百倍變焦、億萬畫素，還可拍攝8K的影片，而且幾乎克服了夜間低光源的拍攝困難。CMOS影像感測器究竟如何把智慧手機變成單眼相機？

智慧手機的相機功能可以有多強？三星電子（Samsung）近期發表的最新旗艦型5G手機，樹立了一個新典範。該款新手機的拍攝畫素來到了1億800萬的等級，可拍攝8K的影片，而且最大的變焦數來到了史無前例的100倍，更驚人的是，幾乎克服了夜間低光源的拍攝困難，實現了隨時、隨地、隨身的高品質攝影的可能。

達成這個目標背後的功臣，就是先進的CMOS影像感測器技術，而三星所使用的，是一個名為「ISOCELL」的影像感測器系統。該產品是三星自行研發的CMOS影像感測技術，目前最新的一代為「ISOCELL Bright HM1」。

在2018年初，三星宣布了新一代的ISOCELL（Fast 2L3版本）技術更新，而這次的更新是一個重大的升級，因為三星正式將3層堆疊架構運用在CMOS影像感測器上。

異質整合 CMOS進入感測＋邏輯＋DRAM時代

在此之前，一般的CMOS感測器是採兩層的結構，也就是把產生光感訊號的畫素陣列（pixel array）感測器，以及進行電子與數位訊號轉換的邏輯運算器進行堆疊，藉此加快運算的速度，並減少DRAM的使用。

圖一 : 三星把DRAM整合至影像感測器之中，完成了一種三層的架構。（source：三星）

這種雙層的結構對於實際的影像拍攝來了諸多的好處，最明顯的就是實現了超高的畫素（image readouts）讀取性能，並讓電子快門的即時取景，與順暢的超級慢動作成為可能。

站在這個基礎上，三星進一步把DRAM整合至感測器的結構之中。他們把2GB的LPDDR4 DRAM置於邏輯層之下，完成了一種三層的架構，並帶來了超高速的的影像拍攝性能。

由於整合了2GB的DRAM，感測器可以在把數據傳送到處理器之前，暫時儲存大量的影像資訊，所產生的結果就是超高速的電子影像快門，以及清晰無比的錄影功能，對於拍攝者而言，就是更強大的照相能力，以及超高解析的影片拍攝。最明顯的改進，就是消除了過去CMOS感測器的照片變形與所謂的果凍現象（Rolling shutter）。

另一方面，高速快門與瞬時儲存多重畫幀（multiple frames）的性能，就能支援3D降噪（Noise Reduction）以及更高階的高動態範圍成像（HDR）。而這對經常需要在室內拍攝的手機來說，是非常重要的提升。

事實上，三星並不是第一個使用三層式堆疊技術的業者，早在2017年，Sony就發表了三層式的堆疊CMOS影像感測器技術。但是不同於三星，Sony的DRAM層是為在中間，畫素感測在前，邏輯電路則是在後。此設計同樣達成了高畫素與更快的影像幀數，讓智慧手機的拍攝有了全新的思考。

近期，Sony則是進一步把堆疊式CMOS影像感測器技術拓展至工業領域上。他們與Prophesee合作開發的新一代事件導向（Event-based）CMOS視覺感測器，就是把光學畫素陣列感測器堆疊在邏輯處理器之上，並以銅墊（copper pads）連接的方式取代過去採TSV的作法。透過這個堆疊的架構，Sony實現了業界最小的畫素尺寸（1 4.86μm），和最高的HDR的性能（1 124dB）。

圖二 : Sony的DRAM層是為在中間，畫素感測在前，邏輯電路則是在後。

一直以來，Prophesee的事件導向影像感測技術，就是以高光學資料讀取量與快速的畫素反應著稱，再與Sony高敏感與低雜訊的CMOS影像感測器結合，兩者合一，則是產生了兼具速度與質量的影像感測產品。而採用堆疊的結構，則又更進一步縮減了晶片的面積，這對於物聯時代寸土寸金的產品體積來說，十分有經濟效益，尤其是機器視覺與安全監控等應用。

圖三 : 採用堆疊的結構，則又更進一步縮減了晶片的面積。

先進軟體演算贊力 畫素與解析力倍增

而儘管堆疊的架構能為影像資料的運算與晶片體積帶來突破，但影像本身的質量則是完全取決於感測技術對光感的畫素反應，要有更細緻與更大量的畫素，就要在畫素層的技術著手，讓光感反應更敏感，同時畫素資料更細緻。

以Sony為例，就是採用背照式（Back-illuminated）的影像感測結構，再搭配自主研發的專屬畫素結構（proprietary pixel structure）技術，達成了優越的敏感度，同時也改善了過去畫素微小化的缺陷。

圖四 : 背照式（Back-illuminated）的影像感測結構。

透過這個技術，Sony把畫素微縮至2.74 μm，並維持了元件的敏感度以及色彩飽和度，也由於採用後照式的形式，感測器得以針對更廣的區域進行偵測與量測，這意味著能夠產生更多更精細的訊號，所以整體的解析度也較前照式架構增加了1.7倍。

至於三星則是運用獨家的畫素模擬技術「Teracell」，來突破實體感測畫素無法增加的困境，他們透過特殊的演算法，讓畫素以四個為一組的形式安排在影像感測器的彩色濾光片。

當處於低光源的拍攝時，演算法就會把四個畫素模擬成一個，讓畫素變大；反之，在明亮的環境時，則使用稱之為「再馬賽克（re-mosaic）」演算法，把原本的畫素再分割成四格，藉此產生更高解析度的照片。這個技術不僅改善了明暗成像的性能，同時也增加了HDR在高對比環境中的拍照能力，等於全面提升了手機的拍攝能力。

而三星最新一代的ISOCELL Bright HM1，則是更進一步採用了新的「Nonacell」技術，它其實是Teracell的升級版。不同於前代使用四畫素（2 x 2）一組的結構，新的Nonacell則是使用9畫素（3 x 3）一組的結構，把拍攝畫素一舉推升到了1億800萬的等級，同時新的感測器的畫素尺寸則是縮小至0.8μm，意味著能夠對光感測訊號有更細緻的敏感度，在明暗兩端的拍攝也更加突出。

結語

就系統設計的觀點，CMOS影像感測器本身的體積只能有減無增，並不允許其占用過多的裝置空間。而在這個前提下，想要達成更佳的拍攝品質，就只能從製程與設計結構來改善。

但若從應用的角度切入，則拍照與攝影其實是軟硬體協同產出的結果，所以想要突破目前的成像限制，更多的光學工程設計與軟體優化的技術也是不可或缺的，例如AI與人工智慧的導入等，都是可用之策。

所以對於系統開發商來說，尋求先進的影像感測器方案固然是一個明顯的對策，但思考進一步結合第三方的光學設計與優質的軟體協助，從整體性的影像拍攝體驗進行改良，才會是最佳對策，而這也是前述這兩家業者能夠持續領先的原因所在。