【專訪】全球尺寸最小的HD畫素:三星研發ISOCELL HP3 感光元件的幕後故事

on 25.07.2022
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▲ Sungsoo Choi(圖左)來自半導體研發中心、Myoungoh Ki任職於三星系統半導體(System LSI)事業部旗下的先進感應器研發團隊,負責開發ISOCELL HP3。

 

行動裝置的相機鏡頭僅有指甲般大小,自問世以來卻不斷有突破性進展。三星電子領先業界,於2019年及2021年分別首度發表108MP及200MP畫素的CMOS感光元件(CIS),近期再以新款ISOCELL HP3感光元件驚艷市場,其搭載2億個0.56微米(μm)畫素,是業界首見單位面積最小的畫素。

 

三星是感光元件科技的趨勢領導者,其創新的半導體設計,可拍攝出超高畫素絕美影像。而在超高畫素感光元件ISOCELL HP3宣布量產後,三星也成功將具有極小畫素面積的200MP行動感光元件商業化。

 

為深入了解三星如何領先業界,研發此款單位畫素尺寸最小的感光元件,三星新聞中心訪問兩位在全新ISOCELL HP3開發過程中擔任主導角色的人物,分別是來自三星系統半導體事業部的Myoungoh Ki與半導體研發中心的Sungsoo Choi。

 
 

體積更小、畫質更好:領先業界實現0.56μm畫素商業化

感光元件是一種系統半導體,能將進入裝置的光線透過相機鏡頭轉換成數位訊號。從數位相機、智慧型手機到筆電與汽車,只要配備相機的電子產品都會使用感光元件。三星近期發表的ISOCELL HP3是一款搭載2億個0.56μm畫素的感光元件,實現目前市場上單位畫素尺寸最小的1/1.4英吋光學格式(註一)

 

自2019年起,三星每年都成功縮減畫素尺寸,持續位居業界最小畫素尺寸的領導地位。有了面積更小的畫素,就能讓裝置體積更纖薄輕巧。

 

「透過更小的單位畫素尺寸,得以縮減感光元件與相機模組的體積,進一步縮小鏡頭的大小與寬度。」Ki解釋道。「如此一來就能去除干擾裝置設計的元素,像是凸出的鏡頭,同時減少耗電量。」

 

畫素越小能讓裝置更纖薄,但同時維持出色畫質才是關鍵。在先進科技的導入下,ISOCELL HP3單位畫素尺寸較前一代ISOCELL HP1縮減12%,成功讓行動裝置中的相機模組表面積縮減20%。雖然單位畫素尺寸較小,但新款感光元件所採用的研發技術,可發揮最高電荷滿載量(FWC)並大幅減少感光度的耗損;此外,感光元件也結合全新功能,包括所有畫素皆能自動對焦、實現影片高速運作、並提升色彩表現力。

 
 

發揮專有技術實力,提升進光量與光電二極體容量

較小畫素尺寸對打造更輕巧的裝置而言雖是理想條件,但卻可能產生進光量降低或相鄰畫素間干擾。即使面臨這些挑戰,三星仍成功開發業界最精細畫素,打造出前所未有的新款感光元件。

 

Ki表示:「這要歸功於三星的獨家技術實力。三星的創新科技得以讓體積更小的裝置也能擁有超高效能。」

 

三星運用專有技術-Full Depth深溝隔離(deep trench isolation, DTI),成功在畫素間建立更薄且更深入的物理性絕緣體,即使面積僅0.56μm依舊保證高效能。DTI是ISOCELL的重要技術,其在畫素之間形成隔離屏障,避免光線損耗並提升光學效能。研發人員Choi用建築物結構來比喻此項技術:就像在不同房間之間築起一道薄牆。

 

「用通俗的說法,就像是在相鄰的房間之間蓋一道很薄的牆壁,但不會影響到隔音效果。」Choi向我們說明。

 

 

DTI技術的關鍵在於建立更薄且更深的矽隔離層,藉以提升ISO並降低色彩串擾(註二),因為畫素間的隔離屏障越大就會造成越多光線流失。而通過此項技術應用至0.56μm畫素,三星得以有效提升進光量,並最大化發揮光電二極體(PD)的能效;當每個畫素都能儲存更多進光量、並以更小的接收面積來處理光線時,便能成就極精密的像素尺寸。

 
 

