攝影觀念及技術 - 台積電在2016年的ISSCC發表3300萬畫素的CMOS Image Sensor - 相機

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台積電在2016年的ISSCC發表3300萬畫素的CMOS Image Sensor

報載今年的ISSCC 2016(全世界IC設計最高殿堂),台積電出了一篇CMOS Image Sensor(CIS)的論文
特地去查了一下ISSCC2016在image sensor的program:

6.1 An Over 120dB Simultaneous-Capture Wide-Dynamic-Range 1.6e- Ultra-Low-Reset-Noise Organic-Photoconductive-Film CMOS Image Sensor
Panasonic, Moriguchi, Japan

6.2 210ke- Saturation Signal 3µm-Pixel Variable-Sensitivity Global-Shutter Organic Photoconductive Image Sensor for Motion Capture
Panasonic, Moriguchi, Japan

6.3 105×65mm2 391Mpixel CMOS Image Sensor with >78dB Dynamic Range for Airborne Mapping Applications
CMOSIS NV, Antwerp, Belgium

6.4 An APS-H-Size 250Mpixel CMOS Image Sensor Using Column Single-Slope ADCs with Dual-Gain Amplifiers
Canon, Kawasaki, Japan

6.5 A 64×64-Pixel Digital Silicon Photomultiplier Direct ToF Sensor with 100MPhotons/s/pixel Background Rejection and Imaging/Altimeter Mode with 0.14% Precision up to 6km for Spacecraft Navigation and Landing
Fondazione Bruno Kessler, Trento, Italy

6.6 A 1280×720 Single-Photon-Detecting Image Sensor with 100dB Dynamic Range Using a Sensitivity-Boosting Technique
Panasonic, Nagaokakyo, Japan

6.7 A 1.2e- Temporal Noise 3D-Stacked CMOS Image Sensor with Comparator-Based Multiple-Sampling PGA
Toshiba, Kawasaki, Japan

6.8 A 1.5V 33Mpixel 3D-Stacked CMOS Image Sensor with Negative Substrate Bias
TSMC, Hsinchu, Taiwan


6.9 A 1.1µm 33Mpixel 240fps 3D-Stacked CMOS Image Sensor with 3-Stage Cyclic-Based Analog-to-Digital Converters
NHK Science & Technology Research Laboratories, Tokyo, Japan
Brookman Technology, Hamamatsu, Japan
TSMC, Hsinchu, Taiwan
Shizuoka University, Hamamatsu, Japan

F5 forum on Advanced IC Design for Ultra-Low-Noise Sensing has a couple of image sensor presentations:
NOISE: You Love It or You Hate It
Albert Theuwissen
Harvest Imaging, Belgium & Delft University of Technology, Delft,The Netherlands

Low-Noise Image Sensors
Shoji Kawahito
Shizuoka University, Hamamatsu, Japan

Noise in Single-Photon-Counting Image Sensors
Neale A.W. Dutton
STMicroelectronics, Edinburgh, United Kingdom

以前都是那些老字號的相機公司的論文
沒想到台積電會擠一篇進去
A 1.5V 33Mpixel 3D-Stacked CMOS Image Sensor with Negative Substrate Bias

推出的CIS
SONY開始視台積電為潛在敵人
TSMC在CIS這塊進步驚人
還沒上市SONY就開始擔心了
很多人都以為台積電只會代工

有些論文指出
有關於SONY的CIS

Apple iPhone 6/6s的8M 的CMOS Image Sensor (CIS)
製程是SONY 90nm製程 CIS
但 Image Signal Processor (ISP)
卻是台積電做的 40nm製程

台積電越來越強
Sony這塊可能會掉單...
玩相機的人都覺得Sony有黑科技
但實際上CIS的發展越來越有限
連SONY都自己覺得快有危機感
台積電在一些領域默默的在練功...

