INDUSTRIAL
图像传感器
January 23, 2023
“图像传感器”是一种将从镜头射入的光线转换为电信号的半导体。目前，这个市场正在日益扩大。根据索尼半导体解决方案公司（下称SSS）的调查结果，从2022年度开始到2030年度，该市场的全球年平均增长率（CAGR）有望达到10%左右*。
SSS在图像传感器技术上不断创新，从背后支持智能手机摄影文化。手机图像传感器是这项业务背后的驱动力。
其中不仅凝聚了SSS多年来积累的知识和技术经验，还投入了大量智能手机时代的新技术。这些知识与技术为全球终端用户的日常生活带来了多种多样的“感动体验”。
SSS的手机图像传感器都有哪些优势？对此，我们采访了从事搭载先进像素的图像传感器开发的手机系统事业部的中田征志先生与负责事业管理的铃木文明先生。
*）索尼调查结果
参照：https://www.sony-semicon.com/cn/company/group/index.html
Nakata Masashi
Sony Semiconductor Solutions Corporation
Mobile Systems Business Division
个人简介：2006年入职索尼株式会社。负责图像传感器的集光构造开发后，从事包括信号处理的画质设计。之后，首次在手机中导入了像面相位技术。2015年，担任IMX318项目组长。2017年调动到索尼互动娱乐，与索尼音乐合作，参与使用先进相机制作实景VR内容。2019年调回至现在的事业部，推进手机图像传感器的开发。2021年，成为部门统括課长，负责从商品开发到量产的整个流程，直至现在。
Suzuki Fumiaki
Sony Semiconductor Solutions Corporation
Mobile Systems Business Division
个人简介：2005年入职索尼株式会社。先后担任过α・Handycam・Cyber-Shot用相机平台开发PMO和本部长事务人员的岗位后，从2010年开始负责新事业企划、云计算服务和应用软件企划。2014年调动到半导体营业部门，积累经验后于2016年前往圣荷西赴任。在北美为MMIC业务利润率的大幅提升和获得模拟LSI的新业务做出了贡献，2019年调回至现在的事业部。次年，作为新成立的业务开发部门的统括课长，从事品牌塑造、联盟和合同支持业务。
从CCD到CMOS。毫不夸张地说，索尼集团对图像传感器的开发就是一部图像传感器在世界上的进化史。
中田骄傲地向我们介绍称“要从图像传感器输出图像，需要接收光线的像素、将光线模拟信号其转换为数字信号的电路以及精修画质的信号处理通道。而SSS在各个环节都拥有非常强大的技术实力”。
这些优势具体体现在哪些方面呢？
”2009年我们研发出突破性的背照式CMOS图像传感器后，之后又相继推出高SNR（Signal to Noise Ratio：信噪比）、广域动态范围、高速自动对焦（AF）的像素技术等技术。”（中田）
从着手CCD研发以来，SSS在在长达50多年与图像传感器打交道的过程中积累了丰富的技术，将这些技术同时应用于手机图像传感器的研发，正是索尼集团强大的源泉。
SSS的手机图像传感器技术是如何为人们带来便利的呢？
近年来，消费者对智能手机的主要期望就是希望在暗处也能拍摄出美丽影像。
关于成像的机制与图像传感器的作用，中田做出了如下的解说。
“要拍摄美丽的照片和视频，需要传感器捕获更多的光线，然后低噪点地输出信息。然而，即使实现了低噪点，但如果对焦不准或者手抖，还是会导致拍摄照片、视频失败。为了防止这种情况，图像传感器就需要满足多个条件，比如由传感器输出对焦所需的信息、高速释放快门以避免抖动和失真等”。
为了满足终端用户的需求，SSS致力实现的就是智能手机相机的“大画幅化”。大画幅化是指扩大图像传感器的面积。
“比如，在拍摄夜景时，必须注意避免手抖。而想要拍摄星空时，较小的光学尺寸将将可以满足一等星的拍摄需求。但如果通过传感器的大画幅化来增加受光面积，就可以相应缩短快门时间，从而避免手抖。另外，相同快门时间下，可以捕获更多光线，因此，即使是暗处的被摄体也能清晰捕捉。”
除了昏暗的场景，在明亮场景中拍摄时，大画幅化也有优势。那就是能防止过度曝光。
