首页 > 技术文章 > 多媒体 > 可拍照手机趋势探析:图像传感与处理是否集成?

可拍照手机趋势探析:图像传感与处理是否集成?

52RD.com 2006年11月22日 Don Scansen            评论:16条 查看 我来说两句
  

众所周知,手机的体积起来越小,价格也越来越低。当你针对消费者需求,要为手机增添更多功能时,如为静止图像和视频提供高分辨率的成像功能,你就会面临一个相当有意思的研究案例,也就是作为一种经典工程学科的折衷处理问题。

为了更好地进行选择,首先就要看一下可拍照机手机及其相关应用所需的基本功能,其中包括了图像质量、去马赛克(demosaicing)算法(把Bayer色彩滤光片的信号流转换为真实的图像)、噪声补偿、自动白平衡(auto white balance)、自动曝光、文件较小以及低功耗。

以集成追随超薄手机潮流

通过采用JPEG压缩,可以降低文件大小,并满足存储器要求。这种算法出现在某些图像传感器IC上,但更多的是通过被称为图像信号处理器(ISP)的辅助芯片(Companion Chip)来处理。而在CMOS图像传感器(CIS)面世之前,所有的图像处理都是在专用处理IC上完成的。

虽然JPEG压缩至今仍适用于电荷耦合器件(CCD)和CIS,但情况已开始发生变化。固态成像(solid-state imaging)技术已进入系统级芯片(SoC)和系统级封装(SiP)的争战中。不变的是以最少的条件创建质量较好的图像。

对于希望将数字处理整合到图像传感器上的开发人员而言,关注的核心问题是拍照模块的总体占位面积。在将数字处理集成在传感器裸片方面,安华高(Avago)是引领厂商之一。事实上,安华高是唯一一家在CIS器件集成片内JPEG编码和自动聚焦控制功能的供应商。自然而然地,该公司也提倡在拍照模块中使用单块系统级芯片(SoC)。安华高的行销经理Feisal Mosleh曾表示:“拍照模块在手机中的安装方式影响了手机厚度,而厚度目前是一项主要卖点。目前手机中还没有可供堆栈封装的厚度。”


图1: 安华高的CMOS图像传感器集成了片内JPEG编码和自动聚焦控制功能

的确,超薄手机是一项重要营销亮点,而原始设备制造商(OEM)对封装、元件和模块的要求严格限制了供应商的物理设计。尽管现在有人认为元件厚度问题严重,且没有什么空间余留,但必须认识到,我们所讨论的厚度问题正是单裸片的真正优势所在,这一点十分重要。虽然存在关于裸片粘接、垫片(spacer)和线邦定等额外开销,图像信号处理器(ISP)的裸片厚度仍可以达0.2mm及以下。这是否占模块高度的很大比例,取决于各个模块供应商。对于标准移动成像架构(SMIA)标准来说,最大高度为7.6mm。某些已发布的超薄手机在消费领域中引入了模块高度限制特性,如三星的“信用卡手机”SGH-P300,厚度只有9mm。摩托罗拉的蛤壳式手机Razr V3i厚度为14mm,三星的t509和Xcute S50厚度分别为9.8mm和9mm。

拍照模块的成本考虑

手机的拍照模块售价一般在9美元左右。Semiconductor Insights公司关于诺基亚6111手机的拆卸和材料清单(BOM)分析报告估计,其中采用的意法半导体(ST)100万像素拍照模块VS6650的成本为7.75美元。有意思的是,这一应用产品使用的是单独的ISP IC——STV0976N手机图像处理器,并没有整合到拍照模块中。STV0976N实际上安装在手机主板的下侧,这样做可以使模块很薄,但占用了36mm2的额外面积。ISP的成本使得手机BOM增加了1.45美元。ST的ISP采用了大小为8.8mm2的图像处理硅芯片。

包括本文论及的片内(on-chip)集成与封装内(in-package)集成的对比在内,业界有关硅片处理成本问题的讨论屡见不鲜,但终将盖棺定论。要透彻了解这一关键参数,重要的是使用最好的分析工具。目前最好的IC成本模型工具是IC Knowledge公司的产品。它的2006 IC Knowledge模型建立了从头到尾的全面的制造流程,有助于进行精确的成本估算。

象Zoran Coach 8这种芯片,利用非常基础的大批量CMOS工艺流程,可使制造成本极低。假设委托一家台湾地区的晶圆厂采用180纳米、5层铝工艺制造,尺寸为5.9mm×5.2mm的每片IC的成本为84美分,相当于每平方毫米成本0.028美元。


