速度快與動態高，CMOS圖像傳感器市場技術趨勢解讀

電子發燒友網報道（文/周凱揚）自從智能手機面世以來，CMOS圖像傳感器的技術演進就搭上了快車道。尤其是近幾年來，隨著手機攝像頭數目逐漸穩定下來，傳感器尺寸似乎也止步于1英寸。對于CIS廠商來說，從設計以及制造工藝上尋求突破，成了當務之急，尤其是國內的一眾CIS廠商。不過從他們在研技術的目標來看，這些技術如今都是為了實現更快的速度以及更高的動態范圍。

更高動態范圍

在高像素帶來的邊際效應越來越明顯之后，不少CIS廠商已經意識到了更高的動態范圍是新的趨勢，其重要程度甚至可與計算攝影相提并論。在手機廠商看來，要想實現與聯名相機品牌聲稱的影調，就必須擁有極高的動態范圍。一個典型的例子就是從去年開始，DCG技術就成了不少手機主攝傳感器的一項必備技術。

實現高動態范圍成像的技術路線有很多種，比如傳統的多張合成等。然而隨著ISP處理能力加強，堆棧式傳感器的讀出速度加快，通過高低轉換增益電路的方式，成了提高圖像傳感器動態范圍的更優解。高轉換增益降低了噪聲，低轉換增益又兼顧了高井容，相較多張合成，DCG這種同時讀取的技術也提供了無偽像的HDR畫面獲取途徑。

以索尼為智能手機準備的首個1英寸大底IMX989為例，該傳感器其實也支持DCG模式，只不過其采用了40nm工藝，開啟DCG后會顯著提升功耗。正因如此，基于該傳感器的設備中，只有專用于影像記錄的口袋相機開啟了這一模式。隨后索尼提升了工藝，推出了22nm的版本，也就是OPPO Find X7首發的LYT-900，才正式依賴這一技術實現了更高的動態范圍。

除此之外，車載CIS也開始進一步加強動態范圍，并追求DCG以外的HDR技術，以求超越120dB這個傳統的車規HDR標準，為強光以及夜景下的ADAS提供更準確的傳感器捕捉結果。

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

從近期索尼、豪威和思特威等廠商發布的新品來看，1億像素以上的圖像傳感器已經不再是剛需，反倒是具備DCG等高動態范圍技術的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，未來我們或許會看到除手機主攝外的更多圖像傳感器用上高動態范圍技術，比如潛望式長焦等。

更快的讀出速度

實現以上的HDR技術往往對CIS的讀出速度也提出了要求，因為無論是多張合成還是DCG，都需要傳感器讀出速度夠快，才能實現更好的HDR效果。尤其是在視頻拍攝時，更快的讀出速度能保證每一幀合成的質量，從而減少果凍效應的產生。

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

與此同時，半導體檢測、8K以上分辨率顯示面板檢測等應用又對CMOS的像素提出了較高要求，在保證幀率的同時提高像素數，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，也就是全局快門了。

去年長光辰芯就發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1/25000，正因如此，它們可高效、穩定地為高速工業檢測等應用提供更多選擇。

而在專業影像領域，更大靶面的全局快門也已經逐漸普及，尤其是在影視領域。比如索尼于去年底發布了首個全畫幅的全域快門微單相機A9M3，可以做到最快每秒120張的原始圖像文件高速連拍，同時具備4K120p的視頻記錄能力。也正是因為全局快門同時讀出所有像素的特性，其可以有效地規避頻閃，并實現最高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兩款電影機的全域快門版本V-Raptor X和V-Raptor XL，在保證動態范圍以及記錄規格基本不變的同時，以全域快門徹底消除了果凍效應。同時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，最高可實現20檔的動態范圍。

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，并沒有如同往常一樣，率先在智能手機、汽車CIS上落地，而是先一步出現在工業檢測領域，隨后延伸到專業影像領域。但隨著制造工藝的逐步改進，以及未來端側計算攝影更高的要求，相信全局快門不久也會出現在這兩大應用上。

寫在最后

圖像傳感器作為允許電子設備感知世界最為重要的視覺傳感器，仍是消費電子、汽車以及工業領域功不可沒的組件之一。盡管計算攝影以及生成式AI的出現讓人們再度對這類傳感器的性能要求產生了質疑，加之消費電子的需求下滑，導致全球CIS市場在2023年出現了一定的萎縮。

但面對去年下半年智能手機市場的復蘇，以及為了追求更高成像質量以及減少端側處理功耗，多數CIS廠商還是在持續發力新品，尤其是更高單價的高端CIS產品。與此同時，國內CIS廠商的設計與制造工藝開始迎頭趕上，成功搶下了不少市場份額。隨著新一輪高速高動態范圍的CIS成功量產，CIS市場或將在2024年迎來新的增長。