【IP KOREA】Galaxy S23とスマートフォンの網膜「CIS」

2月7日、サムスンのGalaxy S23シリーズがリリースされました。

S23シリーズの最も大きい特長は、イメージセンサー「ISOCELL(アイソセル) HP2」の搭載で強力になったカメラ機能だそうです。

今回のポストでは、S23に搭載されたISOCELL技術と共に速い進化を遂げているスマートフォンの「網膜」CIS技術について調べてみたいと思います。

▲ Galaxy S23アンパックイベント
(出処：サムスンニュースルーム, https://news.samsung.com) 

CIS(CMOSイメージセンサー)市場

スマートフォンにおいてのカメラ機能は、スマートフォンの品質と好感度を決定する重要な要素になりました。その分、スマートフォンの製造会社たちは毎年新しいモデルを先を争ってリリースし、競争製品を超える「CIS」、つまりスマートフォンカメラの核心部品であるCMOSイメージセンサー開発と導入に拍車をかけています。

▲ 2022グローバルスマートフォンCIS市場占有率統計
(出処：カウンターポイント, https://www.counterpointresearch.com/global-smartphone-cis-market-revenues-shipments-dip-2022/)

現在グローバルCIS市場は日本のソニーと韓国のサムスンがリードしています。グローバル市場調査企業の「カウンターポイント」が発表したCIS市場占有率統計を見てみるとソニーが54%で独走している中、サムスンとSKがその後を追撃している様子を見せています。

CMOSは何か？

CMOSイメージセンサーとは、簡単に言うとカメラのフィルムの役割を果たす半導体を言います。カメラレンズを通じて入ってきた被写体情報をイメージセンサーが電気的デジタル信号に変換してくれるので、私たちがスマートフォンで写真を撮った後すぐに画面から写真を確認したり削除できます。

CMOSの長所は、消費電力が少なく半導体工程で製作されるので大量生産も容易です。そのため、スマートフォンはもちろん、高解像のデジタルカメラや医療映像機器、自動車監視カメラなどにも幅広く使われています。

ソニーが開発したこのCMOSイメージセンサーはカメラに搭載されるセンサーモジュールの製造方法と半導体回路構成を表しています。

▲ Wipsglobal.com、KR 10-2006-0049316 A、「半導体イメージセンサーモジュール、半導体イメージセンターモジュールの製造方法、カメラ及び製造方法」

SKハイニックスはソニーとサムスンに比べると後発ランナーですが、PDAF(Phase Detection Auto Focus)、Quad画素処理、HDR(High Dynamic Range)など優れた映像処理機能を搭載したCISを量産して素早く占有率を拡張しています。

▲ Wipsglobal.com、KR 10-2488110 B、「アナログ‐デジタル変換回路及びこれを含めるCMOSイメージセンサー」

▲PDAF構造説明図：CISの一部画素に対して上記画像の左側のように左右を塞いで位相差を発生させたり、右側のように一つの大きいマイクロレンズ下部に左右画素を配置して位相差を発生させる方式。ISPアルゴリズムは左右イメージから位相差を計算してこれを被写体までの距離に変換して早くて正確に焦点を合わせられる。(出処：SKハイニックスニュースルーム, https://news.skhynix.co.kr/)

Galaxyの目を負担する「ISOCELL」

Galaxyにはサムスンが開発したイメージセンサーのISOCELLが装着されています。それではISOCELLは何でしょうか？

サムスンのISOCELL開発は2013年に遡ります。サムスンが2013年に世界で初めて開発したISOCELLは微細になるセンサーピクセル間の干渉現象を最小化して小さいピクセルで高品質の画像を具現する技術で様々なイメージセンサー製品に適用してきました。

▲ Wipsglobal.com、KR 10-2366416 B、「CMOSイメージセンサー」

以後、2017年に「ISOCELL」が正式にロンチングされてイメージセンサーが製品の一種ではなく、ブランドとして定立されるようになりました。

▲Intomark.com 「ISOCELLブランド」　

以後、持続的な開発と拡張を経て現在は「モバイルイメージセンサー」から「オートモティブイメージセンサー」、「ToFセンサー」に至るラインアップを構築中です。自律走行自動車からXR、ARまでCMOSセンサーが様々な未来技術の核心であることを見せる事例であると思われます。

▲サムスンのISOCELLラインアップ
(出処：サムスン電子ホームページ, https://semiconductor.samsung.com)

2億画素で天体も撮れる「ISOCELL HP2」

新しくリリースしたS23 Ultraに2億画素のイメージセンサーISOCELL HP2が搭載されて全体モードだと夜空の星雲、星団、銀河まで鮮明に撮影できるそうです。イメージセンサーの画素の大きさは大きければ大きいほどいいですが、ISOCELL HP2はピクセルの大きさが小さいですが、その代わり最新技術を多く適用してこの問題を克服したそうです。

▲Galaxy S23 Ultraに搭載されたISOCELL HP2センサー
(出処：サムスンニュースルーム, https://news.samsung.com)

特に最大16個のピクセルを一つに併合して光の吸収率を高める「Tetra2pixel」技術を通じて、暗い夜中や光の量が足りない状況でも明るくて鮮明な撮影ができるそうです。この基盤にはテトラセル(Tetracell)センサーがあります。テトラセルセンサーは4つを一つのピクセルにして光を収容する面積を増やすセンサー画素数は減るが、ピクセル面積が4倍に大きくなって暗い状況でのノイズ抑制力がよく、もっと明るく撮影できます。去年向上されたニューラルネットワークプロセッサーを適用してこのテトラセルとノナセル(Nonacell)のイメージプロセッシング能力とバッドピクセル補正力を向上させる技術を発表しています。

▲ Wipsglobal.com、KR 10-2022-0004436、「ニューラルネットワークプロセッサーを具備するイメージプロセッシング装置及びこの動作方法」

どこまで進化するか

スマートフォンのカメラで天体も撮れる時代が到来し、電子企業たちのグローバルCIS技術競争は日々加速しています。前述した通り、CIS技術と部品はもうスマートフォンのみならず自律走行自動車と戦場武器、XRなど未来市場での核心部品として活用可能性がとても高いためです。スマートフォン市場はもちろん多様な未来市場でのCIS技術の進化とそれに従う発展を期待してもいいのではないでしょうか！

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