当像素缩放遇上超广角：三星的自适应超表面微透镜技术破解CMOS传感器像差难题

【摘要】

      移动相机对高分辨率CMOS图像传感器的需求推动像素尺寸向亚微米级缩放。微透镜（ML）阵列在收集光子和相位检测自动对焦（PDAF）中起关键作用，但其性能随ML尺寸接近可见光波长而下降。在超广角图像传感器中，ML像差和入射光角度增大使这一问题更严重。本工作提出超表面微透镜（MML）替代传统球形ML，采用自适应设计匹配整个图像传感器上变化的主光线角度（CRA）。本工作在0.5 μm像素原型上实现了该MML，实现了自动对焦对比度提升35%，子色彩通道差异改善49%，且无量子效率损失。

◆ 引言

      近年来人们对具备卓越自动对焦性能的高分辨率移动相机需求越来越高，目前市场上已经开始出现全像素相位检测自动对焦（PDAF）的0.5 μm 200MP图像传感器产品。随着用户生成视频内容的普及，移动相机的视频录制功能愈发流行，因此除灵敏度和信噪比外，还要求图像传感器所有像素均具备可接受的PDAF性能。

      尽管四单元微透镜（ML）阵列成为全像素PDAF传感器的主流，但当像素尺寸接近衍射极限聚焦光束大小时，小像素的PDAF性能面临挑战。特别是超广角图像传感器，传感器边缘的PDAF性能急剧下降，因为入射角大于30度的光线会导致单色像差和彗差，如图1（a）第三列所示。

      对不同颜色使用相同的球形ML阵列，会因色差在大角度入射光下加剧通道差异。ML的这两种像差成为实现更高分辨率图像传感器像素缩放的主要障碍。为解决这一问题，如图1（b）所示的用于像差校正的非对称ML可能是一个有前途的候选方案。然而，为大规模生产单独优化每个曲率的制造难度很大。

      本文提出一种角度和颜色自适应的超表面微透镜（MML）阵列，它由亚波长纳米柱组成，可局部控制光的相位延迟、振幅和偏振。

◆ 设计与实验结果

      超表面由亚波长纳米柱阵列组成，通过改变纳米柱的宽度来调制透射光的局部相位[5]。如图2（a）所示，光传播的有效折射率（neff）由高折射率和低折射率组件的材料组成决定。如图2（b）所示，透射光的相位延迟与neff及其厚度成正比，通过控制高折射率材料的比例来调节。因此，通过选择MML的高折射率纳米柱的宽度，针对每个入射角和光波长进行优化，可以模拟非对称ML。

      例如，图3（a）显示了使用严格耦合波分析（RCWA）模拟的0.5 μm tetra2（4×4）四单元图像传感器在520 nm波长光28°斜入射下，光电二极管表面的计算电场强度分布。为证明MML的像差校正，图3（b）显示了图3（a）中虚线的横截面。与传统ML情况相比，聚焦光束的半高宽（FWHM）减少了约24%。

      图4显示了所实现的MML的横截面透射电子显微镜（TEM）图像，二氧化钛纳米柱填充在氧化物包层中。如图5（a）所示，沿图像传感器的视场测量角度响应。由于MML根据CRA的自适应设计，自动对焦对比度（AFCR，散焦下左右信号之比）在整个图像传感器上得到改善。图5（b）中MML的归一化AFCR显示，与传统ML相比，在图像传感器中心提升15%，在边缘提升35%。

      图6绘制了传感器边缘每个颜色的PDAF左光电二极管（LPD）和右光电二极管（RPD）的角度响应。LPD和RPD信号相等的交点XR,G,B可视为传感器的CRA，它们之间的颜色差异是由色差引起的CRA不匹配。在目标CRA为26度时，传统ML的XR,G,B差异为2.7度，而在目标CRA为31度时，MML的差异为1.9度（降低了30%），尽管更大的目标CRA通常会导致更大的CRA不匹配。这表明MML可以补偿由CRA不匹配引起的颜色差异，使其成为超广角相机应用的有力候选者。由于CRA不匹配补偿，图7中的直方图显示整个图像传感器上相对最大16通道差异，所有颜色的通道差异显著减少，Gr、R、B和Gb通道分别为-11%、-41%、-30%和-18%。

◆ 讨论

      量子效率（QE）与波长的光谱响应如图8所示。在传感器中心，MML的QE与传统ML相当，红色像素略有增加，串扰无退化。另一方面，MML的GrGb失衡可能受到相邻MML的相邻纳米柱的影响，这些纳米柱分别针对红色和蓝色进行了优化。为减轻这种相互作用，MML的设计尽量减少绿色与蓝色/红色MML附近纳米柱的尺寸差异。结果，实现了2.3%的GrGb失衡，与传统ML情况的2.1%相当。表1总结了所提出的MML的特性。

◆ 结论

本研究提出了一种角度和颜色自适应的MML阵列，旨在补偿传统ML的像差。MML设计通过RCWA模拟优化，并在0.5 μm tetra2四单元图像传感器上实现。AFCR显著增强，整个图像传感器的16通道差异显著减少。此外，不同颜色之间的CRA不匹配减少，颜色边界纳米柱的优化在QE和GrGb失衡方面实现了与传统ML设计相似的性能。所提出的MML有望成为高性能超广角图像传感器持续像素缩放的突破性光学元件。