确立图像传感器的降噪技术。以永不满足的探索欲实现突破性成像体验
January 11, 2023
随着用智能手机拍摄成为日常，智能手机上搭载的相机的像素也越来越微细化。使用智能手机就能拍摄出高分辨率、高精细的影像，智能手机的拍摄功能也因此变得愈发重要。那么大家是否知道，实际上，索尼半导体解决方案（以下称SSS）的研究者们研发的技术为实现这样的拍摄体验做出了巨大贡献。智能手机像素的微细化，一直存在在制造工序中容易出现噪点来源的问题。而大幅改善这个问题的，就是荣获2021年Sony Outstanding Engineer Award*1的三成英树。他准确地找到了被称为白点的噪点发生原因，为强力降噪技术的诞生奠定了基础。三成从无人关注的阶段开始就预见了课题，并最终确立了技术，此次我们向他了解了在研究中遇到的困难和作为研究者所重视的部分。
*1）索尼集团为鼓励工程师挑战新事物而创设的表彰工程师个人的最高奖项
三成 英树
索尼半导体解决方案株式会社
成像&感知元件开发部门
个人简介：2011年入职索尼株式会社负责图像传感器模拟技术的开发。从2012年开始，前往比利时赴任，参与先进半导体元件的共同开发联盟。2014年回到日本，参与在光电转换层使用化合物半导体的SWIR（Short-Wavelength Infrared）图像传感器的开发，同时负责针对智能手机的图像传感器白点分析与降噪技术的开发，直至现在。
因智能手机的高画质化而诞生的新课题
拡大
图像传感器的画质劣化有很多原因，三成所揭秘的是一种被称为白点的噪点。比如，在夜景中或昏暗房间内拍摄时，会出现白色的斑点。这就是白点，是因像素缺陷和金属污染而产生的。三成利用半导体的模拟技术，对白点噪点进行分析，确定了导致白点产生的缺陷的发生机制，从而为强力降噪技术的诞生奠定了基础。
三成介绍说：“图像传感器中包含着捕捉光线的像素，如果构成这个像素的硅原子排列规则，就不会产生噪点。但是，在图像传感器的制造过程中，有些工序要进行切削、在高温下暴晒、贴膜。如果在这一过程中硅结晶受损，在由通过透镜捕捉到的光转换而来的电子之外，会有电子从中泄漏出去。”由于这些泄漏的电子，原本光未照射到的地方被错误地检测为有光，因此就会变成白色。
然而，直到最近，白点才成为智能手机用图像传感器开发中的重点课题。“原本当像素达到一定尺寸时，在制造过程就不容易受损，但是由于像素的微细化，在制造过程中受损的情况又增加了”。这个白点问题的严重性已经影响了开发日程。图像传感器的开发需要相当长的时间。技术员需要在设计上确定没有问题后再推进开发，好不容易完成试制品后，但如果这时发现有白点等问题，就必须采取对策，重头开始。为了及时将突破性的图像传感器送到客户手中，理解白点等传感器内的物理现象非常重要。
从寻求协助者开始的项目
从设计与制造过程两方面，脚踏实地地查找原因
三成在学生时代以及入职后的海外赴任期间，一直从事先进逻辑元件模拟技术的研究。他认为“在先进逻辑元件中，作为晶体管构成材料的原子的排列非常重要。如果追溯图像传感器白点等噪点信号的起源，应该能发现它与原子尺度上的物理学相关”。但是，要追溯这个起源，并非易事。问题是出在图像传感器的设计上还是制造过程中，这两方面都必须考虑，因此，需要大量工程师的协助和验证。但是，为了这项研究而开发图像传感器是不现实的。当时，还处在三成的假设阶段，虽然在图像传感器的开发现场，白点有逐渐增加的倾向，但是缺少决定性的证据来引导大家采取大规模的对策。
此时，三成采取的行动就是向推进中的开发项目寻求协助。他参观了其他开发中的传感器的设计、制造过程和试制品，同时，提出了噪点的原因和改善方法上的建议。在Sony Semiconductor Manufacturing Corporation熊本技术中心成员的协助下，三成进行了多项验证，最终确立了白点产生的模型。另一方面，虽然三成在一定程度上确定了白点产生的机制，却没有环境能让他尝试降低白点的想法。
为此，三成采取的另一项行动就是组建志同道合的团队。首先，他在部门技术员聚集的活动中，解说了白点产生的原因和改善的思路。据他称在解说时特别注意了解说的方式。“SSS的技术员有各种不同的背景。大家对技术都抱着积极的态度，但并不是所有人都做过理论研究。如果解说时偏向某个领域，会导致内容变得难以理解，让人丧失兴趣”。所以，三成结合插图和比喻，让听众更容易想象传感器内发生的物理现象。“用于食品的包装材料，左右拉扯也不会破损。但是，稍微有一点划痕，就很容易被撕破。而微细化的像素，在制造过程中受损或混入杂质后，也容易出现破损”，他以这种方式向多方进行了解说。
