詳解三星GN2?CIS芯片--雙像素自動(dòng)對(duì)焦

三星 GN2 圖像傳感器是一個(gè) 2 die的三明治結(jié)構(gòu)，由一個(gè) 8160×6144 像素的圖像傳感器芯片和一個(gè)裝有模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和圖像處理數(shù)字電路的芯片組成。像素die擁有 5000 萬(wàn)個(gè) 1.4 μm 像素，因此使用更大的光刻幾何形狀對(duì)die上的電路進(jìn)行成像。包含 ADC 和圖像處理電路的芯片使用 28 nm 光刻技術(shù)，這是目前芯片制造的經(jīng)濟(jì)最佳點(diǎn)。
GN2 傳感器具有許多突出的特性，包括：

• 50Mpixel 分辨率

  
  

• 使用對(duì)角切片相位檢測(cè)像素的高級(jí) DPAF（雙像素自動(dòng)對(duì)焦）

  
  

• 用于寬動(dòng)態(tài)范圍的智能 ISO Pro

  
  

• 交錯(cuò) HDR（高動(dòng)態(tài)范圍）

  
  

• 由于降低了 ADC 工作電壓，顯著降低了功耗

  
  

這些功能中的每一個(gè)都值得詳細(xì)說(shuō)明。
50Mpixel 分辨率

圖像傳感器分辨率始終與像素動(dòng)態(tài)范圍交戰(zhàn)。要獲得更高的分辨率，您需要更多的像素。在相同尺寸的芯片上放置更多像素，每個(gè)像素必須變小。但是較小像素的電荷阱容納的電子較少，這會(huì)導(dǎo)致陰影嘈雜。
對(duì)于更高像素分辨率和低圖像噪聲的競(jìng)爭(zhēng)設(shè)計(jì)目標(biāo)，三星的解決方案是將 GN2 傳感器上的 50 Mpixels 放在更大的硅片上。圖 1 說(shuō)明了三星手機(jī)圖像傳感器在 GN2 中達(dá)到頂峰的演變。

圖 1：三星 GN2 移動(dòng)圖像傳感器通過(guò)使用放大的傳感器芯片實(shí)現(xiàn)高分辨率和低噪聲。（圖片來(lái)源：三星）

如圖 1 所示，三星 GN2 圖像傳感器通過(guò)在更大的硅芯片上放置具有更大電荷阱的更大像素來(lái)實(shí)現(xiàn)高分辨率和低噪聲。之前的三星圖像傳感器采用 0.8 和 1.2 μm 像素，而 GN2 圖像傳感器采用 1.4 μm 像素。結(jié)果如圖 2 所示，由于可以存儲(chǔ)在像素電荷井中的最大電子數(shù)量增加了 33%，因此靈敏度大大提高，這帶來(lái)了更大的動(dòng)態(tài)范圍，圖像陰影中的可見(jiàn)噪聲更少。

圖 2：三星 GN2 圖像傳感器的 1.4 μm 像素比 0.8 μm 像素多存儲(chǔ) 33% 的電子，這帶來(lái)更大的動(dòng)態(tài)范圍和更低的圖像陰影噪聲。（圖片來(lái)源：三星）

高級(jí)DPAF

目前相機(jī)的頂級(jí)對(duì)焦算法是雙像素自動(dòng)對(duì)焦（DPAF），它使用分裂像素在一個(gè)成像像素上創(chuàng)建雙像。每個(gè)成像像素由兩個(gè)光電二極管組成，可用于成像和聚焦。圖 3 說(shuō)明了該技術(shù)的工作原理。

圖 3：雙像素自動(dòng)對(duì)焦 (DPAF) 在分割像素上投射左右圖像，并通過(guò)感測(cè)分割像素讀數(shù)上左右圖像的相位何時(shí)匹配來(lái)檢測(cè)圖像何時(shí)對(duì)焦。（圖片來(lái)源：三星）

