三星首发纳米棱镜！突破像素小型化桎梏，手机影像迎来光学革命

移动图像传感器的演进，始终与像素技术的进步紧密相连。市场对更小巧纤薄设备拍摄高质量图像的追求日益严苛，这使得“精细像素”技术成为移动图像传感器行业的核心课题。

在这一趋势下，三星系统LSI事业部（Samsung System LSI）凭借其在小型像素图像传感器领域的深厚积累，持续推动技术革新。7月6日宣布发布移动图像传感器ISOCELL JNP，成为业界首款应用纳米棱镜（Nanoprism）技术的产品，成功突破了像素物理尺寸的限制。

让我们一同探索，这项率先将“元光子学（Meta-Photonics）”应用于图像传感器的纳米棱镜技术是如何诞生，并最终在ISOCELL JNP中实现的。

像素越小，进光越难？

图像传感器的感光能力（Sensitivity），是实现清晰生动画面的关键。像素技术的发展历程，就是一部追求捕捉更多光线的历史：从前照式（FSI）到背照式（BSI）的跨越，再到深槽隔离（DTI）等众多技术的应用，皆是如此。

尤其是在智能手机摄像头模组尺寸受限的前提下，为了实现高分辨率，技术演进的方向不得不朝着像素小型化迈进。然而，这导致单位像素的感光能力逐渐下降，像素间的串扰（crosstalk）也引发了画质劣化。结果便是，在暗光环境下图像质量急剧下降的局限难以避免。

为了攻克这一难题，三星引入了在像素间建立物理屏障的前深槽隔离（FDTI）结构，并开发了ISOCELL 2.0技术，将像素顶部的滤色片也进行了隔离。更重要的是，三星思考着如何从根本上革新像素本身的光学结构，以利用现有结构无法有效接收的周边光线——纳米棱镜技术，正是源于这一构想。

纳米棱镜：折射光线，汇聚更多光

纳米棱镜是一项基于三星综合技术院（SAIT）多年积累的元光子学源技术，于2017年首次提出的创新技术。它与当时元光子学研究中主流的、旨在最小化光线色散的“超透镜（meta-lens）”研究思路不同，而是反其道而行之：通过最大化色散来实现颜色分离。纳米棱镜本质上是一个基于超表面的棱镜结构，能够精确执行分光任务。

那么，相比传统像素结构，它带来了哪些改变？在传统的微透镜（microlens）光学结构中，微透镜与像素的滤色片是一一对应的，因此每个像素只能接收与其滤色片颜色匹配的光线。这带来了一个物理限制：像素的受光量严格受限于其自身定义好的尺寸。

微透镜 vs. 纳米棱镜结构对比图

先进图像传感器技术，减少光损失，增加入射像素的光量

然而，纳米棱镜通过在微透镜的位置放置纳米级结构，设定了一条优化的光路，将光线引导至与其颜色匹配的像素中。 简而言之，每个像素接收到的光量增加了！因为那些原本因颜色不匹配而损失的光线，现在可以利用光的折射和色散特性，被“输送”到相邻的像素中。纳米棱镜让像素能接收到比传统微透镜结构更多的光线，从而有效改善了因像素变小而令人担忧的感光能力下降问题。

将纳米棱镜应用于图像传感器

将元光子学技术商业化应用于图像传感器，是一项极具挑战的任务。确保客户可靠性和技术完备性至关重要。要使其作为产品正常运行，不仅要实现纳米棱镜的结构，还必须满足数十项严苛的性能指标。

三星的相关团队紧密协作，反复进行“设计-工艺-测量”的循环迭代。从初始设计阶段就充分考虑并模拟各种场景，建立了可靠的验证流程，付出了巨大努力以确保性能达标。

正如其名“纳米棱镜（Nanoprism）”所示，在像素中实现精确而复杂的纳米（nm）级结构，从工艺开发到大规模量产都异常困难。为了将这项新技术变为现实，三星引入了多项特殊工艺和方法，包括用于实现纳米棱镜的化学机械抛光（CMP） 和低温工艺，以及用于图像传感器生产的热脱附质谱法（TDMS）等。

ISOCELL JNP：成就更明亮清晰的影像

搭载纳米棱镜技术的ISOCELL JNP已于今年投入量产，并应用于近期发布的智能手机中，为用户带来更出色的影像体验。得益于能够更高效、无损耗地接收光线，即使在极具挑战性的光照条件下（尤其是暗光环境），也能拍摄出明亮清晰的照片。实测表明，在相同规格下，搭载纳米棱镜的ISOCELL JNP相比前代产品ISOCELL JN5，感光能力（Sensitivity）提升了25%！

ISOCELL JN5 vs. JNP 对比图

诚然，增大图像传感器尺寸可以提升相机整体性能，但在移动设备领域，受“摄像头凸起”等设计限制，无限增大传感器尺寸是不现实的。三星系统LSI事业部正通过纳米棱镜技术，直面并突破这一物理限制。即使像素持续小型化，该技术也能提升单个像素的感光能力和色彩还原度，并成功应用于ISOCELL JNP。

ISOCELL JNP 开发团队合影

展望未来

移动市场对高分辨率成像的需求将持续存在。相应地，像素小型化的趋势不会停止。未来，即使像素变得更小，业界仍需开发能够确保高感光度、高量子效率和低噪声的像素技术。纳米棱镜正是提升感光能力的关键技术之一。三星的目标是，在这一方向上持续创新，不断突破现有的物理极限。

来源：Samsung