手機(jī)攝像頭CIS（CMOS圖像傳感器）自從突破1億像素以后，再談像素?cái)?shù)量增大，似乎已經(jīng)很難讓市場(chǎng)產(chǎn)生激烈反應(yīng)了。這兩年電子工程專(zhuān)輯對(duì)于手機(jī)攝像頭CIS，以及更多領(lǐng)域不同類(lèi)型的圖像/視覺(jué)傳感器（如ToF、基于事件的視覺(jué)傳感器），都在做技術(shù)上的追蹤。

單就手機(jī)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(jī)，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(xiě)過(guò)一篇手機(jī)CIS技術(shù)的總結(jié)文章，后續(xù)也有更細(xì)致的技術(shù)熱點(diǎn)追蹤?，F(xiàn)在是時(shí)候再做一波總結(jié)了。恰好上個(gè)月，主要針對(duì)的是手機(jī)CIS、近紅外圖像傳感器和ToF傳感器?；诖耍覀兛梢院?jiǎn)單梳理近2年來(lái)，移動(dòng)成像CIS的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。似乎這些技術(shù)趨勢(shì)，仍然是不斷圍繞日益縮小的像素尺寸展開(kāi)的。

幾個(gè)主要技術(shù)點(diǎn)

前年的文章大致已經(jīng)搭建起了手機(jī)CIS技術(shù)發(fā)展熱點(diǎn)的框架，現(xiàn)在的發(fā)展方向是個(gè)延續(xù)。今年TechInsights的這份報(bào)告也更像是個(gè)現(xiàn)狀總結(jié)報(bào)告，大部分算是“舊聞”集合。不過(guò)其中集結(jié)了大量TechInsights逆向拆解報(bào)告的某些圖文資料，對(duì)于我們理解手機(jī)、移動(dòng)成像CIS的技術(shù)也仍然很有幫助。

值得一提的是，之所以將手機(jī)攝像頭CIS單獨(dú)拿出來(lái)說(shuō)，是因?yàn)槭謾C(jī)乃是CIS產(chǎn)品目前最大的應(yīng)用市場(chǎng)。主要應(yīng)用于手機(jī)的移動(dòng)CIS，占到整個(gè)CIS市場(chǎng)的大約70%。有關(guān)移動(dòng)成像CIS相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，建議閱讀此前的文章，本文不再對(duì)其中的大部分技術(shù)名詞、概念做解釋。

從眾所周知的大方向來(lái)說(shuō)，移動(dòng)成像CIS技術(shù)熱門(mén)仍在于背照式（BSI，Back-Illuminated）與堆棧式（Stacked）結(jié)構(gòu)。TechInsights的數(shù)據(jù)顯示，背照式+堆棧式CIS占到手機(jī)CIS總量的將近90%。

從這張圖來(lái)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(shí)也并沒(méi)有發(fā)生什么崛起式的市場(chǎng)革新——前不久我們撰文總結(jié)過(guò)索尼對(duì)于堆棧式CIS未來(lái)技術(shù)的發(fā)展預(yù)期，3層堆疊大概會(huì)在技術(shù)愈發(fā)成熟后走向普及。不過(guò)前照式（FSI）CIS在手機(jī)市場(chǎng)上似乎已經(jīng)不見(jiàn)蹤影。

背照式+堆棧式結(jié)構(gòu)對(duì)于CIS而言，最直觀(guān)的一個(gè)收益，就是像素die上的感光區(qū)域利用率顯著提高。因?yàn)楹芏噙壿嬰娐方Y(jié)構(gòu)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(duì)于手機(jī)CIS走向高像素、小像素的大趨勢(shì)，是必然選擇。

上面這張圖是自2013年以來(lái)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(shì)自然是越來(lái)越高的，即用于感光的CIS面積占比越來(lái)越高，這兩年已經(jīng)較大程度超過(guò)了80%。

除了堆棧+背照這種結(jié)構(gòu)上已經(jīng)被說(shuō)爛的點(diǎn)，其余技術(shù)發(fā)展的幾個(gè)方向包括了，（1）單像素尺寸變小；（2）向CIS與ISP之間的像素級(jí)互聯(lián)演進(jìn)（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(cè)自動(dòng)對(duì)焦）的演進(jìn)；（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(jué)這幾個(gè)技術(shù)方向其實(shí)也都老生常談了，或者說(shuō)市場(chǎng)和分析機(jī)構(gòu)的關(guān)注點(diǎn)，大致就在此了。

像素尺寸繼續(xù)變小

當(dāng)年TechInsights最早做出手機(jī)CIS像素尺寸在變小的趨勢(shì)論斷，還是讓很多技術(shù)愛(ài)好者震驚的。因?yàn)镃IS并不像數(shù)字電路的摩爾定律那樣，會(huì)受惠于更小的像素結(jié)構(gòu)；小像素也的確不利于感光。

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

像素上表面變小了，像素阱容就會(huì)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(lán)色點(diǎn)代表不同尺寸的像素（當(dāng)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(diǎn)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(guò)另一方面，基于這些年像素尺寸在逐漸縮小，橫軸實(shí)際上也可以一定程度代表時(shí)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(gè)6400萬(wàn)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(jī)市場(chǎng)上也是比較具有代表性的。

有個(gè)題外話(huà)，前不久我們采訪(fǎng)Prophesee CEO Luca Verre的時(shí)候，特別問(wèn)過(guò)他為什么基于事件的視覺(jué)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(shuō)基于事件的傳感器，像素復(fù)雜性在于level crossing sampling電路，每個(gè)電路需要一定數(shù)量的晶體管。

