[访谈] 先进的小尺寸高清像素：三星电子 ISOCELL HP3 图像传感器的开发历程

▲ 三星半导体研发中心的 Sungsoo Choi（左），与负责开发 ISOCELL HP3 ，来自三星电子系统 LSI 业务高级传感器开发团队的 Myoungoh Ki。

仅指甲大小的移动设备内嵌相机镜头自问世以来，已经取得卓越进步。继 2019 和 2021 年开创性推出 1.08 亿像素和 2 亿像素 CMOS 图像传感器 (CIS) 之后，三星电子最近发布的 ISOCELL HP3 图像传感器，再次引发市场轰动。这款 2 亿像素的图像传感器，单位像素尺寸小至 0.56 微米 (㎛)。 三星凭借开发专利技术及存储器半导体的创新设计，于图像传感器市场保持领先，赋能超高像素靓丽照片的拍摄。而随着超高像素图像传感器 ISOCELL HP3宣布量产，具备超小像素的 2 亿像素图像传感器正式开启商用化之路。 为进一步了解三星这款领先超高像素图像传感器的开发历程，三星新闻中心采访了 Myoungoh Ki 和 Sungsoo Choi。二人分别任职于系统 LSI 业务和半导体研发中心，在新型 ISOCELL HP3 的开发工作中发挥了重要作用。 更小却更好，开创 0.56 微米像素商用化 图像传感器，是一种将通过相机镜头入射到器件上的光线转换为数字信号的系统半导体器件。数码相机、智能手机、笔记本电脑、汽车等各种配备摄像头的电子产品，都内置了图像传感器。三星最近发布的 ISOCELL HP3 图像传感器，具有 2 亿个 0.56 微米像素，采用 1/1.4 英寸光学尺寸，像素尺寸处行业领先。¹ 从 2019 年开始，三星便每年度推出更小尺寸像素，持续于行业保持先进地位。要让设备尺寸变得更小巧，离不开像素尺寸的不断缩小。 Ki 解释道：“单位像素尺寸的缩小，可以使传感器和模组的物理尺寸变得更小，进而使整个镜头尺寸和宽度都得以减小。这样，设计设备的多种阻碍例如摄像头外突问题，便能得到消除，并且可以减少设备的耗电量。”

虽然像素尺寸的缩小令设备变更纤薄成为可能，但是如何在像素缩小的同时保持画质，才是问题的关键。ISOCELL HP3 采用前沿技术，像素尺寸较前代 ISOCELL HP1 型号减少 12%，可将移动设备中相机模组的面积减少高达 20%。在减小像素尺寸的同时，这款传感器更采用了可提高满阱容量 (FWC) 和减少灵敏度损失的技术。此外，这款传感器还新增了多项新功能，包括涵盖所有像素的自动对焦，支持高速视频录制，同时拥有更强的色彩表现力。 采用独特技术，改进光吸收能力并提高光电二极管容量 更小的像素尺寸固然符合更小巧、更纤薄设备的需要，但可能导致设备中的进光量减少，或者引发相邻像素之间的互相干扰。在这些复杂挑战面前，三星仍成功以先进的小尺寸像素开发出该新款传感器。 Ki 指出：“这完全仰赖三星的专利技术能力。三星的创新技术，可以让即便很小的设备也具有很高的性能。” 三星利用全深槽隔离 (DTI) 的专有技术，在像素之间建立起更薄、更深的物理隔墙，即便以 0.56 微米的小像素，也能确保优异的性能。DTI 技术是 ISOCELL 的成功关键，在像素之间建立绝缘组件以作为隔墙，防止发生光损失现象并改进光学性能。开发人员 Choi 将这一技术比作一幢建筑中的薄隔墙。 Choi 解释道：“用通俗的话说，这好比房间之间使用很薄的隔墙，同时又不影响隔音。”

