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三星之下 OV 傳感器實力解析——國産選手豪威之超簡史與展望

作者:真義科技

1,豪威曆史

三星之下 OV 傳感器實力解析——國産選手豪威之超簡史與展望

估計很多人都搞不清豪威這個公司到底什麼來頭,下面便簡單介紹一下,看看這家曾經輝煌過的 CIS 廠家是怎麼從全球一哥變成世界老三,并成為國産供應鍊一環的。

豪威的英文名為“OmniVision”,簡稱“OV”,1995年成立于美國矽谷。四位創始人皆為華人,其中洪筱英任 CEO(1955年畢業于中國交大,曾就職于摩托羅拉),陳大同任 COO(1977年畢業于中國清華)。

陳大同負責模拟電路設計,而這又是CMOS圖像傳感器 (CIS) 的核心,深感任務艱巨的他便跑去清華微電子所請了幾個學弟過來加入研發團隊,并在半年内做出了第一個樣品。

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那個年代的圖像傳感器主流技術還是日企主導的 CCD 技術,是以豪威選擇另辟蹊徑專攻 CMOS 技術;同時還選擇了輕資産路線,與台積電達成代工合作關系。

1997年,豪威開發成功了全球首顆單晶片彩色CIS——相較于CCD其于成本、體積和功耗上都有幾十倍甚至上百倍的改進!剛開始CIS被大量用于 PC 攝像頭上。2000年,豪威在美國納斯達克成功上市,公司發展駛入了快車道。

進入21世紀後,CIS 又逐漸成為了手機攝像頭的标配。是以,國際半導體大廠諸如意法半導體、美光、海力士、東芝,以及後來的索尼及三星都陸續加入到 CIS 市場的激烈戰局中。

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2007年,豪威對外展示了其背照式技術 CIS 樣品——這可是全球首創的設計!但是,已經轉戰 CIS 賽道的索尼這時候反應極快,竟然在2009年就實作了背照式技術産品的量産!

不過,靠着先發優勢,豪威在2009年還是成功打入了蘋果的供應鍊。正所謂盛極而衰,這既是豪威的曆史巅峰也是其衰落的開始,此後豪威很快就被于美光處分拆獨立的 Aptina 打敗,在2010年痛失全球一哥的寶座。

更慘的是,2011年蘋果開始引入索尼的手機CIS,2012年則直接在後攝傳感器端踢掉了豪威,2014年更進一步在前攝端也踢掉了豪威——索尼的手機 CIS 霸主地位正始于此年。

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2015年,豪威在納斯達克退市,随後便接受了以清芯華創、中信資本為首的中國财團之 19 億美元現金收購要約;2016年收購完成,美國豪威成為了北京豪威的子公司。

至此,一衆老邁的創始人和技術骨幹正式退休。此後,北京君正想要吞下這個“香饽饽”,但最終失敗。後面韋爾股份接力,卻被聞泰科技阻撓故也以失敗告終。不過收購資本都等着套現呢,于是陳大同在關鍵時刻回來上任臨時CEO。

由于韋爾股份董事長虞仁榮也是清華畢業的,于是在陳大同的撮合下,韋爾股份在2019年成功以 130 億元人民币收購了北京豪威85%的股權。豪威股權之浮沉,終于塵埃落定。

2,OV48C

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OV48C作為小米與豪威聯合定制的傳感器,最早出現于2020年釋出的小米 10 至尊紀念版上。其參數為 1/1.32 英寸、4800萬像素、1.2 微米,支援“4合1”輸出 2.4 微米的超大像素。

豪威官方宣稱,OV48C 是業内唯一一款有能力同時提供4800萬像素分辨率、1.2 微米像素尺寸、高速度、片上高動态範圍的旗艦級手機圖像處理器,其具有優異的信噪比和低光性能,可輸出高品質的 4K 視訊。

可以看出,其中唯獨落下對焦性能沒說。沒辦法,相較于同期索尼最牛的對焦技術,即 IMX700 的全像素八核對焦和 IMX689 的全像素全向對焦,OV48C 僅支援普通的掩蔽式相位對焦。

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抛開對焦性能不談,從官方宣傳中可以看出這次在 HDR 性能上OV48C優勢非常明顯,而這個優勢就與其首發的小米稱之為“雙原生 ISO Fusion”之技術有關了。

