cmos图像传感器 索尼CMOS图像传感器十年奋斗史：称霸 再称霸！

过去的十年是CIS快速发展的十年，索尼的半导体部门正好借此机会崛起。根据Yole的报告，索尼已经确保了其作为全球最大CIS供应商的地位——即使不包括东芝刚刚收购的公司，其销量也达到了35%，出货量高达50%，超过了第二大三星和第三大Omnivision的总和。

与此同时，索尼CIS依靠iPhone和DXOMark实现了名利双收。

今天索尼传感器在看风景，但谁能想到索尼这十年默默无闻的努力和白眼。比如尼康旗舰几乎不使用索尼传感器，像素长期被佳能压制。另一方面，索尼在CIS中的“黑技术”一点也不黑，实际上只是跟随行业的技术发展。过去的十年是索尼CIS的奋斗史和追赶史。

埃克斯莫尔出生了

不像欧美公司喜欢采用简单明了的命名方式，日本公司更有一种“神秘的东方色彩”，一种通俗易懂的技术会加上神秘的名字，这在索尼最为突出。

2007年，索尼发布了第一款Exmor传感器。与过去的CIS相比，Exmor最大的变化是内置ADC。

当外部ADC传感器传输数据时，每列像素产生的信号首先通过降噪电路，然后通过外部总线传输到一个或几个ADC。Exmor每列像素都有独立的ADC，可以在CIS芯片上完成模数转换，最后通过数字总线传输。

Exmor有大量的ADC，每个ADC都可以低频运行，只达到kHz级别，远低于外部ADC的MHz级别，有效降低了噪声，有利于实现高速读取。而且Exmor输出数字信号，抗干扰性更好，便于长距离布线，不需要在CIS附近布置ADC，大大简化了PCB设计。

IMX035是索尼第一款Exmor传感器，用于安防领域。它是1/3英寸，像素为1328 x 1024，可以输出120fps的全像素。内置ADC必不可少。

Exmor的成果很快被索尼应用到其他领域。索尼的24MP全传感器IMX028在2008年发布的单反相机尼康D3X和索尼A900中采用。但是索尼在IMX028上只能实现12位和5fps全像素连拍，尼康不得不在外部提供14位ADC来保证画质。

与行业内的先进水平相比——比如2005年ARRI推出的D20相机或者2007年红一谜x的出现，索尼只是在2007年才实现了内置ADC，或者说是在小尺寸传感器下实现的，并没有一点落后，但是凭借Exmor索尼拿到了进入CIS市场的“准入证”，开始了小步快跑的追赶之路。

日本另一家大型CIS厂商佳能，多年来一直徘徊在内置ADC的门槛之外。2015年传感器销量下降16%不足为奇。

手机上的Exmor R

索尼在实现内置ADC后取得了长足的进步，2008年推出了采用BSI技术的Exmor R传感器。

Exmor R遵循Exmor常规，先在技术难度较低的小CIS上试水。第一个产品是IMX055CHL，尺寸为1/4英寸，总像素为2048 x 1536，用于HDR-CX110和其他相机。

但让Exmor R出名的不是索尼自己的相机和摄像机，而是苹果的iPhone 4s S。

IPhone 4作为划时代的产品，已经没有必要去表达它的意义。与索尼CIS不同，iPhone 4使用的是Omnivision的OV5642背光传感器，苹果直到iPhone 4s才改用索尼8MP的IMX145背光传感器。

在FSI时代，拜耳阵列滤波器和光电二极管之间有许多金属连接，阻挡了大量光线进入传感器表面。为了缓解这个问题，TowerJazz和松下提出了在每个光电二极管前增加一个光管的方案，但效果远不如BSI明显。

在BSI结构下，将金属线转移到光电二极管的背面，不再遮挡光线，信噪比大大提高，可以使用更复杂、更大规模的电路来提高传感器的读取速度。

由于BSI传感器的普及，手机夜间拍摄不再困难，便携式数码相机的衰落也加快了。索尼半导体部失去了一个小市场，换来了一个大市场。

Exmor R在索尼黑卡II RX100II出来之前，对相机市场有实质性的影响。与上一代IMX163相比，这款相机使用的IMX183传感器主要指标没有变化，但高灵敏度性能直线上升。后来这种传感器被佳能和松下相机采用。

既然BSI这么有效，APS-C和全摄像头什么时候能用？当索尼被问及这个问题时，它抛出了一个无用的理论，即背面被一个大尺寸的传感器照亮。以后索尼被三星扇耳光，自己扇。

2014年，三星发布全新旗舰微摄像头，采用28MP、APS-C格式的背照式传感器，连拍速度达到15fps。更神奇的是，三星传感器营销经理杰伊·凯尔布雷(Jay Kelbley)在接受采访时表示，NX1的传感器采用65nm铜互连工艺制造，读取速度可达240fps。

