Как многослойные CMOS-датчики изображения переопределяют технологию камер: раскрытие беспрецедентной скорости, четкости и миниатюризации для устройств следующего поколения
- Введение: Что такое многослойные CMOS-датчики изображения?
- Как многослойная архитектура отличается от традиционных CMOS-датчиков
- Прорывы в качестве изображения и скорости обработки
- Влияние на камеры смартфонов и потребительской электроники
- Обеспечение передовых функций: широкий динамический диапазон, работа в условиях низкой освещенности и интеграция ИИ
- Проблемы производства и принятие в отрасли
- Будущие тенденции: за пределами смартфонов — автомобильные, охранные и промышленные приложения
- Заключение: Путь вперед для многослойных CMOS-датчиков изображения
- Источники и ссылки
Введение: Что такое многослойные CMOS-датчики изображения?
Многослойные CMOS-датчики изображения представляют собой значительный прорыв в технологии цифровой визуализации, предлагая улучшенные характеристики и новые функциональные возможности по сравнению с традиционными CMOS-датчиками. В обычном CMOS-датчике изображения фотодиоды и пиксельная цепь изготавливаются на одном кремниевом подложке. В отличие от этого, многослойные CMOS-датчики изображения разделяют пиксельный слой (где захватывается свет) и логический слой (где происходит обработка сигнала), укладывая их вертикально друг над другом и соединяя с помощью современных технологий, таких как кремниевые vias (TSV). Эта архитектура позволяет оптимизировать каждый слой независимо, что приводит к улучшению качества изображения, более быстрым скоростям считывания и уменьшению размера чипа.
Разделение пиксельного и логического слоев позволяет интегрировать более сложные процессорные схемы, такие как быстродействующие аналого-цифровые преобразователи и современные алгоритмы шумоподавления, непосредственно под массивом пикселей. Это не только улучшает динамический диапазон и производительность в условиях низкой освещенности, но также позволяет добавлять новые функции, такие какHDR-съемка в реальном времени и обработка искусственного интеллекта (ИИ) на чипе. Многослойные CMOS-датчики в настоящее время широко используются в смартфонах, цифровых камерах и автомобильных приложениях, где компактный размер и высокая производительность являются критически важными требованиями.
Разработка и коммерциализация многослойных CMOS-датчиков изображения осуществляются ведущими полупроводниковыми компаниями, при этом Sony Semiconductor Solutions является пионером этой технологии. Поскольку спрос на более высокое разрешение и более умные системы изображения продолжает расти, ожидается, что многослойные CMOS-датчики изображения сыграют центральную роль в эволюции цифровой визуализации.
Как многослойная архитектура отличается от традиционных CMOS-датчиков
Многослойные CMOS-датчики изображения представляют собой значительную эволюцию по сравнению с традиционными архитектурами CMOS, в первую очередь благодаря инновационному использованию вертикально интегрированных слоев. В традиционных CMOS-датчиках вся пиксельная цепь — включая фотодиоды и элементы обработки сигналов — располагается на одной кремниевой подложке. Этот монолитный подход накладывает ограничения на размер пикселей, производительность и интеграцию передовых функций из-за ограничений по пространству и процессу.
В отличие от этого, многослойные CMOS-датчики изображения отделяют массив пикселей и логическую цепь на различные слои, которые затем объединяются с помощью современных техник укладки чипов. Верхний слой обычно содержит фотодиоды и цветные фильтры, оптимизированные исключительно для захвата света, в то время как нижний слой содержит сложные схемы обработки сигналов, память и иногда даже ускорители искусственного интеллекта. Это разделение позволяет каждому слою изготавливаться с использованием процессов, наиболее подходящих для их функции, что позволяет создавать меньшие пиксели, более высокое разрешение и более быстрые скорости считывания без ущерба для качества изображения или размера датчика.
