三星超高像素圖像傳感器ISOCELL HP3的開發(fā)歷程

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僅指甲大小的移動(dòng)設(shè)備內(nèi)嵌相機(jī)鏡頭自問世以來，已經(jīng)取得顯著進(jìn)步。繼2019和 2021年開創(chuàng)性推出1.08億像素和2億像素CMOS圖像傳感器 （CIS） 之后，三星電子最近發(fā)布的ISOCELL HP3圖像傳感器再次引發(fā)市場轟動(dòng)。這款2億像素的圖像傳感器，單位像素尺寸小至0.56微米 （?）。

三星憑借開發(fā)專利技術(shù)及存儲(chǔ)器半導(dǎo)體的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在圖像傳感器市場占有一席之地，賦能超高像素拍攝。隨著超高像素圖像傳感器ISOCELL HP3宣布量產(chǎn)，具備超小像素的2億像素圖像傳感器正式開啟商用化之路。

為進(jìn)一步了解三星這款超高像素圖像傳感器的開發(fā)歷程，三星新聞中心采訪了Myoungoh Ki和Sungsoo Choi。二人分別任職于系統(tǒng)LSI業(yè)務(wù)和半導(dǎo)體研發(fā)中心，在新型ISOCELL HP3的開發(fā)工作中發(fā)揮了重要作用。

更小卻更好，開創(chuàng)0.56微米像素商用化

圖像傳感器，是一種將通過相機(jī)鏡頭入射到器件上的光線，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的系統(tǒng)半導(dǎo)體器件。數(shù)碼相機(jī)、智能手機(jī)、筆記本電腦、汽車等各種配備攝像頭的電子產(chǎn)品，都內(nèi)置了圖像傳感器。三星最近發(fā)布的ISOCELL HP3圖像傳感器，具有2億個(gè)0.56

微米像素，采用1/1.4英寸光學(xué)尺寸，像素尺寸處于行業(yè)較高水平。1

從2019年開始，三星便每年度推出更小尺寸像素，保持行業(yè)地位。要讓設(shè)備尺寸變得更小巧，像素尺寸就要不斷縮小。

Ki解釋道：單位像素尺寸的縮小，可以使傳感器和模組的物理尺寸變得更小，進(jìn)而使整個(gè)鏡頭尺寸和寬度都得以減小。這樣，設(shè)計(jì)設(shè)備的多種阻礙，例如攝像頭外突問題，便能得到消除，同時(shí)可以減少設(shè)備的耗電量。

雖然縮小像素尺寸可以使設(shè)備變得更纖薄，但是如何在像素縮小的同時(shí)保持畫質(zhì)，才是問題的關(guān)鍵。ISOCELL HP3采用前沿技術(shù)，像素尺寸較前代ISOCELL HP1 型號(hào)減少12%，可將移動(dòng)設(shè)備中相機(jī)模組的面積減少高達(dá)20%。在減小像素尺寸的同時(shí)，這款傳感器更采用了可提高滿阱容量 （FWC） 和減少靈敏度損失的技術(shù)。此外，這款傳感器還新增了多項(xiàng)新功能，包括涵蓋所有像素的自動(dòng)對焦，支持高速視頻錄制，同時(shí)擁有更強(qiáng)的色彩表現(xiàn)力。

采用獨(dú)特技術(shù)，改進(jìn)光吸收能力并提高光電二極管容量

更小的像素尺寸固然符合更小巧、更纖薄設(shè)備的需要，但可能導(dǎo)致設(shè)備中的進(jìn)光量減少，或者引發(fā)相鄰像素之間的互相干擾。在這些復(fù)雜挑戰(zhàn)面前，三星仍成功以先進(jìn)的小尺寸像素開發(fā)出該新款傳感器。

Ki指出：這仰賴于三星的專利技術(shù)能力。三星的創(chuàng)新技術(shù)，可以讓即便很小的設(shè)備也具有很高的性能。

三星利用全深槽隔離 （DTI） 的專有技術(shù)，在像素之間建立起更薄、更深的物理隔墻，即便以0.56微米的小像素，也能確保優(yōu)異的性能。DTI技術(shù)是ISOCELL的成功關(guān)鍵，在像素之間建立絕緣組件以作為隔墻，防止發(fā)生光損失現(xiàn)象并改進(jìn)光學(xué)性能。開發(fā)人員Choi將這一技術(shù)比作一幢建筑中的薄隔墻。

Choi解釋道：用通俗的話說，這好比房間之間使用很薄的隔墻，同時(shí)又不影響隔音。

DTI的技術(shù)關(guān)鍵是以更薄、更深的硅壁，提高 ISO 并減少串?dāng)_2，因?yàn)橄袼刂g的隔離元件越大，光損失就越多。這一技術(shù)在0.56微米像素的應(yīng)用，不僅增加了光吸收量，同時(shí)又提高了光電二極管 （PD） 的容量。受光面減小，單個(gè)像素存儲(chǔ)和處理的光量卻更多，因此超小像素的應(yīng)用成為可能。

自動(dòng)對焦功能涵蓋全部2億像素，提高速度和準(zhǔn)確性

HP3運(yùn)用先進(jìn)的超級四相位檢測（QPD）技術(shù)，可將自動(dòng)對焦像素密度提高到 100%，從而支持全部 2 億像素聚焦。超級QPD自動(dòng)對焦技術(shù)用單個(gè)鏡頭覆蓋四個(gè)像素，實(shí)現(xiàn)更快速、更精準(zhǔn)的自動(dòng)對焦，從而能夠測量拍攝對象上下左右四方的所有相位差異。它不僅能在弱光條件下準(zhǔn)確自動(dòng)對焦，還能在放大之后繼續(xù)保持高清。

