手機攝像頭CIS（CMOS圖像傳感器）自從突破1億像素以后，再談像素數(shù)量增大，似乎已經(jīng)很難讓市場產(chǎn)生激烈反應了。這兩年電子工程專輯對于手機攝像頭CIS，以及更多領域不同類型的圖像/視覺傳感器（如ToF、基于事件的視覺傳感器），都在做技術上的追蹤。

單就手機攝像頭CIS而言，高像素追逐戰(zhàn)是已經(jīng)告一段落的，尤其是現(xiàn)在某些高端Android拍照旗艦手機，已經(jīng)傾向于采用大像素、大尺寸的CIS，而不再刻意追求高像素。

前年我們寫過一篇手機CIS技術的總結文章，后續(xù)也有更細致的技術熱點追蹤?，F(xiàn)在是時候再做一波總結了。恰好上個月，主要針對的是手機CIS、近紅外圖像傳感器和ToF傳感器?；诖耍覀兛梢院唵问崂斫?年來，移動成像CIS的技術發(fā)展現(xiàn)狀。似乎這些技術趨勢，仍然是不斷圍繞日益縮小的像素尺寸展開的。

幾個主要技術點

前年的文章大致已經(jīng)搭建起了手機CIS技術發(fā)展熱點的框架，現(xiàn)在的發(fā)展方向是個延續(xù)。今年TechInsights的這份報告也更像是個現(xiàn)狀總結報告，大部分算是“舊聞”集合。不過其中集結了大量TechInsights逆向拆解報告的某些圖文資料，對于我們理解手機、移動成像CIS的技術也仍然很有幫助。

值得一提的是，之所以將手機攝像頭CIS單獨拿出來說，是因為手機乃是CIS產(chǎn)品目前最大的應用市場。主要應用于手機的移動CIS，占到整個CIS市場的大約70%。有關移動成像CIS相關技術的基礎知識，建議閱讀此前的文章，本文不再對其中的大部分技術名詞、概念做解釋。

從眾所周知的大方向來說，移動成像CIS技術熱門仍在于背照式（BSI，Back-Illuminated）與堆棧式（Stacked）結構。TechInsights的數(shù)據(jù)顯示，背照式+堆棧式CIS占到手機CIS總量的將近90%。

從這張圖來看，近5年背照+堆棧CIS的產(chǎn)品占比一直都是比較高的。其中3層堆疊（3-die）的CIS其實也并沒有發(fā)生什么崛起式的市場革新——前不久我們撰文總結過索尼對于堆棧式CIS未來技術的發(fā)展預期，3層堆疊大概會在技術愈發(fā)成熟后走向普及。不過前照式（FSI）CIS在手機市場上似乎已經(jīng)不見蹤影。

背照式+堆棧式結構對于CIS而言，最直觀的一個收益，就是像素die上的感光區(qū)域利用率顯著提高。因為很多邏輯電路結構都移到像素后方或者下層去了，那么可用于感光的像素區(qū)域自然就變大了。這對于手機CIS走向高像素、小像素的大趨勢，是必然選擇。

上面這張圖是自2013年以來堆棧式CIS產(chǎn)品中，活躍CIS區(qū)域（可理解為用于感光的像素區(qū)域）和總的CIS die面積之比。大趨勢自然是越來越高的，即用于感光的CIS面積占比越來越高，這兩年已經(jīng)較大程度超過了80%。

除了堆棧+背照這種結構上已經(jīng)被說爛的點，其余技術發(fā)展的幾個方向包括了，（1）單像素尺寸變小；（2）向CIS與ISP之間的像素級互聯(lián)演進（圖像傳感器的像素die與邏輯die之間的互聯(lián)）；（3）由于像素變小，PDAF（相位檢測自動對焦）的演進；（4）由于像素變小，CIS像素之上的色彩濾鏡陣列（CFA）的變化。

感覺這幾個技術方向其實也都老生常談了，或者說市場和分析機構的關注點，大致就在此了。

像素尺寸繼續(xù)變小

當年TechInsights最早做出手機CIS像素尺寸在變小的趨勢論斷，還是讓很多技術愛好者震驚的。因為CIS并不像數(shù)字電路的摩爾定律那樣，會受惠于更小的像素結構；小像素也的確不利于感光。

但事實就是，這么多年來手機CIS（甚至包括微單/單反的全畫幅CIS）的像素就是在不斷變小，不管這是技術使然還是市場使然。畢竟此前這些年，從上至下都有著更高像素的市場需求，那么像素當然要做小。

