翻譯自——techinsights

今天普及一下什么叫做PDAF（相位對(duì)焦）？

當(dāng)攝像機(jī)在自動(dòng)對(duì)焦的時(shí)候總是有一個(gè)困惑，知道圖像是不清楚的，但是lens應(yīng)該向前還是向后移動(dòng)呢？總是要前后移動(dòng)lens一下才知道，普通的反差法對(duì)焦就是這么做的，爬山嘛。PDAF的出現(xiàn)就是為了解決這個(gè)lens移動(dòng)的問題，可以根據(jù)圖像，預(yù)判l(wèi)ens運(yùn)動(dòng)的方向。PDAF最早運(yùn)用在單反上，已經(jīng)是非常成熟的技術(shù)了。

相位對(duì)焦技術(shù)從15年開始終于由單反移植到智能手機(jī)攝像頭上，給用戶帶來極大的拍照體驗(yàn)。以前拍照畫面的拉伸感一去不復(fù)返。

相位對(duì)焦原理：根據(jù)CIS不同像素的相位差信息，判斷出當(dāng)前鏡頭位置離相對(duì)焦清晰狀態(tài)（即下圖相位差為零狀態(tài)）的位置，從而得到鏡頭應(yīng)該移動(dòng)的向量。故要實(shí)現(xiàn)此功能，首先CIS要支持PDAF，其次攝像頭需要校準(zhǔn)不同距離下相位數(shù)據(jù)，這份數(shù)據(jù)主要是得到相位差和物距的對(duì)應(yīng)關(guān)系。手機(jī)拍照可得到相位差信息，相位差信息根據(jù)內(nèi)部校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，得到鏡頭當(dāng)前位置并計(jì)算出需要移動(dòng)的方向和距離。相比反差式對(duì)焦，極大地提升了對(duì)焦速度。

PDAF的具體實(shí)現(xiàn)方式又各有不同。目前手機(jī)攝像頭CIS技術(shù)主要掌握在 SONY半導(dǎo)體、Samsung 電子、OV三家手上。

據(jù)我們所知，三星在其ISOCELL Plus技術(shù)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了1.17μm纖薄光學(xué)疊加，這項(xiàng)技術(shù)也是世界上最尖端的。此項(xiàng)技術(shù)能夠增強(qiáng)CMOS圖像傳感器捕捉光線的能力，大幅提升了光敏度和色彩還原度。

光學(xué)堆棧和厚度調(diào)查

布魯斯拜耳會(huì)對(duì)他的發(fā)明感到驕傲的!

拜耳（Bayer）數(shù)組這個(gè)名詞，相信只要是學(xué)習(xí)過數(shù)字影像課程，亦或是略懂感光組件基本成像原理的朋友，應(yīng)該都不陌生，此發(fā)明從 1976 年便一路影響數(shù)字影像的發(fā)展至今，曾在伊士曼柯達(dá)公司擔(dān)任研發(fā)科學(xué)家的 Bryce Bayer，就是此 RGBG 數(shù)組的發(fā)明者，而這位將數(shù)字影像帶給全世界的影像之父。

在現(xiàn)代感光組件技術(shù)原理中扮演極核心角色的 Bayer 影像數(shù)組科技，其透過分別將紅、綠、藍(lán)三色組成方格馬賽克數(shù)組的方式（紅與藍(lán)分別占數(shù)組中的 1/4 格，至于綠則是占了 1/2），模擬人眼對(duì)于顏色的判定。雖說其他廠商像是 Sigma 與 Foveon 合作的 X3 以及 Fujifilm 新一代的 X-trans 感光組件，都嘗試透過不同的排列或傳感器分層技術(shù)來達(dá)到更好的色彩擷取表現(xiàn)，不過最初也最廣為應(yīng)用的，還是以 Bayer filter 為最大宗。所以，不論你用的是哪部相機(jī)，何種感光組件，都能夠觀賞到美麗數(shù)字形成的照片。