為解決弱光環(huán)境中畫質(zhì)較差的問題，三星運(yùn)用創(chuàng)新的像素技術(shù)確保照片質(zhì)量。

Choi介紹道：我們運(yùn)用三星Tetra2 pixel十六像素合一專利技術(shù)的升級版本，將四個(gè)或十六個(gè)相鄰的像素合并在一起，以在弱光條件下作為一個(gè)大像素使用。借助升級后的像素技術(shù)，產(chǎn)品可拍攝30幀/秒（fps）的8K高清影片或120幀/秒（fps）的4K高清影片，且視野范圍不受影響。此外，它還可以用于拍照相同的視野，錄制超高分辨率的8K視頻。

弱光環(huán)境拍照不易，強(qiáng)光條件拍照也不簡單。要攻克強(qiáng)光拍照的難題，則需要一種獨(dú)特的技術(shù)來調(diào)節(jié)照片的入光量，從而準(zhǔn)確拍攝圖片。

Ki指出：光線太亮或太暗的時(shí)候，都需要提高動(dòng)態(tài)范圍3，才能拍攝到接近肉眼所見的自然的照片。智能ISO Pro 技術(shù)會(huì)運(yùn)行兩次轉(zhuǎn)換增益，而單幀逐行高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）*功能可將具有不同曝光時(shí)長（短曝光、中曝光和長曝光）的三幀合為一幀，通過將這兩種技術(shù)結(jié)合，即使在不良光照條件下，也能用HDR照相技術(shù)拍出自然的照片，實(shí)現(xiàn)理想的拍攝效果。

協(xié)作，突破技術(shù)藩籬并實(shí)現(xiàn)快速開發(fā)的關(guān)鍵

開發(fā)人員在開發(fā)ISOCELL HP3期間面臨許多技術(shù)挑戰(zhàn)。

Choi說道：由于這是三星首款使用超級QPD自動(dòng)對焦技術(shù)的產(chǎn)品，因此在使用現(xiàn)有前側(cè)深槽隔離（FDTI）中沒有的新結(jié)構(gòu)時(shí)，我們進(jìn)行了大量試用，也出現(xiàn)了許多報(bào)錯(cuò)。在開發(fā)工作的各個(gè)階段，各種出乎預(yù)料的問題層出不窮。

開發(fā)過程困難重重，但僅距上代產(chǎn)品發(fā)布不到一年的時(shí)間，三星便成功發(fā)布了此次產(chǎn)品更新。兩位開發(fā)人員將此次迅速的產(chǎn)品開發(fā)和發(fā)布?xì)w功于各團(tuán)隊(duì)的密切協(xié)作。

Ki指出：每當(dāng)面臨技術(shù)問題，我們都是通過與不同業(yè)務(wù)分支、團(tuán)隊(duì)，乃至海外研發(fā)中心密切合作解決。我們通過在邏輯芯片、半導(dǎo)體研發(fā)中心的內(nèi)存芯片等一流產(chǎn)品上，應(yīng)用專業(yè)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)。這款新產(chǎn)品可能是迄今為止各部門協(xié)力實(shí)現(xiàn)的最大成果，其中包括半導(dǎo)體研發(fā)中心、像素開發(fā)團(tuán)隊(duì)和晶圓代工廠的員工；SSIR的研究人員；以及高級開發(fā)團(tuán)隊(duì)的所有小組，比如傳感器設(shè)計(jì)、像素、解決方案、產(chǎn)品技術(shù)、制造和算法等小組。

以先進(jìn)的技術(shù)實(shí)力，在圖像傳感器市場占有一席之地

隨著相機(jī)需求增長和相關(guān)產(chǎn)品日趨多樣化，（現(xiàn)有）圖像傳感器市場預(yù)計(jì)將會(huì)迅速成長，三星正不斷突破像素小型化背后的藩籬和局限，為下一代移動(dòng)圖像傳感器市場的相機(jī)引流。三星新聞中心問及兩位開發(fā)人員，在領(lǐng)導(dǎo)技術(shù)開發(fā)工作，開發(fā)ISOCELL HP3這一創(chuàng)新的2億0.56微米像素圖像傳感器時(shí)有何感受。

Choi答道：我們公司不斷在圖像傳感器市場的開創(chuàng)新趨勢，對此我無比驕傲，并且我堅(jiān)信我們會(huì)繼續(xù)保持在微像素技術(shù)的優(yōu)勢地位。

Ki分享了他對于行業(yè)未來的展望：圖像傳感器的應(yīng)用將會(huì)日益普及到各行各業(yè)，例如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) （AR）、虛擬現(xiàn)實(shí) （VR）、汽車工業(yè)以及智能手機(jī)行業(yè)。因此，我們將依托自身獨(dú)有的技術(shù)能力，順應(yīng)未來技術(shù)和市場的發(fā)展。

三星成功創(chuàng)造出可通過創(chuàng)新圖像傳感器技術(shù)，捕捉高清圖像的超小巧設(shè)備。三星將會(huì)繼續(xù)利用自身獨(dú)有的技術(shù)創(chuàng)新，包括為用戶帶來更優(yōu)、更高級體驗(yàn)的ISOCELL 圖像傳感器，繼續(xù)于圖像傳感器市場保持前沿地位?！　?/p>