索尼谈安防传感器芯片的设计

来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自索尼，谢谢。

随着用于监控空间的安全摄像机的图像传感器的重要性日益提高，它们所需的特性也变得越来越先进。我们要满足的要求包括即使在黑暗的地方也能识别目标的低照度性能，即使在入口等光源下也能实现人脸识别的高动态范围，以及能够准确记录移动目标图像的性能在不引起模糊或颜色变化的情况下，这是一项仅通过改进传统传感器就无法完成的任务。这就是索尼开发 STARVIS 2 的原因。

通过从头开始重新设计其图像传感器的结构，STARVIS 2成功地实现了其他任何产品都无法比拟的特性。其开发团队解释说，尽管在 COVID-19 危机期间开发条件极为不利，实现这些突出特性也是一项极其困难的项目，但索尼还是将开发全新技术和将其商业化为产品的两个过程同时进行。这个高要求项目的成功有两个关键：只有索尼半导体解决方案集团才有可能拥有的专业知识和团队合作。

下面是索尼团队对这个芯片设计的评价：

问：传统安全摄像头以前面临哪些问题？

Shimizu：传统的安全摄像机在低照度环境中存在图像质量问题。为了解决这些问题，需要在周围较暗、光源不足的情况下提高灵敏度，但提高灵敏度需要更大的像素尺寸。但是，如果增加像素尺寸，图像传感器本身就会变大，导致单价更高。而且镜头也会变大，所以相机单元本身的尺寸也必然会增大。较大的相机将被限制在可以安装的地方，因此我们需要开发一种具有高灵敏度的传感器，同时保持它的小尺寸。通过将图像传感器的前照式结构更改为新开发的背照式结构，我们能够开发出更高灵敏度的 STARVIS。

问：STARVIS的发展顺利吗？

Shimizu：当我们尝试使用采用传统封装的背照式 CMOS 图像传感器时，会出现反射和眩光鬼影的问题。

虽然背照式结构可以很容易地引入光线，但过多的光线进入会导致我们看到的问题。因此，经过反复试验，我们开发了一种新的器件结构，可以防止过多的光线进入图像传感器，并完成了防止反射和眩光鬼影发生的封装。

问：市场对全球首款配备用于安全摄像头的背照式 CMOS 图像传感器的产品有何反应？

Shimizu：?STARVIS 推出时，我们有前照式 CMOS 图像传感器和背照式 CMOS 图像传感器，具有相同的全高清分辨率和相同的像素数。这两种产品的比较可以在相同的条件下进行，因此我们与客户进行了业务讨论，同时让他们检查它们之间的实际差异。这两个图像传感器的性能存在相当大的差异，任何人都可以清楚地看到生成的视频本身的差异。我们的客户对“令人印象深刻！”等评论感到惊讶，我们收到了来自许多方面的积极评价。

问：STARVIS 2 开发的触发因素是什么？

Shimizu：这是由我们的客户要求触发的。尽管 STARVIS 实现了更高的低照度灵敏度和改进的图像质量性能，但也有单独的要求扩大其动态范围，以便即使在入口等外部明亮的情况下也能准确识别面部，并在光线下拍摄图像source 会导致面部变暗和阴影。STARVIS 2 的开发开始响应这些要求。

问：您是如何进行 STARVIS 2 的开发的？

Shirahama：为了在不牺牲STARVIS的低照度性能的情况下进一步扩大动态范围，我们认为可以应用我们公司正在开发的工艺技术和电路技术。因此，我们专注于建立这两种技术。

尽管它们的开发还在研究中，因此尚未在技术上确立，但我们的商业化时间表已经确定，因此我们必须同时进行技术确立和商业化。

集成在STARVIS 2中的

图像传感器

IMX678?
F=1.6, Exp=33.3ms,

Gain=48dB

集成在STARVIS中的

图像传感器

IMX334
F=1.6, 33.3ms,?