图2: Zoran的数码相机图像信号处理器集成了抖动稳定和MPEG-4压缩等功能

此外,美光科技利用其CIS技术,充分发挥该公司的大批量DRAM制造工艺的优势,凭其图像处理技术在短期内已成为CMOS成像技术领域的主要玩家。美光拥有两个版本的28微米的像素生成技术。其中,MT9D011是带有原始Bayer输出的单纯传感器版本,而MT9D111则在其基础上增加了ISP功能。在采用美光的150纳米工艺制造时,数字处理部分使传感器IC的面积增加了24.6mm2。利用IC Knowledge模型分析可知,相应的额外成本为1.03美元,比Zoran ISP高出将近20美分。

像素尺寸、数量与图像质量问题

对于图像传感器生产商而言,另一个有关大小的问题,是芯片能够支持的像素数量。首先,手机拍照模块的发展趋势是沿百万像素提升。但在尺寸和成本方面所受的限制,阻碍了裸片尺寸随像素数量的不断提高而增大,解决方案就只有减小像素。目前这一代图像传感器的像素尺寸可达2.2微米。而当像素缩小到2.2微米及更小时,越来越多的额外处理问题就会接踵而来。

由于像素尺寸是唯一的变量,像素越小,对低亮度条件越不敏感,干扰也就越大。结果造成即便是设计与制造俱佳的图像传感器,也会生成质量低劣的图像,除非图像处理能够补偿。现在不少手机都具有300万到500万像素的图像传感器,三星甚至已推出1,000万像素的可拍照手机。

传统的数码相机(DSC)设计也许可为手机市场提供一些借鉴。例如,Zoran最新的Coach 8 ISP是适用于DSC应用的最高端器件。Zoran的器件专门设计用于成本较低、占位面积有限的DSC。它们所具有的功能,比如MPEG-4压缩、用于输出到高清监视器的HDMI接口、LCD驱动器、32位MIPS CPU和数字视频图像稳定器等,都远远超越了当今的手机功能。DSC基本上只涉及到图像处理,故可以有把握地说,图像性能没有被损及。所以,DSC应用因采用单独的传感器和ISP而牺牲了性能这一说法值得怀疑。

CMOS以独到技术力拼CCD图像质量

CMOS图像传感器一直都与CCD图像传感器在分辨率与图像质量方面力拼。实际上,CMOS产品拥有一些明显优势。这种成像器(imager)可在现有CMOS生产线上以低成本进行快速生产,它们能集成大量的图像处理、压缩及其它逻辑电路,有助于设计尺寸更小的产品。

虽然早期的CMOS图像传感器非常便宜,但他们生成的图像却不能与CCD相提并论。不过,随着CMOS技术的进步,它开始在越来越多的应用中取代CCD。虽然这些技术进步并没有出现在很多种类的CMOS器件中。

当CMOS图像传感器刚开始挑战CCD时,像素尺寸一般都相当大。然而,技术永远是不断向前发展的,为了缩小尺寸,图像传感器处理技术面临的压力越来越大。

为了实现像素尺寸的不断缩小,目前的CMOS图像传感器处理技术正变得越来越有独到之处。其方法之一便是创建微透镜(Micro Lens),把更多的光聚焦在更小的光电二极管上。在前端制造工艺,供应商还可以创建更敏感的、固有噪声更低的光电二极管。

MOSFET的沟道表面干扰很大,把光转换为电荷的选择很少。因此,大多数现代图像传感器供应商都把掺杂剂注入到硅片表面上。这种“钉扎层(pinning layer)”把光吸收区域更深地推进到硅片内部,远离受干扰的表面。这种“钉扎光电二极管(pinned photodiode)”工作非常理想,但增加了额外的处理成本。

未来趋势将是背离集成?