遗憾的是，自从NX1发布以来，三星在相机市场没有大动作，也有消息说要退出相机市场。

2015年，索尼生产了A7RII相机，采用42MP和全背照式传感器。14位以下连拍速度可达5fps，拍摄4K视频无需切帧。

索尼官网上没有这个传感器的信息，也没有其他厂商采用过这个传感器。估计是半导体部专门给相机部提供的芯片，最大读取速度不清楚。

BSI结构赋予A7RII出色的高灵敏度性能，并可遭受弱处理器。连拍只有5fps。估计A7RII后续产品会继续使用这个传感器，换上新的处理器。

铜互连和全局快门

索尼在推广Exmor R的同时，默默将传感器技术从铝互连升级为铜互连。1997年，IBM发布了首款采用铜互连技术的芯片PowerPC 750。

与铝线相比，铜线的导电电阻低40%左右，芯片运行速度提高15%，可靠性提高100倍，尺寸可以做得更小，使得芯片可以增加互连层数。

但是铜原子会浮在芯片的绝缘层中，可能会改变硅的电学性质，破坏设备的运行。为此，IBM采用了钨接触、衬垫等一系列创新技术将铜与硅隔离，从而防止了这些负面影响。

直到A7RII发布，索尼才宣布采用铜互连技术，让人觉得很奇怪。

早在2012年，尼康发布的D600全单反相机就采用了IMX128，14bit时所有像素都能达到6.9fps的速度，相比D3X上的IMX028是一个质的提升，而这恰恰是铜互连工艺带来的改变。而且胶片级相机F55和F65的CIS可以实现高速读取，与铜互连分不开。估计A7RII宣传铜互连技术是对索尼回应NX1的回应。

我第一次在相机领域听到全球快门这个词，可以追溯到2011年尼康发布的尼康1系列微型相机。该系列相机采用Aptina的1英寸，10MP传感器，全像素连拍速度达到60fps。到现在为止，还没有相机能破。

全局快门是电子快门的一种形式。在它出现之前，CIS用的是卷帘式快门，传感器上的像素是一行行曝光透射的。在高速拍摄时，形成了“倾斜”、“摇摆”、“变形”的现象，常被称为果冻效应。

为了解决这个问题，在像素的下部增加了一个存储单元。曝光时，所有像素同时曝光，信息存储在相应的存储单元中。即使采用逐行传输的方式，也不会带来果冻效应。

索尼最早的全球快门产品是2012年推出的电影级相机F55，配备了Super35格式和11.6MP传感器，可以以60fps拍摄4K视频。

F55推出后的很长一段时间内，索尼从未使用过全球快门的CIS销售，也没有新的相机和摄像机采用过这项技术。直到去年，工业传感器如LQR imx 250 lr和LQR imx 252 lr才出现。此时，索尼公司给全球快门起了一个名字，叫做“东方之谜”。

但2015年，带全局快门的CIS是Exmor级别的传感器，无法与BSI结合，仅限于小尺寸、低像素的产品。

Exmor RS，大大小小

2012年8月20日，索尼发布了带有“堆叠结构”的CIS，命名为Exmor RS。索尼表示，该结构将承载背照像素结构的像素部分堆叠在附着有信号处理电路的芯片上，而不是传统的背照CMOS图像传感器的支撑基板。

Exmor RS一片哗然，这是什么鬼？要了解堆叠结构，最好扔掉索尼的官方资料。索尼的说法太模糊，重点没有说明。而且堆叠结构并不是索尼独有的技术，有大量的资料可以帮助我们了解结构。

BSI将滤波器和光电二极管之间的连接转移到光电二极管的背面，但是光电二极管阵列周围仍然有很多电路，这些电路在堆叠结构下转移到光电二极管的背面，并通过TSV技术连接到其他芯片。

这样有很多好处。首先，电路转移后，CIS的总面积减小，成品率提高，成本降低。其次，CIS是模拟电路，不遵循摩尔定律，甚至采用较小的线宽工艺降低性能。在移动电路背面并采用TSV之后，两个具有不同工艺和不同类型的芯片可以容易地结合在一起。典型的用法是索尼RX100IV上新的1英寸CIS。

和A7RII类似，RX100IV上没有CIS的索尼官网，其他厂商也没有使用，是索尼相机部门专门使用的。

与IMX183相比，传感器采用堆叠结构，使ADC翻倍。在CIS的底部附着了DRAM和ISP，用于缓存、读取和处理图像信息，从而在摄像头上实现了前所未有的慢动作视频能力。