TechInsights這次的報(bào)告，有個(gè)統(tǒng)計(jì)維度是Teff（每個(gè)像素的有效晶體管），不僅統(tǒng)計(jì)了不同應(yīng)用的普通CIS，包括手機(jī)、相機(jī)、汽車(chē)、安防等；也統(tǒng)計(jì)了基于事件的傳感器、ToF這些比較特殊的圖像/視覺(jué)傳感器。

不同應(yīng)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(lái)自索尼和Prophesee合作的傳感器產(chǎn)品。這類(lèi)傳感器有著更高的像素復(fù)雜度，比如說(shuō)像素內(nèi)的time stamp、信號(hào)強(qiáng)度的Log采集等。

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

多層堆疊與像素級(jí)互聯(lián)

CIS的多層堆疊是趨勢(shì)，這一點(diǎn)我們也提過(guò)很多次了。更具體的趨勢(shì)則是，互聯(lián)密度的提升——這和許多數(shù)字芯片的先進(jìn)封裝路線(xiàn)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(gè)趨勢(shì)和常規(guī)。在互聯(lián)間距不斷縮小的過(guò)程中，縮減至像素級(jí)別的互聯(lián)，是個(gè)發(fā)展方向。此前的分析文章也詳細(xì)談過(guò)，像素級(jí)互聯(lián)對(duì)于全局快門(mén)、高速輸出等方面的價(jià)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(jí)互聯(lián)仍然是相當(dāng)少見(jiàn)的。TechInsights數(shù)據(jù)庫(kù)中，僅有3款已經(jīng)商用的、采用了像素級(jí)互聯(lián)的圖像傳感器：分別是iPad Pro的ToF攝像頭之上、來(lái)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(wàn)像素）。

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

PDAF對(duì)焦技術(shù)這些年在變

PDAF相位檢測(cè)對(duì)焦，好像也是圖像傳感器廠(chǎng)商宣傳的重點(diǎn)，大概是在上面花的時(shí)間也很多。畢竟DxO這種機(jī)構(gòu)針對(duì)移動(dòng)設(shè)備的評(píng)測(cè)，也相當(dāng)看重手機(jī)攝像頭的對(duì)焦性能。

隨像素尺寸本身在變小，PDAF像素結(jié)構(gòu)也在發(fā)生變化。要維持對(duì)焦像素高輸出信號(hào)，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(duì)小于1.0μm單像素尺寸的圖像傳感器很適用。（不過(guò)三星GM1、GD1，其實(shí)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?cái)?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(guò)，尤其是索尼現(xiàn)在在宣傳的2x2 OCL。

OCL的特點(diǎn)就在于不需要犧牲CIS的感光性能，這對(duì)小至0.7μm像素尺寸的傳感器很有價(jià)值。TechInsights表示，預(yù)計(jì)未來(lái)0.6μm單像素尺寸的CIS仍然會(huì)有這種PDAF方案。

2x2 OCL結(jié)構(gòu)是每個(gè)micro-len覆蓋4個(gè)像素，來(lái)達(dá)成兩個(gè)方向的PDAF對(duì)焦。上圖是來(lái)自TechInsights觀(guān)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(gè)臨近的2x1 OCL結(jié)合，來(lái)達(dá)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(jìn)（圖(c)），2x2 OCL是完全覆蓋了整個(gè)CIS的，包括IMX689、IMX766、IMX789皆如此。這種完整覆蓋傳感器的相位對(duì)焦方案，理論上也能夠達(dá)成在拍照時(shí)最高的對(duì)焦效率。

除此之外的DP PDAF方案，針對(duì)的主要還是更大的像素，畢竟DP需要把每個(gè)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(yīng)用于旗艦手機(jī)的5000萬(wàn)像素CIS都在用PD對(duì)焦方案（IMX700、GN2）。

這里面比較有特色的，是三星GN2：即針對(duì)綠色像素，以深槽隔離DTI來(lái)斜著切分像素，適配更多場(chǎng)景的自動(dòng)對(duì)焦。這一點(diǎn)，我們此前也撰文介紹過(guò)。

拜耳濾鏡之外的多樣化

CFA（Color Filter Array）這些年的發(fā)展，事實(shí)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(bǔ)。所謂的color filter色彩濾鏡，也就是每個(gè)像素前方負(fù)責(zé)過(guò)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(lèi)的概念前幾年也在不停教育市場(chǎng)。

根據(jù)單像素尺寸變化，當(dāng)前一些主流的CFA排列方式如上圖所示。這其中的綠點(diǎn)代表的CFA排列，就是更多人所熟知的每4個(gè)像素為一組（四合一），來(lái)感知同一種色彩。這種像素分組的策略，就像是擴(kuò)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(gè)像素為一組（九合一），并將其命名為Nanocell?？梢?jiàn)像素越小，對(duì)于像素分組數(shù)量的要求也隨之提高。

實(shí)際上2019年，索尼針對(duì)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(duì)應(yīng)的其CFA單色濾鏡的跨度達(dá)到了4.48μm，所以宣傳中說(shuō)十六合一的4.48μm大像素。

TechInsights認(rèn)為，未來(lái)隨著像素的進(jìn)一步縮小，我們會(huì)看到更多3x3、4x4 CFA方案。

更多有關(guān)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(bào)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(jié)了。

總的來(lái)說(shuō)，這些技術(shù)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(jié)構(gòu)，以及CFA排列方式的變化。好像在抽象層面，也沒(méi)什么太大驚喜。

雖說(shuō)當(dāng)代旗艦手機(jī)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(píng)果），但未來(lái)還是會(huì)有主流旗艦更小像素的圖像傳感器問(wèn)世，包括三星規(guī)劃中0.64μm/0.56μm尺寸的CIS。