手机摄像头CIS（CMOS自从图像传感器突破1亿像素以来，似乎很难让市场产生强烈的反应。在过去的两年里，电子工程专辑为手机摄像头CIS，以及更多领域不同类型的图像/视觉传感器（如ToF、基于事件的视觉传感器)都在进行技术跟踪。
只有手机摄像头CIS高像素追逐战已经结束，尤其是现在一些高端Android拍照旗舰手机倾向于使用大像素和大尺寸的手机CIS，而不是刻意追求高像素。
现在是时候做一波总结了。就在上个月，主要针对手机CIS、近红外图像传感器和ToF传感器。基于此，我们可以简单梳理移动成像近两年来的情况CIS技术发展现状。这些技术趋势似乎仍然围绕着像素尺寸的缩小展开。
现在的发展方向是个延续。今年TechInsights这份报告也更像是一份现状总结报告，大部分被认为是旧闻的集合。然而，它汇集了大量TechInsights对于我们理解手机和移动成像的反向拆解报告的一些图形资料CIS技术仍然很有帮助。
值得一提的是，手机摄像头被使用的原因CIS单独拿出来是因为手机是CIS目前产品应用市场最大。主要用于手机移动CIS，占到整个CIS大约70%的市场。关于移动成像CIS建议阅读相关技术的基础知识，本文不再解释大部分技术术语和概念。
从众所周知的大方向来说，移动成像CIS流行的技术在于背照式（BSI，Back-Illuminated）与堆栈式（Stacked）结构。TechInsights数据显示，背照式 堆栈式CIS占到手机CIS近90%的总量。
从这张照片来看，近五年的背照 堆栈CIS产品比例一直比较高。其中3层堆叠(3-die）的CIS事实上，没有崛起的市场创新——不久前，我们写了一篇关于索尼堆栈的文章CIS对于未来技术发展的预期，技术越来越成熟后，三层堆叠可能会普及。但是前照式（FSI）CIS手机市场似乎消失了。
背照式 对于堆栈结构CIS就像素而言，最直观的好处之一是die上部感光区域的利用率显著提高。由于许多逻辑电路结构已经移动到像素的后部或下部，可用于感光的像素区域自然会变大。这是为了手机CIS走向高像素、小像素的大趋势，是必然选择。
上图为2013年以来的堆栈CIS活跃的产品CIS区域（可理解为用于感光的像素区域）和总的CISdie面积之比。大趋势自然越来越高，即用于感光CIS面积比例越来越高，这两年已经超过80%。
除了堆栈 背照在结构上已经被称为烂点，其他技术发展方向包括(1)单像素尺寸变小；(2)向CIS与ISP像素级互联演变(图像传感器的像素die与逻辑die(3)由于像素变小，PDAF(4)由于像素变小，CIS色彩滤镜阵列在像素上方（CFA）的变化。
我觉得这些技术方向其实很常见，或者市场和分析机构的关注点大致就在这里。
当年TechInsights第一做手机CIS许多技术爱好者对像素尺寸的小趋势感到震惊。CIS与数字电路的摩尔定律不同，它会受益于较小的像素结构；小像素确实不利于感光。
但事实是，手机这么多年了CIS(甚至包括微单/单反的全画幅CIS）无论是技术还是市场，像素都在变小。毕竟这几年自上而下的像素市场需求更高，所以像素当然要小。
如果像素的上表面变小，像素的陷阱容量就会变小，因此需要纵向ActiveSi厚度做大（ActiveSi厚度可理解为像素井的深度)。在上图中，蓝点代表不同大小的像素(目前已量产)CIS最小像素为0.7μm），ActiveSi厚度的变化。橙点是厚度与像素尺寸(厚度比)之比。
这张图的横轴主要代表像素尺寸的变化。但另一方面，基于近年来像素尺寸的逐渐缩小，横轴实际上可以在一定程度上代表时间的推移。
目前ActiveSi与像素尺寸相比，厚度最高CIS是三星GW如上图左图所示。6400万像素.7μm图像传感器的单像素尺寸。其activeSi厚度是4.1μm。上图右侧的对比是Omnivision的OV64B。这两颗CIS在当前的智能手机市场上也更具代表性。
有不久我们采访了一个题外话。PropheseeCEOLucaVerre的时候，特别问他为什么基于事件的视觉传感器（event-basedvisionsensor）像素尺寸比一般CIS像素尺寸这么大。他回答说，基于事件的传感器的像素复杂性在于levelcrossingsampling每个电路都需要一定数量的晶体管。
TechInsights这份报告的统计维度是Teff(每个像素的有效晶体管)不仅统计了不同应用的普通晶体管CIS，包括手机、相机、汽车、安全等；基于事件的传感器也的传感器ToF这些特殊的图像/视觉传感器。
不同应用的单像素晶体管数量仍有很大差异。i-ToF基于事件的传感器通常有更多的单像素有效晶体管。特别是基于事件的传感器，本例52T索尼和Prophesee传感器产品产品。这种传感器具有更高的像素复杂性，例如像素中timestamp、信号强度的Log采集等。
但正如我们之前所说，基于事件的视觉传感器也受益于背照和堆栈技术，使其像素更小。
CIS多层堆叠是一种趋势，我们已经提到过很多次了。更具体的趋势是，互联这似乎与许多数字芯片的先进包装路线相一致。die或者chip垂直堆叠需要互联。
