三星传感器新成果：纳米棱镜助力图像传感器革新

移动图像传感器的发展与像素技术的进步紧密相连。当下，市场对于更小、更薄的设备却能提供高质量图像的需求愈发迫切，“精细像素” 技术已然成为移动图像传感器行业的核心追求。

在这一发展趋势下，三星系统 LSI 凭借其在小像素图像传感器领域积累的丰富经验，不断推动技术向前发展。近期，三星发布的移动图像传感器 ISOCELL JNP 成为业界焦点，它是全球首款应用纳米棱镜技术的传感器，成功突破了像素的物理极限。接下来，我们将深入探究 Nanoprism（第一项将 Meta - Photonics 应用于图像传感器的技术）的诞生过程，以及它在 ISOCELL JNP 中的具体实现方式。

图像传感器的灵敏度是获取清晰生动图像的关键。随着像素技术的不断演进，人们一直在努力让传感器捕捉更多的光线。从正面照明（FSI）到背面照明（BSI），再到深沟槽隔离（DTI）等技术的出现，都是为了提高光线捕捉能力。特别是为了在不增加智能手机相机模块尺寸的前提下实现高分辨率图像，像素尺寸越来越小成为技术发展的方向。然而，这也带来了一系列问题，单位像素的灵敏度逐渐降低，像素间的串扰导致图像质量下降，在低光环境下图像质量急剧恶化的问题难以避免。

为了解决这些问题，三星采取了多种措施。一方面，引入前深沟槽隔离（FDTI）结构，在像素之间创建物理屏障，并开发了 ISOCELL 2.0，对像素顶部的彩色滤光片也进行了隔离。另一方面，三星创新性地考虑改变像素本身的光学结构，以利用现有结构无法接收的周边光线，纳米棱镜技术应运而生。

纳米棱镜技术于 2017 年首次被提出，它基于三星先进技术研究院（SAIT）多年积累的超光子学（Meta - Photonics）光源技术。与当时超光子学研究领域中旨在最小化光色散的超透镜研究不同，纳米棱镜采用了最大化色散的反向思路来分离颜色。它是一种基于超表面的棱镜结构，能够实现颜色分离。

与现有的基于微透镜的光学系统相比，纳米棱镜带来了显著的变化。在现有的光学系统中，微透镜和像素的彩色滤光片是 1:1 匹配的，这使得像素只能接收与彩色滤光片对应颜色的光，存在物理上的接收限制。而纳米棱镜通过在微透镜位置放置纳米级结构，优化了光路，能够将光线引导至每个颜色匹配的像素。这样一来，每个像素接收的光量增加了，原本因颜色不匹配而损失的光可以通过折射和散射被相邻像素接收，从而有效改善了因像素变小导致的灵敏度降低问题。

纳米棱镜技术从提出到应用于实际产品并非一帆风顺。将 Meta - Photonics 技术应用于图像传感器的商业化是一项极具挑战性的任务，要确保客户的可靠性和技术的完备性。为了让产品正常运转，不仅要实现纳米棱镜精确复杂的纳米（nm）结构，还需满足数十项指标。三星相关团队紧密协作，反复进行设计 - 过程 - 测量循环，从初始设计阶段就充分考虑各种情况，并建立了可靠的验证程序。为了将这项新技术付诸实践，还引入了特殊的技术和方法，如用于纳米棱镜实现的 CMP（化学机械抛光）和低温工艺，以及用于图像传感器生产的 TDMS（热解吸质谱法）。

配备纳米棱镜的 ISOCELL JNP 已于今年实现量产，并应用于近期推出的智能手机中，为用户带来了更好的拍照体验。由于能够无损接收更多光线，即使在光线不佳的环境下，也能拍摄出明亮清晰的照片。与规格相同的上一代 ISOCELL JN5 相比，ISOCELL JNP 的感光度提高了 25%。

在移动设备领域，虽然增加图像传感器的尺寸可以提升相机的整体性能，但受到 “摄像头凸起” 等设计限制，这种方式存在一定的局限性。三星系统 LSI 尝试利用纳米棱镜技术突破这一限制，即便像素越来越小，该技术也能提高每个像素的灵敏度和色彩还原度。

随着移动市场对高分辨率图像的需求持续增长，像素小型化的趋势将不可避免。即使像素变得更小，也需要不断开发像素技术来确保高灵敏度、量子效率和降噪效果。纳米棱镜技术就是提高灵敏度的有效手段之一，三星的目标是朝着超越现有物理限制的方向进一步创新。在此次合作的基础上，三星持续进行跨职能、跨团队的努力，旨在探索下一代图像传感器技术的新方向。