“大画幅化后可以增大用于存储光电转换中产生的电子的光电二极管的尺寸，因此，在明亮场景中拍摄时，可以防止过度曝光。换言之，大画幅化既可以帮助我们在昏暗场景中准确捕捉被摄体，也可以在需要动态范围的明亮场景中避免过度曝光，将我们所看到的景象准确地保留在照片中。”（中田）
SSS推进大画幅化还有其他的原因。长久以来，智能手机相机的主流进化趋势是搭载多个摄像头的“多镜头化”，但这一趋势目前也进入了平台期。
而与多镜头并驾齐驱的进化就是大画幅化，这是一项可以解决终端用户与厂商双方课题的技术。
虽然可以预见今后大画幅化的趋势仍将持续，但也出现了一些课题。移动设备的面积有限，且考虑到用户使用方便等因素，智能手机相机部分突出的厚度也不能再增高了。那么究竟该怎么办呢？
解决这项课题的是SSS新开发的独家技术。其中之一是2021年12月发布的“2-Layer Pixel（双层晶体管像素）”。
“过去的图像传感器，光电二极管与驱动像素的晶体管分布在同一个硅片上。也就是说，这两个部件会互相抢夺地盘，而应用2-Lyer Pixel后，我们将光电二极管和晶体管分别置于不同硅片上，这样就能构建更大尺寸的光电二极管，进一步扩大动态范围。另外，放大晶体管的尺寸也增大了，因此，可以大幅减少噪点。”（中田）
应用这项技术后，即使在逆光等明暗差较大的场景中，也能避免过度曝光或暗部模糊，而且在室内或夜景等昏暗场景中，也可以拍摄出噪点较少的高画质影像。
另一项技术是“全像素自动对焦”。在改善暗处成像效果时，与SNR一样，重要的关键点是要将焦点准确对准被摄体。过去的方法是将图像传感器的一小块区域分配给对焦信息获取像素，然后基于该专用像素获取的信息，由后续的相机系统进行对焦。
然而，对焦信息的精度取决于该专用像素所占的面积，因此，在暗处受噪点影响，对焦信息一直未能充分发挥性能。而解决这个问题的就是实现全像素自动对焦的“Dual PD”方式与“Octa PD”方式。
Dual PD是将左右2个PD（光电二极管）作为一组，构成1个像素的技术，可以配置在整个图像传感器中。
中田强调说“凭借这项技术，我们能够以100%的面积获得对焦信息，对焦变得更加简单。而且，人眼或者远处微小的被摄体，都能对准目标位置进行对焦”。
Octa PD是以同色2x2为单位排列Dual PD像素的技术。通过在暗处将2x2像素读取为1个像素，可以获得与实际4倍大的像素相同的SNR。Octa PD的特征是可维持高感光度、支持HDR（高动态范围），同时被摄体或明或暗都能高速对焦。在明亮场景中，可分别读取2x2像素，优先保证分辨率而非SNR。
就这样，SSS通过融合各种技术，引领图像传感器领域进一步发展，并且为了在今后为全世界用户提供感动体验，开始了各项新举措。
铃木表示“我们的市场份额很高，智能手机厂商也非常认可我们的技术实力，但是大众（智能手机用户）对图像传感器本身有所了解的人却并不多。为了让这些用户了解SSS在智能手机相机技术中发挥的支撑作用，并让其选购搭载有SSS图像传感器的智能手机，我们希望能在大环境方面作出一些改变” 。
于是，SSS从11月开始推进强化品牌塑造、面向社会大众提升品牌知名度的措施。为满足用户“想要更自由地表达感动并与他人共享”的需求，为用户提供超出预期的创意体验，光喻LYTIA品牌由此应运而生。
“2年多以前，我们就研究过品牌的创立，并反复进行了讨论，终于成功推出了光喻LYTIA。我们希望以此解放智能手机用户的创造力，让更多人知道搭载有光喻LYTIA的智能手机能拍摄出非常棒的照片。”（铃木）
关于今后的挑战，中田斗志踌躇满志地表示将“不断追求高画质”。比如，在孩子的运动会和发布会等场景中，还有很多人使用单反相机和数码相机进行拍摄，说明智能手机相机的画质还不能充分满足用户需求。并且，在最近被应用于娱乐等各个领域的VR的世界中，影像拉伸后画质粗糙问题严重，也让中田感到很遗憾。
“我们开发的图像传感器被搭载到上亿部智能手机中，用户使用这些智能手机拍摄，就会产生大量的照片和视频。所以我们对于用户留下的回忆和影像画质负有重大的使命和责任。”（中田）
铃木接着发言。
“在心灵被打动的瞬间，用户会想要拍摄照片。而我们的图像传感器是否真的能够准确拍摄用户所见到的景色呢。我将在这方面进行深入的研究。”
为了将人们的感动与喜悦真实记录下来，他们始终以饱满的热情矢志不移地投身SSS的图像传感器开发。