更小间距的TSV/DBI(硅通孔/直接键合互联常规。在缩小互联间距的过程中，缩小到像素级的互联是一个发展方向。此前的分析文章还详细讨论了像素级互联对全球快门和高速输出的价值。
这张照片在2014-2021年之间，Cu-Cu混合bonding的DBI互联间距的变化。TechInsights提到已知用于行/列互联的最小值TSV/DBI间距是3.1μm。die外围的行/列互联仍然是当前的主流方案。
像素级互联仍然相当罕见。TechInsights在数据库中，只有三个使用像素级互联的商用图像传感器：iPadPro的ToF来自索尼的摄像头上方，来自索尼SPAD传感器（150x以及索尼SensSWIRIMX990/991VGA传感器，和OmnivisionOG01A1B(100万像素)。
其中OmnivisionOG01A1B的DBI互联间距最小，达到2.2μm(上图左)。
PDAF相位检测对焦似乎是图像传感器制造商宣传的焦点，可能需要很多时间。DxO该机构对移动设备的评价也非常重视手机摄像头的对焦性能。
随像素尺寸本身在变小，PDAF像素结构也在发生变化。要维持对焦像素高输出信号，这种变化是必然的。主流的PDAF方案包括masked PDAF、DP（Dual Photodiode）、OCL（On-Chip Lens）。前两者面向的主要是更低分辨率、更大像素尺寸的图像传感器。后者对小于1.0μm单像素尺寸的图像传感器很适用。（不过三星GM1、GD1，其实也在用masked PDAF方案，这俩都是0.8μm单像素的图像传感器）
上面这张图的横轴表示单像素尺寸，纵轴表示CIS的分辨率（像素数量）。OCL是这两年被提及比较多的一种方案，此前我们已经撰文探讨过，尤其是索尼现在在宣传的2x2 OCL。
OCL的特点就在于不需要牺牲CIS的感光性能，这对小至0.7μm像素尺寸的传感器很有价值。TechInsights表示，预计未来0.6μm单像素尺寸的CIS仍然会有这种PDAF方案。
2x2 OCL结构是每个micro-len覆盖4个像素，来达成两个方向的PDAF对焦。上图是来自TechInsights观察到不同传感器产品的OCL方案。其中图(a)是Omniverse的OV64B；图(b)是三星HM1、HM2、HM3的方案——把两个临近的2x1 OCL结合，来达成2x2效果。三星这几例方案的PDAF单元密度为32:1或36:1。
索尼的方案比较激进（图(c)），2x2 OCL是完全覆盖了整个CIS的，包括IMX689、IMX766、IMX789皆如此。这种完整覆盖传感器的相位对焦方案，理论上也能够达成在拍照时最高的对焦效率。
除此之外的DP PDAF方案，针对的主要还是更大的像素，毕竟DP需要把每个像素一分为二，做像素内的深槽隔离。索尼和三星现在主流、应用于旗舰手机的5000万像素CIS都在用PD对焦方案（IMX700、GN2）。
这里面比较有特色的，是三星GN2：即针对绿色像素，以深槽隔离DTI来斜着切分像素，适配更多场景的自动对焦。
CFA（Color Filter Array）这些年的发展，事实上也是由像素变小引发的。尤其像素小了以后，低光环境的感光能力下降，在CFA方面多有找补。所谓的color filter色彩滤镜，也就是每个像素前方负责过滤特定光谱的filter，让像素有了感知色彩的能力。
所以在传统拜耳滤镜阵列（包括RGGB、RYYB、RCCB等排列方式）之外，延伸出了更多的CFA排列方式。这也不是什么新鲜事了，毕竟索尼QuadBayer、三星Tetracell之类的概念前几年也在不停教育市场。
根据单像素尺寸变化，当前一些主流的CFA排列方式如上图所示。这其中的绿点代表的CFA排列，就是更多人所熟知的每4个像素为一组（四合一），来感知同一种色彩。这种像素分组的策略，就像是扩大了像素尺寸一样，也就提升了暗光环境下的感光能力。
三星在1亿像素传感器（HM1/HM2/HM3）采用的是3x3像素分组方案，即9个像素为一组（九合一），并将其命名为Nanocell。可见像素越小，对于像素分组数量的要求也随之提高。
实际上2019年，索尼针对IMX608的CFA排列，采用了4x4分组方案（即华为Mate30 Pro摄像头的那颗CIS，十六合一）。对应的其CFA单色滤镜的跨度达到了4.48μm，所以宣传中说十六合一的4.48μm大像素。
TechInsights认为，未来随着像素的进一步缩小，我们会看到更多3x3、4x4 CFA方案。
更多有关近红外感知、ToF传感器方面的资料，还是建议去看一看TechInsights的这份报告原文。本文主要谈的是摄影向的CIS，所以这部分内容就不去做总结了。
总的来说，这些技术主要围绕的核心，仍然是不断变小的像素尺寸，包括堆栈式、背照式，PDAF像素结构，以及CFA排列方式的变化。好像在抽象层面，也没什么太大惊喜。
虽说当代旗舰手机部分在用像素稍大一些的CIS（比如vivo X70 Pro、华为Mate40 Pro/P50系列；以及部分脱离主流之外的苹果），但未来还是会有主流旗舰更小像素的图像传感器问世，包括三星规划中0.64μm/0.56μm尺寸的CIS。