DTI 的技术关键是更薄、更深的硅壁，从而提高 ISO 并减少串扰²，因为像素之间的隔离元件越大，光损失就越多。这一技术在 0.56 微米像素的应用，不仅增加了光吸收量，同时又提高了光电二极管 (PD) 的容量。即便受光面减小，单个像素存储和处理的光量却更多，超小像素的应用因此成为可能。 自动对焦功能涵盖全部 2 亿像素，提高速度和准确性 HP3 运用先进的超级四相位检测 (QPD) 技术，可将自动对焦像素密度提高到 100%，从而支持全部 2 亿像素聚焦。超级 QPD 自动对焦技术用单个镜头覆盖四个像素，实现更快速、更精准的自动对焦，从而能够测量拍摄对象上下左右四方的所有相位差异。它不仅能在弱光条件下准确自动对焦，还能在放大之后继续保持高清。 为解决弱光环境中画质较差的问题，三星运用创新的像素技术确保照片质量。Choi 介绍道：“我们运用三星 Tetra²pixel十六像素合一 专利技术的升级版本，将四个或十六个相邻的像素合并在一起，以在弱光条件下作为一个大像素使用。借助升级后的像素技术，产品可拍摄 30 帧/秒 (fps) 的 8K 高清影片或 120帧/秒（fps）的 4K 高清影片，且视野范围不受裁剪。此外，它还可以用与拍照相同的视野，录制超高分辨率的 8K 视频。

弱光环境拍照不易，强光条件拍照也不简单。要攻克强光拍照的难题，则需要一种独特的技术来调节照片的入光量，从而准确拍摄图片。Ki 指出：“光线太亮或太暗的时候，都需要提高动态范围³，才能拍摄到接近肉眼所见的自然的照片。 智能ISO Pro 技术会运行两次转换增益，而单帧逐行高动态范围 (HDR)⁴功能可将具有不同曝光时长（短曝光、中曝光和长曝光）的三帧合为一帧，通过将这两种技术结合，即使在不良光照条件下也能用 HDR 照相技术拍出自然的照片，实现理想的拍摄效果。” 协作，突破技术藩篱并实现快速开发的关键 开发人员在开发 ISOCELL HP3 期间面临许多技术挑战。Choi 说道：“由于这是三星首款使用超级 QPD 自动对焦技术的产品，因此在使用现有前侧深槽隔离 (FDTI) 中没有的新结构时，我们进行了大量试用，也出现了许多报错。在开发工作的各个阶段，各种出乎预料的问题层出不穷。” 开发过程困难重重，但仅在上代产品发布不到一年的时间后，我们便成功发布了此次更新。两位开发人员将此次迅速的产品开发和发布归功于各团队的密切协作。

Ki 指出：“每当面临技术问题，我们都是通过与不同业务分支、团队，乃至海外研发中心密切合作解决。我们通过在逻辑芯片、半导体研发中心的内存芯片等一流产品上，应用专业知识，实现协同效应。这款新产品可能是迄今为止各部门协力实现的最大成果，其中包括半导体研发中心、像素开发团队和晶圆代工厂的员工；SSIR 的研究人员；以及高级开发团队的所有小组，比如传感器设计、像素、解决方案、产品技术、制造和算法等小组。” 以领先的技术实力，引领图像传感器市场 随着相机需求增长和相关产品日趋多样化，（现有）图像传感器市场预计将会迅速成长，三星正不断突破像素小型化背后的藩篱和局限，为下一代移动图像传感器市场的相机引领新流。三星新闻中心问及两位开发人员，在领导技术开发工作，开发 ISOCELL HP3 这一创新的 2 亿 0.56 微米像素图像传感器时有何感受。 Choi 答道：“我们公司不断在图像传感器市场的开创新趋势，对此我无比骄傲，并且我坚信我们会继续保持在微像素技术的领先。”Ki 分享了他对于行业未来的展望：“图像传感器的应用将会日益普及到各行各业，例如增强现实 (AR)、虚拟现实 (VR)、汽车工业以及智能手机行业。因此，我们将依托自身独有的技术能力，引领未来技术和市场的发展。”

三星成功创造出可通过创新图像传感器技术，捕捉高清图像的超小巧设备。三星将会继续利用自身独有的技术创新，包括为用户带来更优、更高级体验的 ISOCELL 图像传感器，继续于图像传感器市场保持前沿地位。

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_{¹ 相机镜头拍摄区域的直径。 ² 相邻像素光电二极管的光干扰现象。 ³ 数码图像中的明暗区域比率。 ⁴ 这一技术使明亮部分更明亮，幽暗部分更幽暗，从而将亮度范围提升到接近肉眼实景水平。 * 本文中的产品图片以及型号、数据、功能、性能、规格参数等仅供参考，三星有可能对上述内容进行改进，具体信息请参照产品实物、产品说明书或三星半导体官网（https://semiconductor.samsung.com/cn/ ）。除非经特殊说明，本网站中所涉及的数据均为三星内部测试结果，涉及的对比均为与三星产品相比较。}