2億畫素自動對焦功能提升速度與精確度

HP3首度配備Super QPD(Quad Phase Detection)自動對焦科技,將自動對焦畫素密度提升至100%,讓2億個畫素均能自動對焦。Super QPD以單一透鏡覆蓋4個畫素,針對拍攝物體的上、下、左、右各面向檢測相位差,開創更快速、更精確的自動對焦功能。除了在昏暗環境可精確自動對焦外,將畫面拉近時亦能維持高清晰度。

 
為解決低光源環境下畫質不佳的問題,三星利用創新畫素科技來保障高畫質影像輸出。Choi說明:「我們運用三星獨家Tetra2pixel科技升級版,將相鄰的4或16個畫素合併,在低光源環境下化身成更大的畫素來運作。」效能更進階的畫素科技,能以每秒30幀(fps)的速度拍攝8K影片、120fps的速度拍攝4K影片,讓視野損失減至最低。此外,還能運用和拍照時相同的視野拍攝超高解析度的8K影片。

 

 

與弱光環境相似,陽光太強烈時也會提升拍照難度。為因應此問題,需要獨特技術來調整照片中的光度,才能拍出出色成品。Ki說道:「當光線太多或太少時,如果想拍出近似於肉眼所見的自然成像,能否提升動態範圍(註三)就相當重要。我們運用具備雙轉換增益的Smart-ISO Pro科技,搭配交錯式高動態範圍成像(HDR)(註四)功能,能夠將不同曝光度的三種影格(短曝光、中曝光與長曝光)變成同一畫面-即使在光線不理想的環境下仍能讓HDR攝影呈現絕佳的自然影像。」

 
 

合作:克服技術限制並迅速研發成功的關鍵

在ISOCELL HP3開發過程中,研發人員面臨許多技術面挑戰。Choi表示:「這是首度採用Super QPD科技的產品,在現存的FDTI(Front Deep Trench Isolation)技術中並沒有相關設定,因此導入新架構的過程中需不斷地嘗試與修正;而在各個研發階段中,我們也陸續遭遇未曾預期的問題。」

 

儘管研發過程難度極高,新款感光元件仍在前一代發表後的一年內順利誕生。兩位研發人員將產品迅速開發並發布的成果,歸功於不同團隊間的緊密合作。

 

 

「只要遇到技術問題,我們就會號召不同部門、各個團隊、甚至是海外研發中心的同事,合力做出因應。」Ki敘述著合作過程。「大家為了找出解決方案而同心協力,各自提供對高階產品的專業知識與技術,例如半導體研發中心的記憶體晶片、邏輯晶片等。這款新產品也許是目前為止在不同部門間最大規模的合作成果,參與的同事包括半導體研發中心、畫素研發團隊、晶圓代工廠、SSIR的研究人員、以及所有先進研發團隊的小組,包括感應器設計、畫素、解決方案、產品科技、製造與演算法等不同領域。」

 
 

傲視群雄的技術實力:領航感光元件市場

影像感光元件市場預期將隨著相機需求上升、相關產品多樣化發展而快速成長。三星在新世代行動感光元件市場持續引領相機科技趨勢,不斷克服畫素微型化的限制。三星新聞中心也詢問兩位研發人員,對於帶領ISOCELL HP3的技術開發、實現業界首度運用0.56μm畫素的200MP感光元件有何心得。

 

Choi回應道:「能夠引領感光元件市場趨勢,我感到相當自豪,也有信心我們將持續擔任超精細畫素科技發展的舵手。」Ki則分享對未來的遠大抱負:「除了智慧型手機外,感光元件的應用已廣泛出現在各個產業,包括擴增實境(AR)、虛擬實境(VR)以及車用市場。我們將繼續發揮獨有的技術實力,引領未來科技與市場發展。」

 

 
三星憑藉創新感光元件科技,成功開發出能以高清晰度拍攝影像的超小型裝置。三星將持續透過如ISOCELL感光元件等獨特創新技術,引領市場趨勢,為用戶提供最優質且最先進的使用體驗。

 
 

註一:相機鏡頭成像圈直徑。
註二:光線對於相鄰畫素間的光電二極體進行干擾的現象。
註三:數位影像中最亮與最暗區域的對比率。
註四:讓影像中的亮部更亮、暗部更暗,藉以擴大亮度範圍的技術,呈現近似於人眼所見的成像。

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