LOFIC技術，全稱：Lateral overflow integrated capacitor，是一種橫向溢出集成式電容技術。這項技術的誕生和發(fā)展與應用端對高動態(tài)范圍的需求有著密切的關聯(lián)。
眾所周知，動態(tài)范圍（以下簡稱：DR）是當下CMOS圖像傳感器（以下簡稱：CIS）的一項關鍵性能參數(shù)，尤其是在汽車應用方面。一般手機CIS的動態(tài)范圍在60dB左右，而汽車CIS對高動態(tài)的需求在120dB+、甚至140dB的更高標準。要達到140dB，就意味著要在汽車CIS內實現(xiàn)比手機應用高一萬倍的動態(tài)范圍。（具體公式如下）
隨著CIS技術的發(fā)展，要提高動態(tài)范圍有許多方式，如多次曝光或大小像素等。然而，這些方式多會帶來諸如運動偽影、色彩串擾和采集LED影像合成時產生閃爍等問題。因此，如何在單次曝光的方式下有效提升DR成為汽車應用CIS的關鍵技術。而LOFIC技術正是能夠解決這一痛點。
LOFIC技術，如何提升動態(tài)范圍？
CMOS的成像原理主要是通過把光線轉換成電荷，進而形成畫面，如果我們用一個“桶”來承載單個像素所轉換出來的電荷，那這個桶能容納電荷的多少就決定了這個像素成像的明暗細節(jié)程度。如果桶里是空的，那此時的畫面就是全黑的；反之如果桶里的電荷數(shù)量多到溢出了桶外，那這時的畫面就是一片白色，毫無細節(jié)。
一顆300萬像素分辨率的CIS，就有300萬個像素（以及對應的桶），而每個像素的明暗差距按順序排列組合之后，就成為了一張照片。因此明暗差距之間的變化程度越細微，細節(jié)也越清晰和豐富，這就是高動態(tài)成像。
如何將明暗變化程度更精細地呈現(xiàn)出來，就需要對承載電荷的“桶”進行擴容，通俗來講這就是LOFIC技術所使用的像素內電容器。在CFD的旁邊擴增一個LOFIC電容（即用于收集橫向溢出電荷的電容），當電荷數(shù)量超過像素CFD原本能承載的最大限度（即最大阱容），多余的電荷就會流到相鄰的“桶”里，而不是溢出來。之后通過讀取“桶”里的電荷再結合數(shù)字算法技術就能夠獲得比原先更高的動態(tài)范圍。
△圖片來自：3d tof的《HDR技術詳細解析》一文
不過，要掌握LOFIC技術卻并非易事。綜合來看，LOFIC技術對CIS設計企業(yè)在像素設計、模擬電路設計以及數(shù)字算法能力三大方面都有著極高的要求。
LOFIC技術，是CIS設計綜合能力的一種體現(xiàn)
像素結構更復雜
因為在原本的像素結構以外增設了電容，因此像素結構設計的復雜程度也會顯著地增加。例如因晶體管增加而帶來的串擾問題，尤其是FD浮空節(jié)點的增多大大增加對噪聲控制的難度。
△ 圖為LOFIC中的pixel架構圖
模擬電路設計難度的增加
為了實現(xiàn)更高的動態(tài)范圍，LOFIC中收集的溢出電荷會經過多次讀出。而多次讀出勢必帶來對模擬架構方案設計中控制時序的難度提高，并且多次讀出下如何有效的控制功耗的問題也是一大難點，這就對CIS設計企業(yè)的模擬電路設計能力提出了很高的要求。
數(shù)字算法融合的挑戰(zhàn)性加劇
成像過程中，在數(shù)據讀出后要通過數(shù)字算法及ISP將讀出的數(shù)據進行融合，以還原出像素原本“最真實”的亮度數(shù)據，與非LOFIC技術相比，多次讀出收集的多個數(shù)據要進行妥善的融合及運算，對CIS設計企業(yè)的數(shù)字算法能力同樣會帶來重大的挑戰(zhàn)。
綜上所述，要在CIS中實現(xiàn)LOFIC技術并不容易，何況作為智能車載視覺核心器件的CMOS圖像傳感器還需要滿足車規(guī)功能安全的要求。因此目前在國內僅有“極少數(shù)”企業(yè)能夠掌握這項技術。值得一提的是，元視芯MAT Series圖像傳感器正是采用了LOFIC+DCG HDR技術的面向汽車應用的CIS系列產品。（可參閱往期文章：讓汽車“洞察秋毫”，HDR已成車規(guī)級CIS必看硬指標!）這也標志著元視芯在像素設計、模擬電路以及數(shù)字算法上均擁有行業(yè)先進的技術能力。得益于LOFIC技術的加持，元視芯MAT Series 能夠實現(xiàn)高達120dB~140dB+的超高動態(tài)范圍，并具備LFM（LED閃爍抑制）功能，以滿足汽車ADAS應用的切實需求。
后續(xù)，元視芯還會將LOFIC技術布局應用于其高端智能手機應用產品的開發(fā)，通過持續(xù)的前沿技術創(chuàng)新為各類視覺應用的發(fā)展貢獻自己的力量！
