纳米棱镜：像素微型化时代的光学创新

移动图像传感器的发展最终与像素技术的发展密切相关。市场对高质量图像的需求，以及设备越来越小、越来越薄，这使得“精细像素”技术成为移动图像传感器行业的核心理论。

在这个趋势中，三星系统LSI不断推进其技术，利用其在小像素图像传感器领域的经验。最近发布的移动图像传感器ISOCELL JNP，是全球首款应用 纳米棱镜 （Nanoprism）的产品，突破了像素物理极限。

让我们来探索一下，纳米棱镜作为首项将超光学（Meta-Photonics）应用于图像传感器的技术，是如何诞生的，以及它如何应用于ISOCELL JNP。

更小的像素，更多的光

图像传感器的灵敏度是实现清晰和生动图像的关键因素。像素技术随着时间的推移而不断演进，以尽可能多地捕捉光。例如，从正面照明（FSI, Front Side Illumination）到背面照明（BSI, Back Side Illumination）的开发，以及深沟槽隔离（DTI, Deep Trench Isolation）等各种技术。

特别是，技术已经朝着使像素越来越小的方向发展，以实现高分辨率图像而不增加智能手机相机模块的大小。然而，这逐渐降低了单位像素的灵敏度，并由于像素之间的串扰而导致图像质量下降。因此，在低光环境下，图像质量急剧下降的局限性很难避免。

为了解决这个问题，三星引入了前置深沟槽隔离（FDTI, Front Deep Trench Isolation）结构，在像素之间创建物理屏障，还开发了ISOCELL 2.0，隔离了像素上方的彩色滤镜。此外，三星考虑了一种方法，即创新像素本身的光学结构，可以利用以前结构中无法接受的周边光。纳米棱镜就是从这个考虑中诞生的。

更多关于三星像素技术的细节，请参见以下链接。

像素技术
 

纳米棱镜：折射光线以收集更多光线

纳米棱镜是基于超光学源技术的新技术，该技术由三星先进研究院（SAIT）多年积累。 与当时超光学研究中活跃的元镜头研究不同，它使用相反的想法，即最大化色散来分离颜色。纳米棱镜是一种基于元表面的棱镜结构，可以执行颜色分离。

那么，与现有的像素结构相比，有什么变化？在现有的微透镜光学系统中，微透镜和像素的彩色滤镜是一一对应的，因此每个像素只能接受与其彩色滤镜对应的颜色的光。换句话说，存在一个物理限制，即光只能在定义的像素大小范围内接收。

然而，纳米棱镜在微透镜位置放置纳米级结构，设置了优化的光路，使光线可以被引导到每个颜色匹配的像素。简单来说，由于可以通过光线的折射和色散将因颜色不匹配而丢失的光线发送到相邻像素，因此每个像素接收到的光线量增加了。纳米棱镜允许像素比现有的微透镜结构接收更多的光线，并且可以改善由于像素变小而导致的灵敏度降低。

将纳米棱镜应用于图像传感器

将超光学技术商业化应用于图像传感器是一项具有挑战性的任务。确保客户可靠性和技术完整性至关重要。为了能够正常运行，不仅需要实现纳米棱镜的结构，还需要满足数十个指标。

三星的相关团队密切合作，反复进行设计-工艺-测量循环，通过考虑和反映各种场景，从初始设计阶段建立可靠的验证程序，竭尽全力确保性能。

从其名称可以推断出，纳米棱镜尤其难以从工艺开发到量产，因为必须在像素中实现精确和复杂的纳米（nm）结构。为了实现这项新技术，引入了特殊技术和方法，包括化学机械抛光（CMP, Chemical Mechanical Polishing）和低温工艺，以实现纳米棱镜，以及用于图像传感器生产的热解吸质谱（TDMS, Thermal Desorption Mass Spectrometry）。

ISOCELL JNP实现更明亮、更清晰的图像

采用纳米棱镜的ISOCELL JNP今年已经实现量产，并已应用于最近的智能手机中，为用户提供了更出色的体验。由于可以无损接收更多的光线，因此可以在特别具有挑战性的光线条件下拍摄明亮清晰的照片。事实上，采用纳米棱镜的ISOCELL JNP与具有相同规格的前一代ISOCELL JN5相比，灵敏度提高了25%。

当然，增加图像传感器的尺寸可以提高相机的整体性能，但移动设备中，由于“摄像头凸起”等设计限制，图像传感器的尺寸无法无限增加。三星系统LSI通过纳米棱镜直接突破了这一限制。即使在像素越来越小的情况下，这项技术也提高了每个像素的灵敏度和色彩再现性，并应用于ISOCELL JNP。

更多关于产品的详细信息，请参见以下链接。

ISOCELL JNP产品页面
 

在移动市场中，对高分辨率图像的需求将持续增加。因此，像素微型化的趋势将也将持续下去，而即使像素变得更小，也需要开发像素技术以确保高灵敏度、量子效率和降噪性能。Nanoprism是这些技术中用于提高灵敏度的技术之一，三星致力于朝着超越现有物理限制的方向持续创新发展。

基于这次合作，我们将持续进行跨职能、跨团队的努力，以探索下一代图像传感器技术的新方向。

* 所示图像仅用于说明目的，可能与实际产品不完全一致。 图像经过数字编辑、修改或增强处理。

* 所有产品规格基于内部测试结果，并可能因用户系统配置而有所不同。 实际性能可能因使用条件与环境而异。