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來源：內容編譯自samsung。

移動圖像傳感器的演進最終與像素技術的進步息息相關。市場對更小、更薄的設備提供高質量圖像的需求日益嚴峻，“精細像素”技術已成為移動圖像傳感器行業的核心任務。

在這一趨勢下，三星系統 LSI 憑借其在小像素圖像傳感器領域的經驗，持續推進技術進步。近期發布的移動圖像傳感器 ISOCELL JNP 是業界首款應用納米棱鏡技術的傳感器，突破了像素物理極限。

讓我們來探索一下 Nanoprism（第一項將 Meta-Photonics 應用于圖像傳感器的技術）是如何誕生的，以及它是如何在 ISOCELL JNP 中實現的。

像素更小，光線更充足

圖像傳感器的靈敏度是實現清晰生動圖像的關鍵因素。像素技術不斷發展，力求捕捉盡可能多的光線。例如，從正面照明 (FSI) 發展到背面照明 (BSI)，以及深溝槽隔離 (DTI) 等各種技術。

特別是，為了在不增加智能手機相機模塊尺寸的情況下實現高分辨率圖像，技術已朝著像素越來越小的方向發展。然而，這逐漸降低了單位像素的靈敏度，并因像素間的串擾而導致圖像質量下降。結果，在低光環境下，圖像質量急劇下降的問題難以避免。

為了解決這個問題，三星引入了前深溝槽隔離 (FDTI) 結構，在像素之間創建物理屏障，并開發了ISOCELL 2.0，甚至隔離了像素頂部的彩色濾光片。此外，三星還考慮創新像素本身的光學結構，甚至可以利用現有結構無法接收的周邊光線。納米棱鏡正是基于這種考慮而誕生的。

納米棱鏡：折射光線以收集更多光線

納米棱鏡是一項新技術，于2017年首次提出，基于三星先進技術研究院（SAIT）多年積累的超光子學（Meta-Photonics）光源技術。與當時活躍于超光子學研究領域、旨在最小化光色散的超透鏡研究不同，納米棱鏡采用了最大化色散的反向思路來分離顏色。納米棱鏡是一種基于超表面的棱鏡結構，可以進行顏色分離。

那么，與現有的像素結構相比，它有什么變化呢？在現有的基于微透鏡的光學系統中，微透鏡和像素的彩色濾光片以1:1的比例匹配，因此像素只能接收與每個像素的彩色濾光片對應顏色的光。換句話說，存在一個物理限制，即只能接收與定義像素大小相同的光。

然而，納米棱鏡通過在微透鏡位置放置納米級結構，設置了優化的光路，從而可以將光線引導至每個顏色匹配的像素。簡而言之，每個像素接收的光量增加了，因為由于顏色不匹配而損失的光可以通過光的折射和散射發送到相鄰的像素。納米棱鏡使像素能夠接收比現有微透鏡結構更多的光，并且有可能改善由于像素較小而導致的靈敏度降低問題。

納米棱鏡在圖像傳感器中的應用

將Meta-Photonics技術應用于圖像傳感器的商業化是一項極具挑戰性的任務。確保客戶的可靠性和技術的完備性至關重要。為了使產品能夠正常運轉，不僅需要實現納米棱鏡的結構，還必須滿足數十項指標。

三星相關團隊緊密合作，重復設計-過程-測量循環，從初始設計階段就考慮和反映各種情況并建立可靠的驗證程序，盡最大努力確保性能。

從納米棱鏡（Nanoprism）的名稱就可以看出，從工藝開發到量產都異常艱難，因為必須在像素中實現精確復雜的納米（nm）結構。為了將這項新技術付諸實踐，引入了特殊的技術和方法，包括用于納米棱鏡實現的CMP（化學機械拋光）和低溫工藝，以及用于圖像傳感器生產的TDMS（熱解吸質譜法）。

ISOCELL JNP 實現更明亮、更清晰的圖像

配備納米棱鏡的 ISOCELL JNP 已于今年量產，并被應用于近期推出的智能手機中，進一步提升了用戶體驗。由于能夠無損接收更多光線，因此即使在光線條件不佳的情況下也能拍攝出明亮清晰的照片。事實上，與規格相同的上一代 ISOCELL JN5 相比，配備納米棱鏡的 ISOCELL JNP 的感光度提高了 25%。

當然，增加圖像傳感器的尺寸可以提升相機的整體性能，但在移動設備領域，由于“攝像頭凸起”等設計限制，無限增加圖像傳感器的尺寸是有限的。三星系統 LSI 嘗試利用納米棱鏡技術突破這一限制。即使在像素越來越小的情況下，這項技術也提高了每個像素的靈敏度和色彩還原，并應用于 ISOCELL JNP。

移動市場對高分辨率圖像的需求將持續增長。因此，像素小型化的趨勢將持續下去。即使像素變得更小，也需要開發像素技術來確保高靈敏度、量子效率和降噪。納米棱鏡技術就是其中一項提高靈敏度的技術，三星的目標是朝著超越現有物理限制的方向進一步創新。

在此次合作的基礎上，持續的跨職能、跨團隊努力旨在探索下一代圖像傳感器技術的新方向。

https://semiconductor.samsung.com/news-events/tech-blog/nanoprism-optical-innovation-in-the-era-of-pixel-miniaturization/

*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯系半導體行業觀察。

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