华为引领成像芯片领域军备竞赛，索尼凭借i-ToF大获全胜，事件驱动视觉传感器的出现
发布日期：2019年12月18日
作者：高级技术分析师Ray Fontaine
三星、华为和苹果继续在其旗舰智能手机摄像头中注入更多与成像相关的硅材料。在结束这一年的时候，值得分享我们的一些观察来补充DXOMARK的智能手机摄像头基准分数，揭示了智能手机摄像头系统性能的持续渐进式发展。
后置旗舰智能手机摄像头
图1显示了三星Galaxy s和Note系列、华为P和Mate系列以及苹果iPhone的后置摄像头分辨率和像素间距的三年趋势。华为继续积极推进更高分辨率的传感器，包括Mate30Pro中的双40MP级传感器。从产品规划的角度来看，考虑到苹果每年发布产品的窗口很小，这对苹果来说是一项风险很大的业务。与此形成对比的是，华为和三星每年发布两次旗舰产品，在这些产品中，我们确实看到了更多新成像仪和传感器的引入。传统上，华为在其分层的P和Mate系列产品中提供了最多的相机选项。
值得注意的是，过去三年，三位领导人的后向成像仪都没有使用亚微米像素。小米新推出的108MP相机具有0.8µm的一代像素，在DXOMARK的排名中与华为并列第一（小米数据未包含在图1中）。那么，什么是最好的？领导者们倾向于在他们的高端产品中使用更大的像素，但撇开基准测试不谈，这确实归结为对艺术和个人喜好的讨论。
图1。2017-2019年前三大智能手机原始设备制造商、旗舰智能手机后置摄像头分辨率和像素间距趋势
使用更高分辨率的成像仪，再加上多摄像头的趋势，使得后向和前向智能手机摄像头中的成像仪芯片尺寸和整体堆叠成像仪内容大幅增加。图2总结了三星、华为和苹果旗舰手机后向叠层成像仪的相对芯片面积趋势（完整分析/数据可在图像传感器订阅). 每个数据点代表每个手机的后向CMOS图像传感器（CI）的组合区域。这些都是堆叠芯片成像仪，因此配套的图像信号处理器（ISP）芯片面积与CIS芯片面积趋势相同。请注意，该数据中不包括三星三叠层成像仪中使用的DRAM IC对芯片面积的贡献。每个原始设备制造商的战略都很明显：华为在imager Si军备竞赛中处于领先地位，而苹果最近采取了更为保守的做法，但仍取得了具有竞争力的基准分数。
图2。后向成像芯片的相对组合芯片面积，选择2017-2019年旗舰智能手机和DXOMARK智能手机后向摄像头基准
三星最近的主要后向相机继续采用其成功的三重堆叠快速读出传感器（FRS），并对CIS芯片结构进行了适度改进。同样，苹果新推出的后向成像仪采用的CIS结构与2018年的iPhone相当，不过广角摄像头传感器现在采用了双PD相位检测自动对焦（PDAF）来补充现有的屏蔽PDAF解决方案。这代表了在同一个活动像素阵列上部署双PD和屏蔽PD的第一个已知用途。一个容易预测的趋势是小像素成像仪增加了专用PDAF像素的使用。我们已经记录了遮罩、双PD和2x1片上镜头（OCL）方法的出现，但PDAF仍然是一个相对较新的像素选项，我们预计还会有更多的选择（例如，索尼刚刚在IEDM 2019上提交了一份2x2 OCL论文）。
华为与索尼合作，在Mate30Pro中采用双40MP摄像头系统，给人留下了深刻印象。图3显示了IMX650型，首次用于P30 Pro，具有1.0µm像素和RYYB“Quad Bayer”滤色器阵列（CFA）。它现在与新的IMX608型，其特点是首次使用4x4像素/4.48µm间距CFA。这个4x4 RGB四拜耳配置是我们从索尼看到的第三个四拜耳变体（其他是传统的2x2 RGB四拜耳和2x2 RYB四拜耳）。IMX608的1.12µm生成像素包含屏蔽PDAF。半掩蔽像素以蓝绿色行部署，在蓝色通道中的掩蔽像素上使用绿色替换过滤器。
索尼IMX650 RYYB“Quad Bayer”1.0µm像素，屏蔽PDAF
索尼IMX608 4x4 RGB Quad Bayer 1.12µm像素，屏蔽PDAF
图3。华为Mate 30 Pro后置40MP摄像头成像仪
智能手机自拍摄像头
图4显示了前三大原始设备制造商的前向成像仪分辨率和像素间距趋势。华为最近在其自拍相机中采用了高分辨率24MP和32MP传感器，具有亚微米像素。三星更喜欢分辨率较低的10MP自拍相机，最近推出了世界上最小的双PD PDAF，像素为1.22µm。苹果最近将其7MP自拍相机升级到12MP（所有相机最近都使用了拜耳RGB CFA的1.0µm一代像素）。