就像Exmor R在智能手机上的迅速普及一样，Exmor RS在智能手机上的迅速普及也让智能手机实现了4K视频、1080P慢动作视频、PDAF等一系列功能。iPhone 6s、Galaxy S7等手机甚至使用多帧复合输出作为拍照默认设置，进一步缩小了手机与相机的差距。

幸运的是，在堆叠结构时代，索尼相对于主要竞争对手三星和Omnivision有很多优势。例如，滤光器到光电二极管的厚度更薄，图像质量更好。在巨大的产能下，研发成本得到有效分担，销售和市场份额优势依然保持。

在NAB 2016上，索尼发布了新的广播摄像机HDC-4800，它采用了具有全局快门和堆叠结构的Super35 CIS。模拟部分采用90纳米制造工艺，数字部分采用65纳米制造工艺，采用SLVE-EC总线，可输出480fps的4K图像。

索尼又敢在大尺寸CIS中采用全局快门，信心大概来源于堆叠结构。

离焦

内置ADC，BSI，堆叠结构都是CIS的例行程序。索尼用三星和Omnivision也可以。索尼要想超越竞争对手，自然要在其他方面下功夫。从一些零碎的信息可以看出索尼在这方面的努力。

IMX204是索尼在2015年ISSCC发布的CIS，其信息也可以在官网的产品列表中找到，但没有市售相机采用这种传感器。IMX204在指标上并不突出，Exmor RS，1/1.7英寸，20MP像素，30fps全像素读取速度，真正的优秀在于其他方面——

“新的是每列双单斜率模数转换器，位于第二层硅上。因此，每个像素可以并行两次转换到数字域，从而产生数据的双重采样。如果ADC的时序正确，可以实现3 dB的增益。在这种多重采样配置中，增益为27 dB时，产生的噪声水平为1.3个电子。”

这是索尼第一个CIS提到双ADC。双通道ADC并不是一项新技术。我们甚至看过大量使用双ADC的影视作品——《唐顿庄园》、《权利的游戏》、《美国队长》由Alexa拍摄。《起床号》《地心引力》...

Alexa是ARRI 2009年推出的电影级相机，其ALEV III传感器采用双ADC技术，即双增益结构。每个像素有两个独立的信号通道连接到两组不同的模数转换器，一个通道读取14位高增益信号，另一个通道读取14位低增益信号，最后由处理器合成16位高宽度图像。

截至Alexa发布，其公差从未被量产相机或摄像机超越，在全感光度范围内可达到14stops公差，极限公差超过15stops。

IMX204使用双ADC可能是为了提高容差，但也是为了进一步提高读取速度。从目前的信息来看，倾向于后者是令人遗憾的。

布莱斯送的？拜耳注册专利至今已有四十年，拜耳阵列一直是CIS捕捉彩色图像的主流方案。然而，近年来，许多新的过滤器阵列出现，以取代旧的拜耳阵列。

索尼在NAB 2011上推出了F65电影级相机。它的CIS是20MP像素的Super35格式，采用了全新的Q67，看起来像45度倾斜的拜耳阵列。索尼表示，Q67可以实现更高效的插值采样，只要20MP就可以实现8K分辨率。而Q67只是在F65没有分支，F65的市场份额远低于后来的F55。

去年发布的华为P8手机使用的IMX278是索尼对拜耳阵列的又一改进。传感器上使用四个滤光器，R、G、B和W来捕获彩色图像。巧合的是，IMX278只出现在P8，并没有使用其他手机。从技术上讲，用什么滤色器来捕捉彩色图像，更多的是一个ISP和软件算法的问题。制造不同的彩色滤光片对于CIS制造来说在技术上并不困难。

结论:

经过十年的发展，索尼终于将主流传感器技术应用到各种尺寸的CMOS图像传感器上，没有所谓的“黑技术”，结果是多种多样的。

在移动领域，索尼没有超强的竞争对手。凭借良好的性能和价格，可以获得良好的市场份额，但利润率有限。现在它面临着一个巨大的挑战——地震造成的CIS产量的减少会导致三星等公司乘虚而入。

相机层面，虽然CIS销量不如以前，但瑞萨退出，东芝被收购。即使佳能和松下依然存在，也没有日本CIS供应商能正面挑战索尼的地位。

对于只使用日本传感器和日本处理器的相机厂商来说，这绝对是一场噩梦。既然索尼有能力从上游影响相机市场，大家只能含泪继续使用IMX094。可能尼康现在后悔没把东芝半导体收进口袋。

在高端领域，恐怕Teledyne Dalsa，ON Semiconductor，e2v还是给索尼一个不错的答复。索尼十年的努力只是让自己刚刚触及门槛。