Gain=57dB

在不牺牲 STARVIS 的低照度性能的情况下实现了高动态范围

问：这意味着它的进展是一个不同于标准产品开发的不同寻常的案例，那么它进展顺利吗？

Shirahama：通常情况下，产品的技术成熟后才会进行商业化，但在这种情况下，由于两者同时进行，因此我们需要在极短的周期内进行开发和测试。我们别无选择，只能在一次解决每个问题的同时继续前进。由于这些条件，第一版设计充满了问题，并且在完全无法商业化的状态下完成。

然而，由于商业化时间表没有任何回旋余地，因此延迟并不是一件容易的事，因此如何在了解其问题的同时推进整个项目的问题非常重要。即使我们认为“已经没有用了”，我们也会在解决每个问题的同时密切关注时间表，并且一次领先一步。随着我们这样做，我们的“没用了”的想法逐渐变成了“也许它会起作用！”的感觉。尽管这个项目的团队是由第一次合作的成员组成的，但他们拥有解决问题的能力和灵活性，即使在严格的日程安排下也能熟练地推进项目。我开始认为“这可能是一个令人难以置信的团队”，与团队合作变得越来越愉快。

问：由于这个项目是在 COVID-19 危机期间开发的，您可能只有很少机会是面对面的工作的，所以您觉得工作有什么困难吗？

Shirahama：我认为不能见面是沟通的一个重要瓶颈。由于我在做项目时非常在意个人印象，所以我非常注意在团队成员无法看到彼此面孔的情况下谈论问题或问题时的沟通方式。我没有将问题或问题归咎于某人，而是谨慎地以一种专注于我们应该如何回应他们的方式说话。如果我批评某人并在成员中留下可怕的印象，我将无法收到我想听到的意见。

问：在 STARVIS 2 的开发过程中，您遇到了哪些困难？

Kawamura：作为我们的发展方针，我们在保持产品优势的同时不断改进产品。这一次，为了解决扩大动态范围的问题，需要增加光电二极管的饱和度。因此，我们没有将光电二极管连接到传统的硅表面，而是开发了一种在硅内垂直方向积累电荷的结构。

同时，我们还引入了用于高动态范围功能的新技术。

我们必须在商业化的时间表内继续开发这两个尚未建立的新结构，因此在极其紧张的开发期间是一个挑战。正如之前的Shirahama先生所说，最初的原型中存在电荷转移问题，而且问题多多，因此我们甚至无法对其进行充分评估。

wabuchi：这种垂直结构的光电二极管尚未应用于图像传感器，因此在量产方面是一项高风险的技术。尽管如此，我们仍然迫切需要一种突破性技术来实现更宽的动态范围，因此由于Atsugi TEC 的开发线上有一个原型部分，我们从那里开始尝试。在标记每个开发里程碑时，我们从验证其原则开始逐步进行。这次的商业化时间表是在假设技术开发的各个部分都能顺利进行的情况下制定的。由于我们从一开始就面临着一系列未按计划进行的问题，因此我们一直在走钢丝，以找出如何以某种方式维持开发进度。

您是如何克服和解决这些问题的？

Kawamura：我们只好一个一个地解决，因为我们不可能一次解决所有的问题。我们毫不掩饰地向Shirahama

同学和Iwabuchi同学解释和展示了这些情况，分享了我们的问题，并四处咨询了内部项目团队之外的任何有相关知识的人。

Iwabuchi：为了扩大动态范围，我们必须在增加饱和信号的同时抑制噪声。

这次采用的新垂直结构是一种可以增加饱和信号量的创新结构，但我们面临着极大的困难，即优化工艺条件，使这些增加的信号能够可靠地传输。
关于噪声抑制的其他问题，由于结构和工艺都是新的，我们完全意识到作为噪声原因的暗特性可能会变得更糟。

为了同时解决增加饱和容量和抑制噪声这两个问题，我们实施了审查像素布局和工艺条件等各种措施，最终成功开发了特性，以获得满足客户要求的图像质量。

问：您想出了什么样的解决方案来使 STARVIS 2 成为现实？

Shimizu：过去版本的STARVIS具有很强的低照度性能特点。我相信添加更宽动态范围特性的一个结果是——它可以在安装在入口等位置的安全摄像头中展示其性能。在入口处，来自太阳的光从入口门外照射进来，这是人们进入的方向，因此人们的脸对着那个光源。使用传统相机，这会导致人们的脸完全变暗，而外面则被吹成亮白色。STARVIS 2即使在这种亮度差异很大的条件下也具有高动态范围，因此它可以清晰地捕捉到人脸，还可以记录门附近明亮区域的图像而不会爆裂。

此外，在以往的高动态范围功能中，短曝光和长曝光拍摄的多张照片相互叠加，因此如果人物等目标在运动，他们的身体或脸部会模糊或出现不自然的色调.?

