翻譯自——techinsights

今天普及一下什么叫做PDAF（相位對焦）？

當攝像機在自動對焦的時候總是有一個困惑，知道圖像是不清楚的，但是lens應該向前還是向后移動呢？總是要前后移動lens一下才知道，普通的反差法對焦就是這么做的，爬山嘛。PDAF的出現(xiàn)就是為了解決這個lens移動的問題，可以根據(jù)圖像，預判l(wèi)ens運動的方向。PDAF最早運用在單反上，已經(jīng)是非常成熟的技術(shù)了。

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

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

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

據(jù)我們所知，三星在其ISOCELL Plus技術(shù)平臺上實現(xiàn)了1.17μm纖薄光學疊加，這項技術(shù)也是世界上最尖端的。此項技術(shù)能夠增強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。

光學堆棧和厚度調(diào)查

布魯斯拜耳會對他的發(fā)明感到驕傲的!

拜耳（Bayer）數(shù)組這個名詞，相信只要是學習過數(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，曾在伊士曼柯達公司擔任研發(fā)科學家的 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、藍三色組成方格馬賽克數(shù)組的方式（紅與藍分別占數(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)來達到更好的色彩擷取表現(xiàn)，不過最初也最廣為應用的，還是以 Bayer filter 為最大宗。所以，不論你用的是哪部相機，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，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，當時華為在其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。需要另外的像素屏蔽掉另一半 信號，得到完整的相位差信息。

SP越多，對焦越快，但信號損失越嚴重，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，對焦越快，但信號損失越嚴重，目前密度也控制在1%~3%

3.dual PD（Samsung S7）

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

dual PD 也有叫 2PD、全像素雙核對焦，這種像素覆蓋率100%，所以對焦體驗最佳。

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。

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

另外，即使是同一種PDAF，受microlens的設計、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像素分組共享一個顏色通道，如下圖所示。索尼使用Quad Bayer這個術(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。每個方案都已跨多個像素世代部署。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）會議中，我們回顧了智能手機中使用的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。這些相機都是在大像素應用中開發(fā)的，主要應用領(lǐng)域為單反相機和無反光鏡相機。2014年，索尼首次在智能手機上使用了掩膜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團隊采用了索尼和三星的1.4μm全像素雙核對焦（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焦，但是在研討會中發(fā)現(xiàn)這個結(jié)論是錯誤的。事實上，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像素的雙寬微透鏡。這項技術(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成像設備。對下一代智能手機圖像和光學傳感器的監(jiān)測和報告，包括其他成像分部門，如汽車、飛行時間(ToF)、機器視覺、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廠商多愛宣傳自己的相機傳感器有多大的單位像素面積的原因。

然而大尺寸CMOS本就與手機需要的輕量、小型化的需求矛盾。讓相機模組占據(jù)更大的機身空間或者讓相機凸起等手段其實也都是不得已而為之。如果能夠讓CMOS盡可能小的同時擁有優(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，減少顏色串擾并增大full-well capacity-滿陣容量。比起傳統(tǒng)的背照式（BSI）圖像傳感器設計，ISOCELL技術(shù)可以讓每個像素吸收并存儲更多的光量，從而獲得更卓越的圖像品質(zhì)。

不過此前的ISOCESS技術(shù)是通過在每個像素色彩濾鏡之間增加物理屏障以減少顏色串擾并且讓每個像素能夠比傳統(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。現(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，但由于金屬往往會反射或吸收入射光，也導致了光損耗現(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，進一步降低了光損耗和光反射。

三星稱，新的ISOCELL Plus技術(shù)將會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和雙像素對焦技術(shù)。這三種技術(shù)的應用本來會造成光線上的一定損失，倒是正與ISOCELL Plus技術(shù)相得益彰。