DPAF 聚焦技術(shù)將左右圖像投射到像素的兩個(gè)光電二極管上，并通過(guò)在分割像素讀出期間檢測(cè)左右光電二極管的相位輸出何時(shí)匹配來(lái)檢測(cè)圖像何時(shí)對(duì)焦。在成像期間，左右光電二極管的輸出被組合以產(chǎn)生圖像。
DPAF 并不新鮮。例如，從 2013 年推出的 70D dSLR 開(kāi)始，佳能一直在其相機(jī)上使用 DPAF。但是，DPAF 可能有一個(gè)致命弱點(diǎn)：如果相位傳感像素中的兩個(gè)光電二極管通過(guò)垂直光學(xué)壁進(jìn)行光學(xué)隔離，則像素?zé)o法檢測(cè)水平線的相移，因?yàn)樗骄€在向右或向左移動(dòng)時(shí)看起來(lái)相同（具有相同的相位）。三星巧妙的解決方案是對(duì) GN2 傳感器的一些像素（綠色像素）進(jìn)行光學(xué)分割，而不是垂直對(duì)角線。需要明確的是，綠色光電二極管在電氣上垂直分離，光學(xué)上對(duì)角分離，如圖4所示。

圖 4：早期的雙像素相位檢測(cè)使用垂直深溝槽隔離 (DTI) 將光引導(dǎo)到左右相位檢測(cè)像素光電二極管。三星 GN2 傳感器采用對(duì)角線 DTI 結(jié)構(gòu)，允許綠色像素中的兩個(gè)光電二極管檢測(cè)并聚焦水平線和垂直線。（圖片來(lái)源：三星）
對(duì)角光隔離允許每個(gè)綠色光電二極管對(duì)水平線和垂直線的相位差做出響應(yīng)，從而為相機(jī)提供更好的 DPAF 功能。圖 5 說(shuō)明了垂直隔離和對(duì)角隔離相位檢測(cè)子像素之間的差異。在左邊的圖像中，垂直隔離的 DPAF 傳感器無(wú)法在任何區(qū)域?qū)梗驗(yàn)樵搮^(qū)域中只有水平線。在圖 5 右側(cè)的圖像中，傳感器可以聚焦在每個(gè)區(qū)域的所有水平線上。

圖 5：垂直隔離的相位檢測(cè)子像素不能聚焦在水平線上，因?yàn)橄蛴一蛳蜃笠苿?dòng)這些線不會(huì)移動(dòng)光電二極管中產(chǎn)生的信號(hào)的相位。對(duì)角隔離的相位檢測(cè)像素可以檢測(cè)水平線。（圖片來(lái)源：三星）
智能 ISO Pro

三星 GN2 傳感器中的每組四個(gè)像素都有一個(gè)單獨(dú)的雙增益控制開(kāi)關(guān)，用于調(diào)整像素組的 ISO 感光度。對(duì)于明亮的圖像，傳感器會(huì)降低像素的增益，以匹配從像素圖像信號(hào)到像素 ADC 的整個(gè)輸入范圍（低 ISO 模式）的全電壓范圍。對(duì)于弱光，傳感器會(huì)提高像素組的增益，以便 ADC 的完整輸入范圍僅覆蓋亮度范圍的低端（高 ISO 模式），如圖 6 所示。

圖 6：三星 GN2 圖像傳感器可以在光線昏暗的場(chǎng)景下在高 ISO 模式下運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)更低的噪點(diǎn)，并在光線明亮的場(chǎng)景下切換到低 ISO 模式。（圖片來(lái)源：三星）
交錯(cuò)的HDR