像素上表面變小了，像素阱容就會變小，那么就要把縱向Active Si厚度做大（Active Si厚度可以理解為像素這口井的深度）。上面這張圖中，藍色點代表不同尺寸的像素（當前已經(jīng)量產(chǎn)的CIS的最小像素是0.7μm），Active Si厚度的變化。橙色點則是厚度與像素尺寸之比（厚徑比）。

這張圖的橫軸主要代表像素尺寸變化。不過另一方面，基于這些年像素尺寸在逐漸縮小，橫軸實際上也可以一定程度代表時間的推移。

目前Active Si厚度與像素尺寸之比，最高的CIS是三星GW3，如上圖中的左圖所示。這是個6400萬像素、0.7μm單像素尺寸的圖像傳感器。其active Si厚度是4.1μm。上面這張圖右邊比較的是Omnivision的OV64B。這兩顆CIS在目前的智能手機市場上也是比較具有代表性的。

有個題外話，前不久我們采訪Prophesee CEO Luca Verre的時候，特別問過他為什么基于事件的視覺傳感器（event-based vision sensor）像素尺寸比一般CIS的像素尺寸大那么多。他回答說基于事件的傳感器，像素復雜性在于level crossing sampling電路，每個電路需要一定數(shù)量的晶體管。

TechInsights這次的報告，有個統(tǒng)計維度是Teff（每個像素的有效晶體管），不僅統(tǒng)計了不同應用的普通CIS，包括手機、相機、汽車、安防等；也統(tǒng)計了基于事件的傳感器、ToF這些比較特殊的圖像/視覺傳感器。

不同應用的單像素晶體管數(shù)量還是有比較大的差別的。i-ToF和基于事件的傳感器通常有著更多的單像素有效晶體管數(shù)量。尤其是基于事件的傳感器，這一例中52 T的傳感器，就來自索尼和Prophesee合作的傳感器產(chǎn)品。這類傳感器有著更高的像素復雜度，比如說像素內(nèi)的time stamp、信號強度的Log采集等。

但也正如此前我們談到的，基于事件的視覺傳感器也受惠于背照式和堆棧式技術，才使得其像素能夠進一步做小。Luca Verre也認為將來基于事件的視覺傳感器像素會變得更小。

多層堆疊與像素級互聯(lián)

CIS的多層堆疊是趨勢，這一點我們也提過很多次了。更具體的趨勢則是，互聯(lián)密度的提升——這和許多數(shù)字芯片的先進封裝路線似乎也比較一致。die或者chip垂直堆疊是需要做互聯(lián)的。

更小間距的TSV/DBI（硅通孔/直接鍵合互聯(lián)）互聯(lián)必然是個趨勢和常規(guī)。在互聯(lián)間距不斷縮小的過程中，縮減至像素級別的互聯(lián)，是個發(fā)展方向。此前的分析文章也詳細談過，像素級互聯(lián)對于全局快門、高速輸出等方面的價值。

這張圖是2014-2021年之間，Cu-Cu混合bonding的DBI互聯(lián)間距變化。TechInsights提到，目前已知用于行/列互聯(lián)的最小TSV/DBI間距是3.1μm。die之間堆疊，外圍的行/列互聯(lián)仍然是現(xiàn)在的主流方案。

像素級互聯(lián)仍然是相當少見的。TechInsights數(shù)據(jù)庫中，僅有3款已經(jīng)商用的、采用了像素級互聯(lián)的圖像傳感器：分別是iPad Pro的ToF攝像頭之上、來自索尼的SPAD傳感器（150x200），以及索尼SensSWIR IMX990/991 VGA傳感器，和Omnivision OG01A1B（100萬像素）。

其中Omnivision OG01A1B的DBI互聯(lián)間距最小，達到了2.2μm（上圖左）。

PDAF對焦技術這些年在變

PDAF相位檢測對焦，好像也是圖像傳感器廠商宣傳的重點，大概是在上面花的時間也很多。畢竟DxO這種機構針對移動設備的評測，也相當看重手機攝像頭的對焦性能。

隨像素尺寸本身在變小，PDAF像素結構也在發(fā)生變化。要維持對焦像素高輸出信號，這種變化是必然的。主流的PDAF方案包括masked PDAF、DP（Dual Photodiode）、OCL（On-Chip Lens）。前兩者面向的主要是更低分辨率、更大像素尺寸的圖像傳感器。后者對小于1.0μm單像素尺寸的圖像傳感器很適用。（不過三星GM1、GD1，其實也在用masked PDAF方案，這倆都是0.8μm單像素的圖像傳感器）