他發(fā)明的RGGB CFA仍然是小像素圖像傳感器的主力軍。在較小像素空間中SONY、Samsung、OV三家技術(shù)速度相差不大，但實(shí)際做出來的東西有些還是相差蠻大的。關(guān)于PDAF，三家各有優(yōu)缺點(diǎn)，叫法不一但基本都
是以下三種：

shield pixel

2*1 PD

dual PD

OmniVision和Sony在一段時(shí)間前推出了RGBC/RGBW CFA，三星則使用了RWB。安森美 (Aptina)在2014年推出了RYYB CFA，直到最近，我們才在其他地方看到它，當(dāng)時(shí)華為在其P30/P30 Pro傳感器中展示了它，該傳感器由索尼制造，采用1.0 μm RYYB“Quad Bayer”像素。

簡單分析一下這三種技術(shù)：

1.shield pixel（OPPO R7）

屏蔽掉像素一般的感光區(qū)域（黑色部分），值獲得一半信號(hào)。需要另外的像素屏蔽掉另一半 信號(hào)，得到完整的相位差信息。

SP越多，對(duì)焦越快，但信號(hào)損失越嚴(yán)重，目前SP密度控制在1%~3%。

2.super PD（OPPO      R9S）

將相鄰的像素共用一個(gè)on chip microlens得到相位差信息，一般在Green上處理。

同樣的，二合一的PD越多，對(duì)焦越快，但信號(hào)損失越嚴(yán)重，目前密度也控制在1%~3%

3.dual PD（Samsung S7）

將同一個(gè)像素底部的感光區(qū)域（即光電二極管）一分為二，在同一個(gè)像素內(nèi)即可完成相位信 息捕獲。

dual PD 也有叫 2PD、全像素雙核對(duì)焦，這種像素覆蓋率100%，所以對(duì)焦體驗(yàn)最佳。

但由于將光電二極管一分為二，井口變小，F(xiàn)WC急劇衰減，dynamic range衰減嚴(yán)重，拍照 非常容易過曝。

三星憑借優(yōu)秀的ISP和調(diào)試能力過曝控制的還可以，但金立M2017駕馭能力就稍弱了。

但單從對(duì)焦來說，dual PD>2*1 PD>shield pixel，這種優(yōu)勢(shì)尤其體現(xiàn)在暗環(huán)境下對(duì)焦的穩(wěn)定性上，比如10lux/5lux/1lux這些極暗環(huán)境下的對(duì)焦。

另外，即使是同一種PDAF，受microlens的設(shè)計(jì)、像素大小、用于PD的color filter、sensitivity、Fab制程等因素影響，各家的效果還是不一樣。

不過在人眼感知范圍內(nèi)一味追求極致也沒必要，對(duì)焦夠用就行，還是要多看看畫質(zhì)。

新技術(shù)能否替代Bayer？

除了拜耳RGB之外，最近還使用了一種方案，即每2x2像素分組共享一個(gè)顏色通道，如下圖所示。索尼使用Quad Bayer這個(gè)術(shù)語來描述這一方案，而OmniVision稱其版本為4-cell，三星則采用了它的Tetracell品牌。每個(gè)方案都已跨多個(gè)像素世代部署。索尼配備了2x1片上鏡頭(OCL) PDAF，與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換濾鏡來屏蔽PDAF像素。

在IISW（International Image Sensor Workshop）會(huì)議中，我們回顧了智能手機(jī)中使用的PDAF像素。這三種解決方案被概括為掩膜、雙光電二極管(dual PD)和2x1 OCL。這些相機(jī)都是在大像素應(yīng)用中開發(fā)的，主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)閱畏聪鄼C(jī)和無反光鏡相機(jī)。2014年，索尼首次在智能手機(jī)上使用了掩膜PDAF。目前最小的掩膜式PDAF的記錄是三星的0.8μm的ISOCELL Plus和Tetracell CFA。

2016年，三星Galaxy團(tuán)隊(duì)采用了索尼和三星的1.4μm全像素雙核對(duì)焦（dual PD）。TechInsights在其VLSI 2017的論文中描述了三星1.28μm 的dual PD，它是目前使用的最小的雙核對(duì)焦，但是在研討會(huì)中發(fā)現(xiàn)這個(gè)結(jié)論是錯(cuò)誤的。事實(shí)上，三星已經(jīng)在生產(chǎn)1.22 μm dual PD了。

