下一代CMOS图像传感器猜测

2019-12-16
14:00:17
来源: 半导体行业观察





在2019年4月的伦敦图像传感器峰会上,松下介绍了他们耗时5年,与富士联合开发的Organic-Photoconductive-Film CMOS Image Sensor—- 有机光导薄膜cmos 图像传感器技术。2019年10月,有消息透露,Sony也即将生产其3-layer stacked OPF cmos sensor。松下与富士推出的这款OPF sensor主要针对的是专业摄像机市场,而Sony加入OPF sensor阵营则增加了业内对OPF sensor的遐想,也许过不了多久,我们的手机,无人机上就会出现大量应用OPF cmos image sensor的camera。






什么是OPF image sensor?












传统背照式cmos sensor 如下图左边,OPF sensor 如下图右边。





OPF sensor用有机光导薄膜取代了BSI sensor的光电二极管,也就是光电转换发生在这层薄薄的OPF内,sensor感光部分的厚度从BSI的3um下降到了0.5um。





BSI的光电转换和电荷存储都在PD单元内,而OPF的电荷存储部分与光电转换部分是分开的,由于感光的部分非常薄,留下更多了的空间给电荷存储,这样满井容量得到了大大升。




下一代CMOS图像传感器猜测


在OPF的基础之上,松下依照人类视觉的构造,设计了Dual-Sensitivity Pixel Technology,双敏像素技术。

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FD1 与FD2 连着大小不同的OPF(上图红色的部分),分别存储了不同的sensitivity的子像素电荷,这样可以构成dual exposure的HDR,进一步扩大sensor的动态范围。

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OPF image sensor有哪些好处?



1.大动态范围,WDR。


如前面所说,一方面由于电荷存储的容量变大,另一方面由于dual sensitivity pixel 技术。sensor的动态范围大大增加。




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2.Global shutter。


BSI sensor 要想设计成Global shutter, 需要额外增加一个存储电容,这样占用了大量的空间,这也是Global shutter sensor 不容易做小的一个原因。而这种OPF sensor相当于自带大电容存储,天然具备了设计成Global shutter的条件。(实际上还是得益于感光部分变小了)




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3.光电转换灵活可控,


OPF 有机光导薄膜的光电转换增益可以被灵活的控制,这样与传统BSI sensor 相比可以更灵活地适应不同场景,得到更好的图像质量。



4.由于OPF天然对NIR 近红外光敏感


,这样它很容易被设计成RGBNIR的sensor,同时,OPF的感光度可以用电信号直接调制。





对于低光有需求的监控类场景,这真是大大的福音。传统的RGBNIR camera,需要切换IR filter 。当白天光线好的时候,IR filter 滤去IR,当晚上光线弱的时候,需要一个装置把IR filter移到下面去,让IR光也进入sensor。





切IR filter









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切IR 很大地增加了成本,也影响产品的寿命以及维护成本。OPF sensor 的感光可以任意调整,这就不需求切换IR filter或者sensor,根据照度用程序对感光进行实时调整就可以了。




5.这种sensitivity调整甚至可以逐帧进行,一帧RGB模式,一帧IR模式,产品可以更加灵活设计。

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下一代image sensor








下一代的image sensor,相对于过去imaging的需求,要增加sensing的需求,这样才能因应AI的广泛应用场景。有三个最基本要点:


1.大动态范围。

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2. 抑制运动造成的artefact。

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3.要有多光谱感光的能力 , 应对低光场景。

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4.当然针对不同的应用,不同市场,还有其他的需求,比如LED flicker cancellation,motion artefact free等等。




OPF image sensor的推出,标致着在图像传感器领域,日本公司又一次走在前面,我们ISP的设计者,camera的开发者,又有了新的选择,这既是挑战,也是很好的机遇。

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