就这样，协助实验的伙伴越来越多，一开始只是作为听众的工程师也开始自发地进行实验和考察，最终大家共同促成了强力降噪技术的诞生。“我感觉SSS的工程师中，有很多都抱着强烈的探索欲。首先，要激发他们的探索欲，我认为这是提升技术开发品质与速度的捷径”（三成）。
入职SSS的契机
从“求知若渴”到“想要贡献”的思想转变
三成从小就有很强的研究心和探索欲。他升入中学后还经常去山里玩耍，或许因为这种农村的生活经历，在进入高中并接触到手机后，他不仅感到神奇，还非常好奇“手机是如何工作的”。认识越深入，就越想要了解更多。或许正是这种永不满足的探索欲，引导他进入了驱动全世界电子设备的半导体领域。
三成在大学时，曾用研究室的投影仪与副教授一起玩网球游戏。这是他悠然自得的一面，但同时，他也曾通过将多台台式电脑连接起来，构建了计算机集群。“研究室没有购买超级计算机的预算。但是，如果委托外部进行模拟，又需要不少的费用。如果要花费相同的费用，那么自己把台式计算机连接起来，性价比更高。相同预算，可以实现3倍的性能”。教授自身熟知程序等IT知识，受其影响，三成也对这方面的知识了解的更多，从打游戏以及此次研究开发时组建团队的事迹中，都可以看出三成出色的社交能力。
另外，独自构建高性能计算机环境，也为研究成果的诞生做出了重大贡献，而因为实现了大规模的模拟，三成在许多国际会议和期刊上都发表了成果。正是这一研究成果促使他入职SSS。三成在研究生院博士课程之前，一直是希望能成为一名大学老师的。实际上，当时他已经获得了好几所大学的邀请，但是在关于半导体元件相关的最大规模的学会上发表成果时，他对不少企业产生了兴趣，并以此为契机，开始思考能否将自己学到的知识技术运用到产业界发挥作用，从此，他便萌发了成为技术员的想法。在“求知若渴”的探索欲的基础上，又产生了用知识“做贡献”的想法。
三成在取得博士学位、在作为博士后开展研究时，身为SSS员工的研究室前辈邀请他参加索尼的社招活动，这就是他从众多企业中选择SSS的契机。在接受面试后，他发现索尼员工大多性格开朗，公司氛围也很好，因此，决定入职。“我在谈论技术上的话题时，对方兴致满满地听我讲解。所以，我想和这些人一起，应该能够非常愉快地开展研究活动。”
对于与自己工作无关的事物也抱有浓厚兴趣
重视积极“求知”的探索欲
三成在入职后，立即就被派往比利时赴任。他的任务是作为先进逻辑元件的一名开发成员，在SSS也参与的半导体共同开发联盟中工作，掌握该元件相关的先进知识与技术。但是，这个联盟有很多企业参加，研究课题的大纲是事先就确定的。不可能只研究SSS想要了解的课题。于是，三成按照这个联盟的研究方向又设定了一个研究课题，其中包含了SSS想要掌握的信息，并到处游说“这项研究将帮助我们联盟掌握需要的知识”。
但是，运用这些巧妙的交涉技巧在联盟中工作的三成，并非一帆风顺。他在联盟中参与的利用化合物半导体材料的晶体管（逻辑元件）开发，无法让结晶像硅那样整齐排列，最终未能实现期待的元件性能，就到了回国的时间。就这样，虽然体验过成功，但是最终三成还是带着苦涩的心情回到了日本。不过，在这段失败经历中学到的化合物半导体材料相关的知识，为利用化合物半导体的图像传感器开发做出了重要贡献。
关于工作上所重视的东西，三成表示是“顺从自己内在的探索欲，积极面对自己所不了解、不理解的东西”。或许因为自己是SSS内掌握大量关于图像传感器白点知识的人，所以总是接到很多咨询，日程安排非常满。三成表示“在工作中，我们会遇到很多自己不了解的事物，有时自己的工作已经让人焦头烂额了。但是，作为一名研究者，我试图顺从自己的探索欲，并且我认为了解自己未知的事物，能帮助我更深入地理解物理”。从三成的发言中可以看出，他仍然坚持着童年时的探索欲，同时，也一如既往地重视用知识造福社会的想法。
现在，三成仍和海外赴任时和大学时的教授们保持着联系，他表示“SSS以外的世界也有很多优秀的人才。与这些人才构建更紧密的合作关系，将让我们的世界变得更美好”，他始终为开展更多研究、创造美好环境保持着高度热情。期待三成在今后做出更多贡献。