Многослойная архитектура также облегчает интеграцию дополнительных функций, таких как фазовая автофокусировка на чипе, обработка HDR и шумоподавление в реальном времени, которые сложно реализовать в традиционных конструкциях. Более того, уменьшение проводки и длины соединений между пиксельными и логическими слоями позволяет многослойным датчикам достигать меньшего потребления энергии и улучшенной целостности сигнала, что приводит к лучшей производительности в условиях низкой освещенности и более быстрым скоростям передачи данных. Такие ведущие производители, как Sony Semiconductor Solutions, стали пионерами этой технологии, сделав многослойные CMOS-датчики основой современных систем изображения для смартфонов и цифровых камер.
Прорывы в качестве изображения и скорости обработки
Многослойные CMOS-датчики изображения привели к значительным достижениям как в качестве изображения, так и в скорости обработки, кардинально изменив цифровую визуализацию. Вертикальная интеграция пиксельного слоя и логической схемы на отдельных подложках позволяет использовать современные обработки сигналов и память непосредственно под фотодиодами. Это разделение позволяет создавать более крупные и эффективные пиксели, что улучшает чувствительность к свету и динамический диапазон, обеспечивая более четкие изображения с меньшим шумом, особенно в условиях низкой освещенности. Например, внедрение технологии многослойных датчиков в потребительские устройства привело к заметным улучшениям точности цвета и сохранения деталей, как это продемонстрировала Sony Semiconductor Solutions Corporation.
Скорость обработки также показала замечательные достижения. Многослойный дизайн позволяет интегрировать высокоскоростную DRAM или современные логические схемы непосредственно под массивом пикселей, обеспечивая быстрое считывание данных и обработку изображений в реальном времени. Эта архитектура поддерживает функции, такие как ультрабыстрая автофокусировка, запись видео с высокой частотой кадров и снижение искажений от прокрутки. Например, использование многослойных датчиков в смартфонах и профессиональных камерах обеспечило возможность серийной съемки на скоростях, ранее недоступных для традиционных CMOS-датчиков, как подчеркнуто Canon Inc.. Более того, возможность обработки данных изображения на чипе снижает задержку и потребление энергии, что критически важно для мобильных и встроенных приложений.
В целом, многослойные CMOS-датчики изображения представляют собой прорыв как в качестве изображения, так и в скорости обработки, прокладывая дорогу для новых приложений визуализации в таких областях, как потребительская электроника, автомобильная и промышленная визуализация.
Влияние на камеры смартфонов и потребительской электроники
Многослойные CMOS-датчики изображения значительно изменили ландшафт камер смартфонов и потребительской электроники, обеспечивая более высокую производительность в всё более компактных устройствах. В отличие от традиционных датчиков, многослойные CMOS-дизайны разделяют массив пикселей и логическую цепь на разные слои, которые затем вертикально интегрируются. Эта архитектура позволяет реализовывать более продвинутую обработку сигналов, более быстрое считывание данных и интеграцию дополнительных функций непосредственно на чипе датчика. В результате смартфоны, оборудованные многослойными CMOS-датчиками, могут достигать более высокого разрешения, улучшенной работы в условиях низкой освещенности и более быстрой автофокусировки при соблюдении тонких форм-факторов, требуемых современными потребительскими устройствами.
Влияние многослойных CMOS-датчиков особенно очевидно в флагманских смартфонах, где производители используют эту технологию, чтобы предложить такие функции, как HDR в реальном времени, многокадровое шумоподавление и запись видео с высокой скоростью. Например, использование технологии многослойных датчиков позволило осуществлять серийную съемку со скоростью до 20 кадров в секунду и запись видео в 4K с высокой частотой кадров, способности, которые ранее были ограничены специализированными камерами. Более того, увеличенная вычислительная мощность самого датчика снижает нагрузку на основной процессор приложения, что приводит к более эффективному потреблению энергии и увеличению времени автономной работы, что является важным аспектом для мобильных устройств.