在很黑的環境中,還是可以清楚的顯相
在一般的攝影上可能力有未逮
但在監視器產業上
或許有應用

原因很簡單
全球半導體業者正積極尋找智慧型手機以外的潛力發展領域,全球半導體大廠紛看好汽車電子市場商機,台積電已將車用電子納入四大發展平台之一,尤其是ADAS。ADAS主要包括自適性車距控制巡航系統(ACC)、高感光夜視輔助系統(NVS)、停車輔助系統(PAS)、前方碰撞警示系統(FCWS)、盲點偵測系統(BSD)及車道偏移警示系統(LDWS),透過車用雷達、感測器等蒐集資訊,再藉電子控制單元將資訊分析處理並輸出訊號,讓車輛進行相對應的動作。目前ADAS大量採用車用攝影機影像系統,並結合包括LDWS採用的CMOS影像感測器、NVS搭載的紅外線裝置、ACC採用的雷達技術、PAS使用的超聲波技術等。

全球車用CMOS感測元件市場龍頭為日廠Sony,但三星電子(Samsung Electronics)已砸下80億美元收購美系廠商Harman International,全力布局車用CMOS感測元件,台積電在CIS上的練功,也不意外。









心的通透 並非沒有雜念 而是明白取捨
rogerkuo2001.tw wrote:
報載今年的ISSCC...(恕刪)


有幾個問題

1.請問panasonic CIS真的技術差sony很多嗎? 一般人的評價多是如此
用過 Panasonic無反, 光線昏暗高iso到3200都表現不錯,不輸它牌APSC相機
若做成為全片幅, 是否能跟sony一拼?

2.台積電CIS由新聞看來好像要走物聯網與車用, 你說台雞店CIS高iso能力超過一般攝影 ,應該不會是紅外線吧, 有否可能用在單眼相機? 有關各家單眼相機高iso大幅提升影像品質已經好多年沒重大突破了,若台積辦到,可突破相機CIS由SONY獨大, 不然sony先用最好的,慢慢再給它牌用!

3.先前看過新聞說一家美國公司的CIS高ISO表現很棒, 該公司老董或老總接受訪問稱現在的CIS高iso表現太差,矽基半導體是主因
表示其產品不是矽基半導體,
請問現在有哪些"非矽基半導體"技術可取代傳統CMOS 成為一般相機的image sensor? (底片除外)
elfwong wrote:(恕刪)


很抱歉雖然我懂一點半導體製程,但我的本業不是CIS,只是看到TSMC發展CIS而想與網友討論:

1.請問panasonic CIS真的技術差sony很多嗎? 一般人的評價多是如此
用過 Panasonic無反, 光線昏暗高iso到3200都表現不錯,不輸它牌APSC相機
若做成為全片幅, 是否能跟sony一拼?
->SONY在iso 3200以上應比Panasonic好吧,全幅來說,應是製程良率的問題

一片wafer做不了幾片的全幅CIS...


最右邊的就是全幅的CIS,一片wafer只能做43個,良率一定很低...

2.台積電CIS由新聞看來好像要走物聯網與車用, 你說台雞店CIS高iso能力超過一般攝影 ,應該不會是紅外線吧, 有否可能用在單眼相機? 有關各家單眼相機高iso大幅提升影像品質已經好多年沒重大突破了,若台積辦到,可突破相機CIS由SONY獨大, 不然sony先用最好的,慢慢再給它牌用!
->我只是說以圖6.8.4來看,iso應比人眼高,不過SONY的A7S早有此實力
TSMC只是prototype出來,調教功力一定輸SONY很多,不過TSMC應只專注在監視器等級上
全幅算高單價產品,這一塊TSMC一定輸SONY,所以打中低端應有可能

3.先前看過新聞說一家美國公司的CIS高ISO表現很棒, 該公司老董或老總接受訪問稱現在的CIS高iso表現太差,矽基半導體是主因
表示其產品不是矽基半導體,
請問現在有哪些"非矽基半導體"技術可取代傳統CMOS 成為一般相機的image sensor? (底片除外)...