此外,其基于豪威的 PureCel Plus 晶片堆疊技術,通過引入埋藏式彩色濾光片陣列、深槽隔離等工藝,在提高視訊性能的同時還能提供高品質的靜态圖像采集。

視訊性能方面,其不僅支援 8K/24fps 和 4K/60fps 錄像,還支援1080P的 240fps 和720P的 360fps 慢動作視訊,視訊性能優秀的同時可玩性也很高。

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OV48C 的整體介紹完成,下面重點解析一下這個小米稱之為“雙原生 ISO Fusion”的技術到底是何方神聖。要說清楚這個,得先明白“雙原生ISO”是什麼技術。

CMOS 傳感器的工作原理是這樣的:首先光電二極管将收集到的光子轉化為電子,然後将這些電子導入電勢阱,于是電子數量的多寡便會以電壓的方式表現出來,最終由負責讀數的模數轉換器(ADC)完成最終的量化讀取。

由于傳感器的像素尺寸都很小,是以 ADC 并不容易被讀取,這時候就要經曆一個信号放大的過程——通過調整放大倍率還能實作 ISO 的高低切換,這裡就引出了兩種實作方式。

3,雙原生 ISO Fusion

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這兩種實作方式便是雙增益與雙原生,其中雙增益是在像素内重新設計了電路并加入了額外的電容(CAP),通過與這個額外電容的連接配接與斷開進而實作高低增益的切換。

在暗光環境中,CAP不會被連接配接,這樣就可以通過 FD 節點的小電容讀出一個高增益信号(小電容更容易被電子塞滿,即滿阱容量更小),這樣就能夠壓低傳感器自身的讀出噪聲,并保證擷取到足夠強的信号。

而在高光環境中,低增益模式就會打開,這時候就會連接配接CAP以吃進更多電子,是以信号鍊最前端的轉換增益(電子轉電壓)就會降低,有效壓制了散粒噪聲,且輸出圖像不會過曝。

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而雙原生則是在像素外重新設計了兩套不同的讀出電路,通過切換兩檔原生 ISO 對應的兩套互相獨立之放大回路,進而實作高低 ISO 模式的切換,這種方式的技術成本高很多。

其中高倍率放大回路對應暗光下的場景,低倍率放大回路則對應明亮環境下的場景,完美實作雙增益效果的同時,還能最大程度地提高上限,這便是雙原生 ISO 技術的優異之處。

而“雙原生 ISO Fusion”就是更先進的雙 ISO 融合技術,這就很牛了,其技術精髓就是“我全都要”——通過完整實時的高低增益同時輸出進而獲得動态範圍更廣的融合圖像。

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那麼具體怎麼合成呢?首先是亮的那張照片舍棄過曝高光處取暗部細節,再将暗的那張照片舍棄欠曝陰暗處取亮部細節,結合傳感器提供的具備片上合成功能之交錯式 HDR 方案進而實作融合。

可以說,這個技術就是專門為明暗差異很大之場景準備的,其真正利用硬體做到“高光不過曝,暗處有細節”——既壓低了噪聲又提升了動态範圍。此外,該技術還能有效去除運動僞影進而達到最佳的信噪比。

不得不說OV48C是真的牛,“國産 CIS 之光”可謂實至名歸。可惜由于成本過高而且産能不足(代工模式的弊端),其釋出至今僅小米10至尊紀念版一款機型搭載使用,着實是個不小的遺憾。

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尾聲:

近年來還有一款豪威傳感器非常出名,那就是被無數成本效益機型後置主攝所搭載的OV64B。除此之外,其還被很多旗艦用在潛望長焦鏡頭上,可見素質是過硬的。

其參數為 1/2 英寸、6400萬像素、0.7 微米,支援“4合1”技術。采用了和 OV48C 一樣的PureCel Plus晶片堆疊技術,并支援“2x2 OCL”相位對焦,此外還支援在1600萬像素視訊模式下的三重曝光交錯式HDR輸出高動态範圍視訊。

雖然在手機 CIS 領域不敵索尼和三星,但在2008年豪威就開始提供車載 CIS 了。特别是投入中資懷抱之後,豪威在車載 CIS 的規劃上面又傾注了更多的精力,往後成長可期。

三星之下 OV 傳感器實力解析——國産選手豪威之超簡史與展望

END

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