Крупные игроки отрасли, включая Sony Semiconductor Solutions и Samsung Semiconductor, находятся на переднем крае разработки многослойных CMOS-датчиков, продвигая инновации в вычислительной фотографии и обеспечивая новые пользовательские впечатления, такие как продвинутые режимы портретной съемки и распознавание сцен с использованием ИИ. Поскольку ожидания потребителей по поводу работы камер продолжают расти, многослойные CMOS-датчики изображения, похоже, останутся основополагающей технологией в эволюции мобильных и потребительских устройств визуализации.
Обеспечение передовых функций: широкий динамический диапазон, работа в условиях низкой освещенности и интеграция ИИ
Многослойные CMOS-датчики изображения революционизировали возможности современных систем визуализации, обеспечивая передовые функции, такие как широкий динамический диапазон (HDR), превосходная работа в условиях низкой освещенности и плавная интеграция обработки искусственного интеллекта (ИИ). Многослойная архитектура разделяет массив пикселей и логическую цепь на разные слои, соединенные через вертикальные связки высокой плотности. Этот дизайн позволяет включать более сложную обработку сигналов и память непосредственно под пиксельным слоем, не увеличивая размеры датчика.
Для HDR-съемки многослойные датчики могут захватывать несколько экспозиций одновременно или в быстром последовательности благодаря высокой скорости считывания, обеспечиваемой специальным логическим слоем. Это приводит к изображениям с большей детализацией как в ярких, так и в темных областях, превосходящим возможности традиционных однослойных датчиков. Улучшенная работа в условиях низкой освещенности достигается за счет оптимизации структуры пикселей и снижения шума через обработку на чипе, что более целесообразно в многослойной конфигурации. Близость современных аналого-цифровых преобразователей и схем шумоподавления к пиксельному слою минимизирует ухудшение сигнала, что приводит к более четким изображениям в сложных условиях освещения.
Более того, интеграция ускорителей ИИ в логическом слое многослойных CMOS-датчиков позволяет проводить анализ изображений в реальном времени, такой как обнаружение объектов, распознавание сцен и регулярные коррекции автофокуса непосредственно на датчике. Это не только снижает задержку, но и снимает нагрузку с основного процессора устройства, позволяя реализовывать более умные и эффективные приложения визуализации. Ведущие производители, такие как Sony Semiconductor Solutions и Samsung Semiconductor продемонстрировали эти достижения, устанавливая новые стандарты для мобильных, автомобильных и промышленных систем визуализации.
Проблемы производства и принятие в отрасли
Производство многослойных CMOS-датчиков изображения представляет собой уникальные вызовы по сравнению с традиционными светосильными или заднеосвещенными CMOS-датчиками. Многослойные архитектуры требуют точного выравнивания и соединения нескольких кремниевых пластин — обычно отделяя массив пикселей от логической цепи. Этот процесс, известный как соединение пластина-пластина или чип-пластина, требует субмикронной точности, чтобы обеспечить электрическую связь и качество изображения. Достижение такой точности в масштабах увеличивает сложность и стоимость, так как даже незначительные несовпадения могут привести к потере выхода или ухудшению производительности датчика. Кроме того, уменьшение толщины пластин для упрощения укладки вводит хрупкость, требуя более сложных методов обработки и контроля на всех этапах производственного процесса.
Еще одной значительной проблемой является тепловое управление. Близость логических и пиксельных слоев может привести к локальному нагреву, что потенциально влияет на шум и надежность датчика. Поэтому производители должны интегрировать эффективные решения для рассеивания тепла, не влияя на компактность, которую предлагают многослойные конструкции. Кроме того, интеграция кремниевых vias (TSV) для вертикальных соединений добавляет дополнительные этапы процесса и требует тщательной оптимизации, чтобы избежать взаимных помех и сохранять целостность сигнала.
Несмотря на эти трудности, принятие в отрасли многослойных CMOS-датчиков изображения ускорилось, чему способствовал спрос на более высокую производительность в компактных устройствах, таких как смартфоны и автомобильные камеры. Ведущие компании, такие как Sony Semiconductor Solutions Corporation и Samsung Electronics, стали пионерами массового производства, используя собственные технологии соединения и миниатюризации. Поскольку технологии производства начинают развиваться, а экономики масштабирования улучшаются, ожидается, что многослойные CMOS-датчики станут стандартом для высококачественных приложений визуализации, что еще больше расширит границы производительности датчиков и интеграции устройств.
