智能手机摄像头上的相位对焦是什么?

2020-07-01来源: EEWORLD关键字:手机摄像头  相位对焦  PDAF

翻译自——techinsights

 

今天普及一下什么叫做PDAF(相位对焦)?

 

当摄像机在自动对焦的时候总是有一个困惑,知道图像是不清楚的,但是lens应该向前还是向后移动呢?总是要前后移动lens一下才知道,普通的反差法对焦就是这么做的,爬山嘛。PDAF的出现就是为了解决这个lens移动的问题,可以根据图像,预判lens运动的方向。PDAF最早运用在单反上,已经是非常成熟的技术了。

 

 

相位对焦技术从15年开始终于由单反移植到智能手机摄像头上,给用户带来极大的拍照体验。以前拍照画面的拉伸感一去不复返。

 

相位对焦原理:根据CIS不同像素的相位差信息,判断出当前镜头位置离相对焦清晰状态(即下图相位差为零状态)的位置,从而得到镜头应该移动的向量。故要实现此功能,首先CIS要支持PDAF,其次摄像头需要校准不同距离下相位数据,这份数据主要是得到相位差和物距的对应关系。手机拍照可得到相位差信息,相位差信息根据内部校准数据,得到镜头当前位置并计算出需要移动的方向和距离。相比反差式对焦,极大地提升了对焦速度。

 

 

PDAF的具体实现方式又各有不同。目前手机摄像头CIS技术主要掌握在 SONY半导体、Samsung 电子、OV三家手上。

 

据我们所知,三星在其ISOCELL Plus技术平台上实现了1.17µm纤薄光学叠加,这项技术也是世界上最尖端的。此项技术能够增强CMOS图像传感器捕捉光线的能力,大幅提升了光敏度和色彩还原度。

Optical Stack and Thickness Survey

光学堆栈和厚度调查

 

布鲁斯拜耳会对他的发明感到骄傲的!

 

 

拜耳(Bayer)数组这个名词,相信只要是学习过数字影像课程,亦或是略懂感光组件基本成像原理的朋友,应该都不陌生,此发明从 1976 年便一路影响数字影像的发展至今,曾在伊士曼柯达公司担任研发科学家的 Bryce Bayer,就是此 RGBG 数组的发明者,而这位将数字影像带给全世界的影像之父。

 

在现代感光组件技术原理中扮演极核心角色的 Bayer 影像数组科技,其透过分别将红、绿、蓝三色组成方格马赛克数组的方式(红与蓝分别占数组中的 1/4 格,至于绿则是占了 1/2),模拟人眼对于颜色的判定。虽说其他厂商像是 Sigma 与 Foveon 合作的 X3 以及 Fujifilm 新一代的 X-trans 感光组件,都尝试透过不同的排列或传感器分层技术来达到更好的色彩撷取表现,不过最初也最广为应用的,还是以 Bayer filter 为最大宗。所以,不论你用的是哪部相机,何种感光组件,都能够观赏到美丽数字形成的照片。

 

 

 

他发明的RGGB CFA仍然是小像素图像传感器的主力军。在较小像素空间中SONY、Samsung、OV三家技术速度相差不大,但实际做出来的东西有些还是相差蛮大的。关于PDAF,三家各有优缺点,叫法不一但基本都
是以下三种:

 

shield pixel

2*1 PD

dual PD

 

 

OmniVision和Sony在一段时间前推出了RGBC/RGBW CFA,三星则使用了RWB。安森美 (Aptina)在2014年推出了RYYB CFA,直到最近,我们才在其他地方看到它,当时华为在其P30/P30 Pro传感器中展示了它,该传感器由索尼制造,采用1.0 µm RYYB“Quad Bayer”像素。

 

简单分析一下这三种技术:

 

1.shield pixel(OPPO R7)


屏蔽掉像素一般的感光区域(黑色部分),值获得一半信号。需要另外的像素屏蔽掉另一半 信号,得到完整的相位差信息。

SP越多,对焦越快,但信号损失越严重,目前SP密度控制在1%~3%。


2.super PD(OPPO      R9S)


将相邻的像素共用一个on chip microlens得到相位差信息,一般在Green上处理。

同样的,二合一的PD越多,对焦越快,但信号损失越严重,目前密度也控制在1%~3%

 

3.dual PD(Samsung S7)

 

将同一个像素底部的感光区域(即光电二极管)一分为二,在同一个像素内即可完成相位信 息捕获。

dual PD 也有叫 2PD、全像素双核对焦,这种像素覆盖率100%,所以对焦体验最佳。

但由于将光电二极管一分为二,井口变小,FWC急剧衰减,dynamic range衰减严重,拍照 非常容易过曝。

三星凭借优秀的ISP和调试能力过曝控制的还可以,但金立M2017驾驭能力就稍弱了。

 

但单从对焦来说,dual PD>2*1 PD>shield pixel,这种优势尤其体现在暗环境下对焦的稳定性上,比如10lux/5lux/1lux这些极暗环境下的对焦。

另外,即使是同一种PDAF,受microlens的设计、像素大小、用于PD的color filter、sensitivity、Fab制程等因素影响,各家的效果还是不一样。

不过在人眼感知范围内一味追求极致也没必要,对焦够用就行,还是要多看看画质。

 

新技术能否替代Bayer?