最后，2x1 OCL很容易被描述為在一行中跨越兩個(gè)像素的雙寬微透鏡。這項(xiàng)技術(shù)最初是由安森美的Aptina開發(fā)，盡管直到2018年才找到用于分析的部件。2016年，索尼在iPhone中推出了這一解決方案，之后三星和OmniVision也在1.12μm像素中推出了自己的解決方案。目前使用的最小的2x1 OCL是索尼的0.8μm版。

本內(nèi)容特別關(guān)注了處于成熟階段的小像素智能手機(jī)成像設(shè)備。對(duì)下一代智能手機(jī)圖像和光學(xué)傳感器的監(jiān)測(cè)和報(bào)告，包括其他成像分部門，如汽車、飛行時(shí)間(ToF)、機(jī)器視覺、安全/監(jiān)視等尚未作出分析。盡管小像素縮放路線圖已經(jīng)接近極限，但未來還有強(qiáng)大的產(chǎn)品路線，這里還有很多工作要做!下圖總結(jié)了一些系統(tǒng)和IC技術(shù)領(lǐng)域上的主流技術(shù)。

延伸閱讀——三星ISOCELL Plus，致力追求極致色彩

我們知道，如果想要拍出高質(zhì)量的照片，CMOS需要盡可能的捕捉更多的光線，并且準(zhǔn)確的把色彩信息傳輸給光電二極管。這也是為什么如今的手機(jī)廠商多愛宣傳自己的相機(jī)傳感器有多大的單位像素面積的原因。

然而大尺寸CMOS本就與手機(jī)需要的輕量、小型化的需求矛盾。讓相機(jī)模組占據(jù)更大的機(jī)身空間或者讓相機(jī)凸起等手段其實(shí)也都是不得已而為之。如果能夠讓CMOS盡可能小的同時(shí)擁有優(yōu)秀的拍照效果，才是我們最終的追求。

2013年，三星電子通過引入ISOCELL技術(shù)改善了這一問題。該技術(shù)通過在相鄰像素之間形成物理屏障，減少顏色串?dāng)_并增大full-well capacity-滿陣容量。比起傳統(tǒng)的背照式（BSI）圖像傳感器設(shè)計(jì)，ISOCELL技術(shù)可以讓每個(gè)像素吸收并存儲(chǔ)更多的光量，從而獲得更卓越的圖像品質(zhì)。

不過此前的ISOCESS技術(shù)是通過在每個(gè)像素色彩濾鏡之間增加物理屏障以減少顏色串?dāng)_并且讓每個(gè)像素能夠比傳統(tǒng)的背照式圖像傳感器接收到更多的光線，獲得更好的圖像品質(zhì)。而在今天發(fā)布的ISOCELL Plus技術(shù)中，三星憑借進(jìn)一步優(yōu)化的像素結(jié)構(gòu)將像素隔離技術(shù)又重新做了全新的升級(jí)?，F(xiàn)有的像素結(jié)構(gòu)中，通常在光電二極管上形成金屬板，以減少像素之間的干擾，但由于金屬往往會(huì)反射或吸收入射光，也導(dǎo)致了光損耗現(xiàn)象的發(fā)生。而這一次，三星將金屬隔光板替換為服飾公司開發(fā)的新材料，進(jìn)一步降低了光損耗和光反射。

三星稱，新的ISOCELL Plus技術(shù)將會(huì)帶來跟高的色彩還原度和15%的靈敏度。也就意味著使用這一技術(shù)能夠使圖像傳感器在不損失性能的同時(shí)將單位像素降到0.8μm甚至更小。借助這一技術(shù)，三星能夠制造超過2000萬像素的小尺寸相機(jī)傳感器。

目前，ISOCELL Plus已經(jīng)在上海MWC展出。值得注意的是，在這一技術(shù)旁邊展出的正是亞微米像素傳感器、Tetracell和雙像素對(duì)焦技術(shù)。這三種技術(shù)的應(yīng)用本來會(huì)造成光線上的一定損失，倒是正與ISOCELL Plus技術(shù)相得益彰。