Будущие тенденции: за пределами смартфонов — автомобильные, охранные и промышленные приложения
Многослойные CMOS-датчики изображения, изначально разработанные для удовлетворения требований фотосъемки на смартфонах, сейчас готовы революционизировать ряд отраслей за пределами потребительской электроники. В автомобильном секторе эти датчики интегрируются в системы помощи водителю (ADAS) и автономные транспортные средства, где их широкий динамический диапазон, низкий шум и быстрые скорости считывания позволяют более надежно обнаруживать объекты и обеспечивать ситуационную осведомленность в сложных условиях освещения. Ведущие поставщики автомобилей уже сотрудничают с производителями датчиков, чтобы разработать индивидуальные многослойные решения CMOS для мониторинга в салоне и систем кругового обзора (Sony Semiconductor Solutions Corporation).
В сфере безопасности и наблюдения многослойные CMOS-датчики предлагают значительные преимущества, такие как улучшенная работа в условиях низкой освещенности и более высокая частота кадров, что критически важно для мониторинга в реальном времени и распознавания лиц. Возможность интеграции обработки на чипе с использованием искусственного интеллекта (ИИ) внутри датчика дополнительно повышает их полезность, позволяя проводить анализ на грани и уменьшая необходимость в высокоскоростной передаче данных на централизованные серверы (ams OSRAM).
Промышленные приложения также выигрывают от эволюции технологии многослойных CMOS. В машинном зрении, робототехнике и контроле качества эти датчики обеспечивают более высокое разрешение и более быструю передачу данных, поддерживая более точные инспекционные и автоматизационные задачи. Тенденция к миниатюризации и интеграции дополнительных функций — таких как определение глубины и спектральная визуализация — в технологию многослойных датчиков, ожидается, будет способствовать дальнейшему принятию в этих секторах (onsemi).
Пока многослойные CMOS-датчики изображения продолжают развиваться, их влияние будет расширяться далеко за пределы смартфонов, обеспечивая более умные, безопасные и эффективные системы в автомобильной, охранной и промышленной сферах.
Заключение: Путь вперед для многослойных CMOS-датчиков изображения
Многослойные CMOS-датчики изображения быстро эволюционировали от новаторской концепции до основополагающей технологии современных систем визуализации. Их слоистая архитектура, которая разделяет фотодиод и схемы на четкие уровни, позволила добиться значительных прорывов в миниатюризации пикселей, скорости считывания и эффективности энергопотребления. Поскольку спрос на высокопроизводительные визуальные технологии для смартфонов, автомобильных систем и промышленных приложений продолжает расти, многослойные CMOS-датчики, похоже, займут ещё более критическую роль в будущем цифровой визуализации.
Глядя в будущее, продолжающиеся исследования сосредоточены на дальнейшем сокращении размера пикселей, одновременно сохраняя или улучшая чувствительность и динамический диапазон. Инновации, такие как интеграция обработки на основе искусственного интеллекта непосредственно на многослойном датчике и использование передовых материалов для повышения квантовой эффективности, находятся на горизонте. Эти разработки обещают открыть новые функциональные возможности, такие как вычислительная фотография в реальном времени и продвинутые возможности машинного зрения прямо на уровне датчиков.
Тем не менее, остаются проблемы, в том числе сложность производства многослойных структур и обеспечение высокого выхода и надежности в большом масштабе. Лидеры отрасли инвестируют в новые методы производства и проектирования, чтобы справиться с этими вызовами. По мере взросления этих технологий ожидается, что многослойные CMOS-датчики изображения станут еще более повсеместными, способствуя следующей волне инноваций в области визуализации в различных секторах. Для получения исчерпывающего обзора текущих тенденций и будущих направлений смотрите ресурсы от Sony Semiconductor Solutions Corporation и Canon Inc..
Источники и ссылки