回到生产工艺上,美光科技的2.8微米像素工艺的建模成本为0.042美元,而带有嵌入式闪存的类似逻辑工艺则可能只有0.023美元左右。成本的差异突显了这一事实,即随着CMOS成像工艺变得越来越专用化,它的成本也愈发高昂。在某些情况下,它的硅工艺成本可能是基本工艺的两倍。

问题在于,你为什么要为在昂贵工艺线上制造的额外功能买单呢?生产批量将决定成本,因此,你真的需要透镜、滤波器及其它成像器处理模块等所有这些额外的硅片吗?这么做的理由之一是可以把拍照模块的占位面积减至最小。不过,还有其它一些趋势需要考虑。

基带产品和应用处理器领域的大玩家都期待在它们的芯片上增加ISP功能。高通和TI都在创建复杂的手机SoC解决方案方面拥有丰富的经验。考虑把ISP增添到基带处理器上的这一概念的提出并没有很长时间。TI OMAP 3(430)集成了片上ISP,并为希望使用较简单便宜的拍照模块的手机设计人员提供了JPEG和其它选择。如果不计芯片面积的话,把ISP集成到这些复杂器件(采用10层金属、65纳米工艺制造)上而增加的成本几乎可以忽略不计。

为什么要集成呢?一个一直没有被考虑到的因素是功耗问题。完全集成传感器和ISP的方案肯定会降低功耗。不过,若拍照功能造成的功耗问题没有引起广泛注意的话,手机生产商可能有大量的余地去选择一个更廉价的解决方案。

预计未来的发展趋势是背离集成。随着传感器分辨率的提高,越来越多的传感器将只整合输出数字信号所必需的电路。制造商要么会将处理和压缩硬件放在ISP上,要么会在下一代应用处理器中使用内置式功能。

(52RD.com)
读取...
相关报道
评 论
16楼 52RD网友 61.28.*.* 发表于 2006-12-14 10:16 回复
有沒有辦法把A--P--P--L--E的測試計划中的主要項目說一說.
15楼 52RD网友 61.235.*.* 发表于 2006-12-14 10:15 回复
我下了。
14楼 52RD网友 61.28.*.* 发表于 2006-12-14 10:14 回复
現在SIP資料有需要DQE制作嗎?
還有簽樣動作是否也由DQE完成? 我記得你那里的DQE是不需要干這些活的吧. 應該主要是定標准和進行各項驗証測試吧.
13楼 52RD网友 61.235.*.* 发表于 2006-12-14 10:14 回复
http://www.machinerysafety.cn/Reliability_single5.asp
你上去看看,有一些好東西可以參考
12楼 52RD网友 61.235.*.* 发表于 2006-12-14 10:13 回复
沒有了,如果還有什麼不楚的call me
11楼 52RD网友 61.235.*.* 发表于 2006-12-14 10:11 回复
還有就產品的特性進行應力測試,如溫度,濕度的測試等。
10楼 52RD网友 61.235.*.* 发表于 2006-12-14 10:10 回复
還有一些啦
9楼 52RD网友 61.235.*.* 发表于 2006-12-14 10:09 回复
在產品的研發階段進行產品的加速測試(也就增加應力*),使缺陷迅速顯現,降低研發成本。
8楼 52RD网友 61.28.*.* 发表于 2006-12-14 10:08 回复
鳥人, 應該有很多是嗎?
7楼 52RD网友 61.28.*.* 发表于 2006-12-14 10:08 回复
大概有多少?
6楼 52RD网友 61.235.*.* 发表于 2006-12-14 10:07 回复
對產品的相關性能(含機械性能,電氣性能)進行可靠度驗證。
對產品的壽命進行測量。
5楼 52RD网友 61.235.*.* 发表于 2006-12-14 10:05 回复
就測試中的不良進行分析,並給出測試報告,並反饋到相關部門,建立issue蹤蹤list,直到所有的問題解決。
4楼 52RD网友 61.235.*.* 发表于 2006-12-14 10:02 回复
關於可靠性管理/指標要求有產品壽命、MTBF報告、可靠性框圖、失效樹分析(FTA)、可靠性測試計畫和測試報告等
3楼 52RD网友 61.235.*.* 发表于 2006-12-14 10:02 回复
根據客戶的要求對產品在設計段的品質進行驗證,
制定可靠度測試計劃
2楼 52RD网友 61.235.*.* 发表于 2006-12-14 10:01 回复
0平均寿命(平均无故障工作时间)的观测值 observed mean life(observed mean time between failures) 
    a.对于不可修复的产品,当所有试验样品都观察到寿命终了的实际值时,是指它们的算术中均值;当不是所有试验样品都观测到寿命终了的截尾试验时是指受试样品的累积试验时间与失效数之比。 
    b.对可修复的产品,是指一个或多个产品在它的使用寿命期内的某个观察期间累积工作时间与故障次数之比。
1楼 52RD网友 61.28.*.* 发表于 2006-12-14 10:01 回复
dadognasdgoaegjaerg
共有评论16篇 查看所有评论
文章导航 Navigation
精彩评论 Commentmore...
赞助商链接 Support
特别推荐 Recommend