新设计的 STARVIS 2 增加了饱和能力，并使用了一种称为 ClearHDR 的功能，该功能可以同时记录图像，仅在增益或亮度敏感度方面存在差异，而不是时间差异，从而可以消除模糊和色彩色调。

这使得在入口等位置显着提高人脸识别率成为可能。

Kawamura：即使在夜间场景或隧道入口/出口等亮度变化较大的情况下也能准确记录图像，因此它也有望用作行车记录仪。增强的人脸和物体识别率可以促进与人工智能的连接，因此我们相信它可以比以往更轻松地应用于更多样化的情况。

Shimizu：如今几乎所有的安全摄像头都与人工智能相连。有许多不同的应用，例如将 AI 集成到相机本身中，或者将视频发送到云端供 AI 分析，但只有图像传感器才能真正捕获视频图像。无论人工智能有多少尝试分析视频，除非这些图像传感器记录准确的图像，否则它甚至都不会开始。因此，从开发的最初阶段，我们就非常意识到与 AI 的联系。我们也相信，随着与人工智能连接的发展，对安防摄像头图像传感器的需求将变得更大。

问：告诉我们 STARVIS 2 的未来潜力。

Shimizu：我们相信我们可以扩展已实现扩展动态范围的STARVIS 2的基本概念，以扩展其功能并将“Auto Exposure Free”功能作为未来目标。

目前，在黑暗的地方拍摄图像时会使用闪光灯或其他照明设备，但我们相信会有一段时间不需要闪光灯，甚至不需要调整快门时间。我们相信在最亮到最暗的条件下自动记录图像是可能的。

Kawamura：无人机甚至现在也被用于运送包裹，我相信有很多方法可以利用现代技术将物品运送到指定地点。通过结合我们刚刚开发的图像传感器以及AI和ToF图像传感器等设备，即使在晚上也可以安全地进行交付，我们相信将有可能确认交付给正确的人通过在指定位置识别人脸。除了有助于安全之外，它可以不分昼夜地在寻找事故受害者等救生情况下使用，因此我们也相信它的可能应用范围将会扩大。

Iwabuchi：在技术潜力方面，本项目开发了在硅中垂直累积饱和电荷的工艺，我们还开发了一种晶体管，可以更容易地将累积的电荷读出到硅胶表面。这将使像素设计的灵活性显着增长，因此实现创新的、前所未见的像素结构的潜力已经扩大。这个产品只是一个开始，所以我相信它将成为我们从这里开始进行革命性设备开发的触发器。

问：告诉我们您希望在未来面临的挑战。

Shimizu：我们在开发过程中经常向客户展示我们的原型，在这个项目中我们的客户对我们能够在当前条件下创建产品感到震惊。由于我们能够实现所要求的特性，因此我们也收到了非常积极的评价。我相信，有了这款产品，我们能够成功地实现极高水平的性能特征。

除了过去引进我们产品的美洲、欧洲、中国等地区外，我们希望在不久的将来将我们的销售渠道扩大到东南亚和非洲等地区，并将我们的图像传感器在真正的世界范围内使用。

Shirahama：通过世界首创的新技术的开发和商业化，我希望我们能够给全世界的人们带来满意。此外，我们从这个开发项目中获得的经验，我们尝试了各种任务并克服了许多挑战，这也是我们工程师真正快乐的源泉。尽管可能只是很小的一部分，但我们希望为创建一个自由奔放的公司做出贡献，在这个公司中容易尝试新事物，并为每个人提供挑战新挑战的动力。

Kawamura：在这个项目中，我们对新的像素结构进行了改变，但我相信这还只是一个开始。将光电二极管更改为垂直配置以增加饱和容量以获得更大的深度具有巨大的隐藏潜力。我相信提高图像识别率在安全领域将变得至关重要，因此我们打算进一步增强我们的像素特性，例如红外灵敏度和高动态范围，同时使像素小型化，使我们的图像传感器应用范围比以往任何时候都更广泛.

Iwabuchi：我认为索尼的优势在于它能够进行先进的图像传感器开发，这些图像传感器使用竞争对手无法复制的工艺，如 STARVIS 2。索尼有一种鼓励新的内部挑战的氛围，它的工程师在每个领域都充满了尝试新事物的动力。我希望我们能够充分利用这种环境的优势，继续开发具有索尼特色的革命性图像传感器，这是世界上同类产品中的第一个。

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