->photodiode我只知silicon-based, image sensor這塊我不是很熟,所以才會想開個帖大家討論
如果是半導體製程,我就比較熟了~
如果純以元件來討論,我自己曾做出過photodiode, 就是一般的PN junction, 用一般的thermal diffusion做出來,光電流真 的不高,聽過電機系教授在說,Si based的在可見光波段~
如果是三五族的元件,bad gap比較低,但成本一定比Si基的貴~
三五族的photodiode我用過Red/IR module, IR這段應是三五族的才行~

至於製程的問題,我想除了良率外,感光後輸出光電流,這種是類比訊號,不像數位訊號有容錯機制,所以受到整個光度一樣的照射,整個array上所有的PD的輸出訊號要一致,這個就不容易,因為每道製程,如蝕刻或沉積製程,在wafer中心與外部,蝕刻深度與膜厚都會有差,這種是uniformity問題,CIS越大顆就越明顯,所以全幅的挑戰一定比1/2.3"這種小元件大非常多~
一片wafer只能做43個,初期良率一定很慘~
如果要克服,後端的訊號處理就有一定的功力,類比訊號就是麻煩,而且吃經驗...



心的通透 並非沒有雜念 而是明白取捨

badaseases wrote:
PANASONIC...(恕刪)


以高感度而言
現在單一個光子都偵測的到
只是量產又要畫面乾淨到攝影等級
應還是有點難度

我不是image sensor的專家,如有專家出來指正,非常感激~
心的通透 並非沒有雜念 而是明白取捨

jill1124 wrote:
製作感光元件到製作...(恕刪)


TSMC應不會想要去做鏡頭
只是想朝IoT等需要image sensor的應用去發展
賣賣CIS
反正也是CMOS的領域擴展~
心的通透 並非沒有雜念 而是明白取捨
rogerkuo2001.tw wrote:
以高感度而言
現在單一個光子都偵測的到
只是量產又要畫面乾淨到攝影等級
應還是有點難度
...(恕刪)


請問是否已用在電影攝影機上?

因為某些電影中的極暗夜景, 背景移動中,細節竟極為豐富很誇張
人物小肢體動作,竟看得到衣服的紋路
(如電影哈比人系列),
看起來根本就是低iso, (長曝辦不到)
但低iso根本
人一動就該糊掉
一般單眼相機根本拍不出來


另外無意間看到一個很酷的東西..

photomultiplier tube(光電倍增管)

查一下wiki:"它能使進入的微弱光信號增強至原本的10^8倍,使光信號能被測量。"

是否可用在一般照相機與攝影機改善高iso?

還有一個叫"雪崩光電二極體", 原理與光電倍增管類似,
是否可用在一般照相機與攝影機改善高iso?

不好意思外行人又來麻煩你

另外wiki的資料:

理論上,在倍增區中可採用任何半導體材料:
矽材料適用於對可見光和近紅外線的檢測,且具有較低的倍增噪聲(超額噪聲)。
鍺(Ge)材料可檢測波長不超過1.7µm的紅外線,但倍增噪聲較大。
InGaAs材料可檢測波長超過1.6µm的紅外線,且倍增噪聲低於鍺材料。它一般用作異構(heterostructure)二極體的倍增區。該材料適用於高速光纖通信,商用產品的速度已達到10Gbit/s或更高。
氮化鎵二極體可用於紫外線的檢測。

所以目前相機cmos應該還是矽基半導體, 希望未來有新的材料可取代, 大幅改善高iso
elfwong wrote:
請問是否已用在電影攝影機上?

因為某些電影中的極暗夜景, 背景移動中,細節竟極為豐富很誇張
人物小肢體動作,竟看得到衣服的紋路
(如電影哈比人系列),
看起來根本就是低iso, (長曝辦不到)
但低iso根本
人一動就該糊掉
一般單眼相機根本拍不出來...(恕刪)



我覺得您說的這部分,應該不是高ISO辦到的,
而是電影後置的調光技術辦到的,

不是把暗調亮歐,而是把亮調暗,

每秒24格的電影,攝影機快門應該會採用1/48,
所以夜間即使是大光圈鏡,沒有很亮的環境,也拍不出正確的曝光度,用低ISO更不太可能

很多電影場景拍攝時必須是明亮的,只是後制時調成暗夜的樣子,
我想您說的大概就類似是這樣吧

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