上面這張圖的橫軸表示單像素尺寸，縱軸表示CIS的分辨率（像素數(shù)量）。OCL是這兩年被提及比較多的一種方案，此前我們已經(jīng)撰文探討過，尤其是索尼現(xiàn)在在宣傳的2x2 OCL。

OCL的特點就在于不需要犧牲CIS的感光性能，這對小至0.7μm像素尺寸的傳感器很有價值。TechInsights表示，預計未來0.6μm單像素尺寸的CIS仍然會有這種PDAF方案。

2x2 OCL結構是每個micro-len覆蓋4個像素，來達成兩個方向的PDAF對焦。上圖是來自TechInsights觀察到不同傳感器產(chǎn)品的OCL方案。其中圖(a)是Omniverse的OV64B；圖(b)是三星HM1、HM2、HM3的方案——把兩個臨近的2x1 OCL結合，來達成2x2效果。三星這幾例方案的PDAF單元密度為32:1或36:1。

索尼的方案比較激進（圖(c)），2x2 OCL是完全覆蓋了整個CIS的，包括IMX689、IMX766、IMX789皆如此。這種完整覆蓋傳感器的相位對焦方案，理論上也能夠達成在拍照時最高的對焦效率。

除此之外的DP PDAF方案，針對的主要還是更大的像素，畢竟DP需要把每個像素一分為二，做像素內(nèi)的深槽隔離。索尼和三星現(xiàn)在主流、應用于旗艦手機的5000萬像素CIS都在用PD對焦方案（IMX700、GN2）。

這里面比較有特色的，是三星GN2：即針對綠色像素，以深槽隔離DTI來斜著切分像素，適配更多場景的自動對焦。這一點，我們此前也撰文介紹過。

拜耳濾鏡之外的多樣化

CFA（Color Filter Array）這些年的發(fā)展，事實上也是由像素變小引發(fā)的。尤其像素小了以后，低光環(huán)境的感光能力下降，在CFA方面多有找補。所謂的color filter色彩濾鏡，也就是每個像素前方負責過濾特定光譜的filter，讓像素有了感知色彩的能力。

所以在傳統(tǒng)拜耳濾鏡陣列（包括RGGB、RYYB、RCCB等排列方式）之外，延伸出了更多的CFA排列方式。這也不是什么新鮮事了，畢竟索尼QuadBayer、三星Tetracell之類的概念前幾年也在不停教育市場。

根據(jù)單像素尺寸變化，當前一些主流的CFA排列方式如上圖所示。這其中的綠點代表的CFA排列，就是更多人所熟知的每4個像素為一組（四合一），來感知同一種色彩。這種像素分組的策略，就像是擴大了像素尺寸一樣，也就提升了暗光環(huán)境下的感光能力。

三星在1億像素傳感器（HM1/HM2/HM3）采用的是3x3像素分組方案，即9個像素為一組（九合一），并將其命名為Nanocell。可見像素越小，對于像素分組數(shù)量的要求也隨之提高。

實際上2019年，索尼針對IMX608的CFA排列，采用了4x4分組方案（即華為Mate30 Pro攝像頭的那顆CIS，十六合一）。對應的其CFA單色濾鏡的跨度達到了4.48μm，所以宣傳中說十六合一的4.48μm大像素。

TechInsights認為，未來隨著像素的進一步縮小，我們會看到更多3x3、4x4 CFA方案。

更多有關近紅外感知、ToF傳感器方面的資料，還是建議去看一看TechInsights的這份報告原文。本文主要談的是攝影向的CIS，所以這部分內(nèi)容就不去做總結了。

總的來說，這些技術主要圍繞的核心，仍然是不斷變小的像素尺寸，包括堆棧式、背照式，PDAF像素結構，以及CFA排列方式的變化。好像在抽象層面，也沒什么太大驚喜。

雖說當代旗艦手機部分在用像素稍大一些的CIS（比如vivo X70 Pro、華為Mate40 Pro/P50系列；以及部分脫離主流之外的蘋果），但未來還是會有主流旗艦更小像素的圖像傳感器問世，包括三星規(guī)劃中0.64μm/0.56μm尺寸的CIS。