时具备4K120p的视频记录能力。也正是因为全局快门同时读出所有像素的特性，其可以有效地规避频闪，并实现最高1/80000秒的闪光灯同步。
 
今年年初，RED公司也推出了V-Raptor、V-Raptor XL两款电影机的全域快门版本V-Raptor X和V-Raptor XL，在保证动态范围以及记录规格基本不变的同时，以全域快门彻底消除了果冻效应。同时利用全域快门的超高读取速度，加入了依赖合成算法的高光拓展模式，最高可实现20档的动态范围。
 
尽管如此，我们也可以看出，全局快门目前还属于较高功耗的传感器技术，并没有如同往常一样，率先在智能手机、汽车CIS上落地，而是先一步出现在工业检测领域，随后延伸到专业影像领域。但随着制造工艺的逐步改进，以及未来端侧计算摄影更高的要求，相信全局快门不久也会出现在这两大应用上。
 
写在最后
 
图像传感器作为允许电子设备感知世界最为重要的视觉传感器，仍是消费电子、汽车以及工业领域功不可没的组件之一。尽管计算摄影以及生成式AI的出现让人们再度对这类传感器的性能要求产生了质疑，加之消费电子的需求下滑，导致全球CIS市场在2023年出现了一定的萎缩。
 
但面对去年下半年智能手机市场的复苏，以及为了追求更高成像质量以及减少端侧处理功耗，多数CIS厂商还是在持续发力新品，尤其是更高单价的高端CIS产品。与此同时，国内CIS厂商的设计与制造工艺开始迎头赶上，成功抢下了不少市场份额。随着新一轮高速高动态范围的CIS成功量产，CIS市场或将在2024年迎来新的增长。