 

Non-Bayer CFA Survey

 

除了拜耳RGB之外,最近还使用了一种方案,即每2x2像素分组共享一个颜色通道,如下图所示。索尼使用Quad Bayer这个术语来描述这一方案,而OmniVision称其版本为4-cell,三星则采用了它的Tetracell品牌。每个方案都已跨多个像素世代部署。索尼配备了2x1片上镜头(OCL) PDAF,与Quad Bayer公司在0.8 µm代上使用,而三星在其0.8 µm代上使用了清晰的替换滤镜来屏蔽PDAF像素。

 

Quad Bayer with 2x1 OCL PDAF, 4-cell, Tetracell with Masked PDAF

 

在IISW(International Image Sensor Workshop)会议中,我们回顾了智能手机中使用的PDAF像素。这三种解决方案被概括为掩膜、双光电二极管(dual PD)和2x1 OCL。这些相机都是在大像素应用中开发的,主要应用领域为单反相机和无反光镜相机。2014年,索尼首次在智能手机上使用了掩膜PDAF。目前最小的掩膜式PDAF的记录是三星的0.8µm的ISOCELL Plus和Tetracell CFA。

 

2016年,三星Galaxy团队采用了索尼和三星的1.4µm全像素双核对焦(dual PD)。TechInsights在其VLSI 2017的论文中描述了三星1.28µm 的dual PD,它是目前使用的最小的双核对焦,但是在研讨会中发现这个结论是错误的。事实上,三星已经在生产1.22 µm dual PD了。

 

最后,2x1 OCL很容易被描述为在一行中跨越两个像素的双宽微透镜。这项技术最初是由安森美的Aptina开发,尽管直到2018年才找到用于分析的部件。2016年,索尼在iPhone中推出了这一解决方案,之后三星和OmniVision也在1.12µm像素中推出了自己的解决方案。目前使用的最小的2x1 OCL是索尼的0.8µm版。

 

PDAF Classification, Introduction, Smallest in Use

 

本内容特别关注了处于成熟阶段的小像素智能手机成像设备。对下一代智能手机图像和光学传感器的监测和报告,包括其他成像分部门,如汽车、飞行时间(ToF)、机器视觉、安全/监视等尚未作出分析。尽管小像素缩放路线图已经接近极限,但未来还有强大的产品路线,这里还有很多工作要做!下图总结了一些系统和IC技术领域上的主流技术。


image.png 


延伸阅读——三星ISOCELL Plus,致力追求极致色彩

 

我们知道,如果想要拍出高质量的照片,CMOS需要尽可能的捕捉更多的光线,并且准确的把色彩信息传输给光电二极管。这也是为什么如今的手机厂商多爱宣传自己的相机传感器有多大的单位像素面积的原因。

然而大尺寸CMOS本就与手机需要的轻量、小型化的需求矛盾。让相机模组占据更大的机身空间或者让相机凸起等手段其实也都是不得已而为之。如果能够让CMOS尽可能小的同时拥有优秀的拍照效果,才是我们最终的追求。

 

2013年,三星电子通过引入ISOCELL技术改善了这一问题。该技术通过在相邻像素之间形成物理屏障,减少颜色串扰并增大full-well capacity-满阵容量。比起传统的背照式(BSI)图像传感器设计,ISOCELL技术可以让每个像素吸收并存储更多的光量,从而获得更卓越的图像品质。

 

不过此前的ISOCESS技术是通过在每个像素色彩滤镜之间增加物理屏障以减少颜色串扰并且让每个像素能够比传统的背照式图像传感器接收到更多的光线,获得更好的图像品质。而在今天发布的ISOCELL Plus技术中,三星凭借进一步优化的像素结构将像素隔离技术又重新做了全新的升级。现有的像素结构中,通常在光电二极管上形成金属板,以减少像素之间的干扰,但由于金属往往会反射或吸收入射光,也导致了光损耗现象的发生。而这一次,三星将金属隔光板替换为服饰公司开发的新材料,进一步降低了光损耗和光反射。

 

三星称,新的ISOCELL Plus技术将会带来跟高的色彩还原度和15%的灵敏度。也就意味着使用这一技术能够使图像传感器在不损失性能的同时将单位像素降到0.8μm甚至更小。借助这一技术,三星能够制造超过2000万像素的小尺寸相机传感器。

 

目前,ISOCELL Plus已经在上海MWC展出。值得注意的是,在这一技术旁边展出的正是亚微米像素传感器、Tetracell和双像素对焦技术。这三种技术的应用本来会造成光线上的一定损失,倒是正与ISOCELL Plus技术相得益彰。


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