图4。2017-2019年前三大智能手机原始设备制造商、旗舰智能手机正面摄像头分辨率和像素间距趋势
旗舰型前置摄像头的CIS芯片面积趋势（图5）是上升的，尽管对苹果来说这是一个温和的增长。三星最近部署了双摄像头，将其推向了最高端。华为使用的高分辨率索尼成像仪使其在前置成像仪Si竞赛中处于领先地位，就像在后置摄像头领域一样。也就是说，这些亚微米像素并没有为华为赢得领导地位，除非与第二台相机合作，如华为nova 6 5G（未包含在图5芯片区数据中）。三星在其自拍相机中使用了最大的像素，并在前三大OEM旗舰中占据了领先地位。
Fig. 5. Relative Combined Die Area of Front-Facing Imaging Chips, Select Flagship Smartphones 2017-2019 and DXOMARK Smartphone Selfie Camera Benchmark
索尼i-ToF征服了旗舰智能手机
直接飞行时间（d-ToF）在移动电话中的应用历史相对较长，可以追溯到STMicroelectronics最初的基于SPAD的接近传感器，最近还可以追溯到STMicroelectronics的竞争解决方案ams公司. 索尼的背光间接飞行时间（i-ToF）解决方案于2018年首次用于智能手机，并于2019年进入华为和三星的旗舰。阵列ToF的出现可以说是年度智能手机成像/传感的重大事件。
Array ToF支持新的智能手机功能，包括生物识别辅助、自动对焦、3D扫描、测距和测量等。目前，索尼的获奖解决方案提供10µm像素的180 x 240分辨率和5µm像素的480 x 640分辨率。我们预计在2020-21年将广泛采用ToF，无论是用于后向和前向应用，以及更高分辨率阵列ToF的持续趋势。索尼的成功正吸引着其他开发团队的注意，我们预计未来几年将展开一场最高分辨率、最小像素ToF传感器的争夺战。
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| 说明 | IMX316型 | IMX516型 |
| 模具尺寸 | 4.03毫米x 4.70毫米（18.9毫米2) | 4.85毫米x 5.11毫米（24.8毫米2) |
| 分辨率 | 180 x 240毫米 | 480 x 640毫米 |
| 像素间距 | 10微米 | 5微米 |
| 显著的设计胜利 | Oppo R17 Pro（后向）， 华为P30 Pro（后向）， 华为Mate 30 Pro（后向） |
三星Galaxy Note10+5G（后向）， 华为Mate 30 Pro（正面） |
图6。索尼背光i-ToF概述
关注：事件驱动视觉传感器
我们期待着年底的假期，但也有点难过的是，暂时从我们正在进行的三星第三代动态视觉传感器（DVS）分析中抽身。三星将其家庭监控解决方案推广为在维护用户隐私的同时提供安全性。DVS输出显示运动/边缘数据的视频流而不是传统的图像流。背光S5K231YX的芯片尺寸为5.85 mm x 8.02 mm（47 mm2），分辨率为640 x 480，像素间距为9.0µm。图7显示了我们正在进行的多晶硅模具照片。
图7三星S5K231YX动态视觉传感器（DVS）多晶硅模具照片
三星此前在ISSCC 2017和IEDM 2019上展示了其DVS工作。我们期待着在ISSCC202年2月，索尼和PROPHESEE将共同提出其DVS解决方案（工作在一个背光1280×720分辨率传感器将被披露）。
对于TechInsights的成像和传感专家和分析师来说，2019年是忙碌的一年。游戏中的游戏让我们专注于进一步的深沟隔离（DTI）开发、先进的小像素PDAF系统、堆叠芯片成像仪和芯片间互连的发展、先进的ISP、优化的CFA和光学堆栈、高动态范围（HDR）汽车成像仪，当然还有ToF。我们期待更多的背光全球快门产品的分析，继续高分辨率和亚微米像素的发展，增强近红外（NIR）传感器，并推动非硅探测器。随着我们制定2020年分析路线图，我们已经看到了一些破坏性的技术事件，并很高兴继续添加到我们的技术分析内容库中。
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