高動(dòng)態(tài)范圍 (HDR) 是一種相對(duì)較新的成像技術(shù)，它“似乎”擴(kuò)展了相機(jī)的動(dòng)態(tài)亮度范圍。這是一種壓縮技術(shù)，可合并以不同傳感器靈敏度拍攝的兩個(gè)或多個(gè)圖像，以適應(yīng)圖像的明亮部分和昏暗部分。它有助于突出高對(duì)比度場(chǎng)景陰影中的細(xì)節(jié)。由于 HDR 技術(shù)使用同一場(chǎng)景的多個(gè)圖像來(lái)實(shí)現(xiàn)效果，如果單獨(dú)的圖像沒(méi)有完美疊加，HDR 可能會(huì)導(dǎo)致場(chǎng)景模糊。圖像拉伸算法可以修復(fù)一些模糊，但減少模糊的最佳方法是減少多個(gè)圖像的捕獲之間的時(shí)間。
交錯(cuò) HDR 是一種通過(guò)在通常用于拍攝一張圖像的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行三種不同的曝光來(lái)減少模糊的方法。三星表示，這項(xiàng)技術(shù)利用滾動(dòng)快門(mén)，讓圖像傳感器進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間曝光，然后是中等曝光，然后是短曝光，分別用于昏暗、中等和明亮的成像，然后輸出這三幅圖像有一些重疊。使用滾動(dòng)快門(mén)，傳感器首先進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間曝光并開(kāi)始一次一行輸出曝光，一行中的所有像素電壓同時(shí)從像素行傳輸?shù)?ADC。
在長(zhǎng)曝光的所有行都完全輸出之前，傳感器進(jìn)行中等曝光并在長(zhǎng)曝光完全輸出之前開(kāi)始輸出。然后它對(duì)短曝光做同樣的事情。傳感器使用虛擬 MIPI 通道輸出具有一定重疊的三個(gè)曝光，GNR 傳感器的圖像處理芯片將圖像編織在一起以生成 HDR 圖像。如果這一切看起來(lái)令人困惑，也許圖 7 可以說(shuō)明事件的順序。

圖 7：為了減少交錯(cuò) HDR 模式下的模糊，三星 GN2 傳感器對(duì)昏暗區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間曝光，并開(kāi)始在一個(gè)虛擬 MIPI 通道 (VC0) 上輸出該圖像。在長(zhǎng)曝光圖像完全輸出之前，傳感器拍攝中等曝光圖像并開(kāi)始在第二個(gè) MIPI 虛擬通道 (VC1) 上輸出該圖像。然后對(duì)明亮區(qū)域進(jìn)行短時(shí)間曝光，并在第三個(gè) MIPI 虛擬通道 (VC2) 上輸出該圖像。（圖片來(lái)源：三星）
如圖 7 所示，傳感器可以同時(shí)在第四個(gè) MIPI 虛擬通道（VC3）上發(fā)送由 DPAF 功能生成的自動(dòng)對(duì)焦信息（圖中標(biāo)記為“AF”）。
顯著降低功耗

手機(jī)不斷地與電池定律作斗爭(zhēng)：電池能量容量的增長(zhǎng)速度不如硅驅(qū)動(dòng)能力快。因此，一直需要盡可能降低功耗。三星 GN2 圖像傳感器的設(shè)計(jì)者攻擊了一個(gè)明顯的功耗：用于將模擬像素電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字表示的高速 ADC。將 ADC 的電源電壓從 2.8 V 降至 2.2 V 可將 ADC 的功耗降低 20% 以上，從 311 mW 降至 244 mW。
然而，僅僅降低電源電壓就會(huì)將 ADC 的輸入范圍減小到無(wú)法接受來(lái)自傳感器的全范圍像素圖像電壓的程度。為了解決這個(gè)問(wèn)題，三星的工程師在像素圖像傳感器芯片上增加了一個(gè) -0.6 V 的襯底反向偏置，有效地改變了傳感器的輸出范圍，他們開(kāi)發(fā)了一種低閾值電壓晶體管設(shè)計(jì)，用于 28納米die。這兩項(xiàng)創(chuàng)新的結(jié)合降低了操作功率，同時(shí)保留了完整的傳感器曝光范圍。