詳解三星GN2 CIS芯片--雙像素自動對焦

三星 GN2 圖像傳感器是一個 2 die的三明治結(jié)構(gòu)，由一個 8160×6144 像素的圖像傳感器芯片和一個裝有模數(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 萬個 1.4 μm 像素，因此使用更大的光刻幾何形狀對die上的電路進行成像。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)濟最佳點。
GN2 傳感器具有許多突出的特性，包括：

• 50Mpixel 分辨率

  
  

• 使用對角切片相位檢測像素的高級 DPAF（雙像素自動對焦）

  
  

• 用于寬動態(tài)范圍的智能 ISO Pro

  
  

• 交錯 HDR（高動態(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都值得詳細說明。
50Mpixel 分辨率

圖像傳感器分辨率始終與像素動態(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，這會導致陰影嘈雜。
對于更高像素分辨率和低圖像噪聲的競爭設(shè)計目標，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 說明了三星手機圖像傳感器在 GN2 中達到頂峰的演變。

圖 1：三星 GN2 移動圖像傳感器通過使用放大的傳感器芯片實現(xiàn)高分辨率和低噪聲。（圖片來源：三星）

如圖 1 所示，三星 GN2 圖像傳感器通過在更大的硅芯片上放置具有更大電荷阱的更大像素來實現(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，這帶來了更大的動態(tài)范圍，圖像陰影中的可見噪聲更少。

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 33% 的電子，這帶來更大的動態(tài)范圍和更低的圖像陰影噪聲。（圖片來源：三星）

高級DPAF

目前相機的頂級對焦算法是雙像素自動對焦（DPAF），它使用分裂像素在一個成像像素上創(chuàng)建雙像。每個成像像素由兩個光電二極管組成，可用于成像和聚焦。圖 3 說明了該技術(shù)的工作原理。

圖 3：雙像素自動對焦 (DPAF) 在分割像素上投射左右圖像，并通過感測分割像素讀數(shù)上左右圖像的相位何時匹配來檢測圖像何時對焦。（圖片來源：三星）

DPAF 聚焦技術(shù)將左右圖像投射到像素的兩個光電二極管上，并通過在分割像素讀出期間檢測左右光電二極管的相位輸出何時匹配來檢測圖像何時對焦。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 開始，佳能一直在其相機上使用 DPAF。但是，DPAF 可能有一個致命弱點：如果相位傳感像素中的兩個光電二極管通過垂直光學壁進行光學隔離，則像素無法檢測水平線的相移，因為水平線在向右或向左移動時看起來相同（具有相同的相位）。三星巧妙的解決方案是對 GN2 傳感器的一些像素（綠色像素）進行光學分割，而不是垂直對角線。需要明確的是，綠色光電二極管在電氣上垂直分離，光學上對角分離，如圖4所示。

圖 4：早期的雙像素相位檢測使用垂直深溝槽隔離 (DTI) 將光引導到左右相位檢測像素光電二極管。三星 GN2 傳感器采用對角線 DTI 結(jié)構(gòu)，允許綠色像素中的兩個光電二極管檢測并聚焦水平線和垂直線。（圖片來源：三星）
對角光隔離允許每個綠色光電二極管對水平線和垂直線的相位差做出響應(yīng)，從而為相機提供更好的 DPAF 功能。圖 5 說明了垂直隔離和對角隔離相位檢測子像素之間的差異。在左邊的圖像中，垂直隔離的 DPAF 傳感器無法在任何區(qū)域?qū)?，因為該區(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區(qū)域的所有水平線上。

圖 5：垂直隔離的相位檢測子像素不能聚焦在水平線上，因為向右或向左移動這些線不會移動光電二極管中產(chǎn)生的信號的相位。對角隔離的相位檢測像素可以檢測水平線。（圖片來源：三星）
智能 ISO Pro

三星 GN2 傳感器中的每組四個像素都有一個單獨的雙增益控制開關(guān)，用于調(diào)整像素組的 ISO 感光度。對于明亮的圖像，傳感器會降低像素的增益，以匹配從像素圖像信號到像素 ADC 的整個輸入范圍（低 ISO 模式）的全電壓范圍。對于弱光，傳感器會提高像素組的增益，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景下在高 ISO 模式下運行，以實現(xiàn)更低的噪點，并在光線明亮的場景下切換到低 ISO 模式。（圖片來源：三星）
交錯的HDR

高動態(tài)范圍 (HDR) 是一種相對較新的成像技術(shù)，它“似乎”擴展了相機的動態(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或多個圖像，以適應(yīng)圖像的明亮部分和昏暗部分。它有助于突出高對比度場景陰影中的細節(jié)。由于 HDR 技術(shù)使用同一場景的多個圖像來實現(xiàn)效果，如果單獨的圖像沒有完美疊加，HDR 可能會導致場景模糊。圖像拉伸算法可以修復一些模糊，但減少模糊的最佳方法是減少多個圖像的捕獲之間的時間。
交錯 HDR 是一種通過在通常用于拍攝一張圖像的時間內(nèi)進行三種不同的曝光來減少模糊的方法。三星表示，這項技術(shù)利用滾動快門，讓圖像傳感器進行長時間曝光，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。使用滾動快門，傳感器首先進行長時間曝光并開始一次一行輸出曝光，一行中的所有像素電壓同時從像素行傳輸?shù)?ADC。
在長曝光的所有行都完全輸出之前，傳感器進行中等曝光并在長曝光完全輸出之前開始輸出。然后它對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。如果這一切看起來令人困惑，也許圖 7 可以說明事件的順序。

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

手機不斷地與電池定律作斗爭：電池能量容量的增長速度不如硅驅(qū)動能力快。因此，一直需要盡可能降低功耗。三星 GN2 圖像傳感器的設(shè)計者攻擊了一個明顯的功耗：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將 ADC 的輸入范圍減小到無法接受來自傳感器的全范圍像素圖像電壓的程度。為了解決這個問題，三星的工程師在像素圖像傳感器芯片上增加了一個 -0.6 V 的襯底反向偏置，有效地改變了傳感器的輸出范圍，他們開發(fā)了一種低閾值電壓晶體管設(shè)計，用于 28納米die。這兩項創(chuàng)新的結(jié)合降低了操作功率，同時保留了完整的傳感器曝光范圍。

來源：內(nèi)容由半導體行業(yè)觀察（ID：icbank）編譯自「eejournal」，謝謝。