成像不僅僅靠像素，三星ISOCELL傳感器剖析

　　搭配在三星Galaxy S5上的ISOCELL是圖像傳感器中的優(yōu)秀代表。下面我們從各個(gè)技術(shù)點(diǎn)出發(fā)，來(lái)探討這個(gè)傳感器的“神奇”之處。

　　ISOCELL這種技術(shù)傳感器可以增加傳感器的感光性，即使是在照明條件比較差的環(huán)境下仍然能夠帶來(lái)更高的色彩保真度，而這與之前三星公司所使用的BSI傳感器相比，是非常明顯的進(jìn)步。

　　在Galaxy S5上市之后，我們將會(huì)陸續(xù)看到更多關(guān)于ISOCELL傳感器的報(bào)道。而ISOCELL不僅僅作為一個(gè)專業(yè)名詞，更重要的是理解它的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和工作原理?，F(xiàn)在就讓我們一起來(lái)了解一下在Galaxy S5身上出現(xiàn)的ISOCELL傳感器的詳細(xì)原理。

　　高質(zhì)量的圖像傳感器非常重要

　　決定一種圖像傳感器好與壞最大的影響因素就是進(jìn)光量，它可以決定每個(gè)像素點(diǎn)能捕獲多少光線。如果一個(gè)傳感器的每個(gè)像素體積更大，便容易承載更多光線，對(duì)畫質(zhì)提升是非常明顯的，便可以更真實(shí)的還原圖像場(chǎng)景。所以，全畫幅數(shù)碼相機(jī)通常用于非常棒的拍攝效果，因?yàn)閭鞲衅鞒叽鐗虼?，每個(gè)像素相比小畫幅產(chǎn)品擁有更多空間、也就能夠獲得更多光線。不過(guò)，對(duì)于手機(jī)來(lái)說(shuō)，集成更大尺寸的傳感器就意味著手機(jī)體積、耗電量增加，這與智能手機(jī)更輕更薄、節(jié)約省電的趨勢(shì)是矛盾的，比如三星Galaxy S4 zoom這樣直接集成相機(jī)傳感器和鏡頭的產(chǎn)品，就是一個(gè)典型的例子，從產(chǎn)品的外觀上來(lái)看更像是一臺(tái)相機(jī)而非手機(jī)。因此一般來(lái)說(shuō)，智能手機(jī)廠商更愿意在有限的空間內(nèi)通過(guò)提升傳感器質(zhì)量來(lái)提高圖像分辨率，而并非單純的提高像素。

　　另一個(gè)非常明顯的例子就是HTC一反潮流的降低傳感器像素，而通過(guò)UltraPixel技術(shù)來(lái)提高成像質(zhì)量。實(shí)際上，這種技術(shù)是在傳感器尺寸不變的基礎(chǔ)上將單個(gè)像素放大，實(shí)現(xiàn)更好的進(jìn)光量，但是缺點(diǎn)就是分辨率下降，所以HTC One僅有400萬(wàn)像素的輸出尺寸。另一方面，由于HTC的這一獨(dú)特技術(shù)，即使是在光線條件不好的情況下也能夠很好的呈現(xiàn)出圖像，而這也是HTC One能夠在其它高像素手機(jī)面前毫不吃虧的法寶。

　　但是，似乎并不是所有廠商都愿意采取與HTC相同的策略，畢竟400萬(wàn)像素在目前來(lái)說(shuō)，已經(jīng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)更好的照片細(xì)節(jié)。所以，在手機(jī)領(lǐng)域，更有效的解決方案是在傳感器尺寸不變、像素不變的情況下，提升進(jìn)光量，達(dá)到更好的拍攝效果。

　　而目前主流的BIS背照式傳感器相比之前的FSI傳感器，已經(jīng)通過(guò)優(yōu)化金屬布線，沒(méi)有任何光線被遮擋，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)光量的增強(qiáng)。

　　但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)還不夠，BSI技術(shù)只是將傳感器的效率最大化，但是依然無(wú)法解決單個(gè)像素的干擾問(wèn)題。而這正是今天要介紹的ISOCELL傳感器發(fā)揮作用的地方。

　　ISOCELL傳感器能夠解決哪些問(wèn)題

　　首先，三星公司打算通過(guò)ISOCELL要解決的頭號(hào)問(wèn)題就是增大單個(gè)像素的收縮能力，像素的動(dòng)態(tài)范圍較小。通過(guò)對(duì)成像動(dòng)態(tài)范圍的對(duì)比，改善光線強(qiáng)度最輕和最暗部分的圖像質(zhì)量。

　　還有一個(gè)問(wèn)題就是隨著像素變得越來(lái)越小，會(huì)發(fā)生彼此之間抗干擾能力的減弱，造成錯(cuò)誤的感應(yīng)光源顏色和數(shù)量，這個(gè)現(xiàn)象被成為串?dāng)_。光電二極管的微小探測(cè)器會(huì)將光能部分轉(zhuǎn)化成為細(xì)微的電流，而這些電流有時(shí)會(huì)出現(xiàn)在不該出現(xiàn)的地方，造成對(duì)圖像的影響。

　　發(fā)生串?dāng)_的原因有很多，而其中最大的可能性光串?dāng)_。當(dāng)一個(gè)像素接收到更多的廣信，超過(guò)了自己的承受范圍，那么電子就會(huì)發(fā)生串?dāng)_，而這完全是建立在錯(cuò)誤的光二極管在信號(hào)傳輸過(guò)程中的電流漏出。

　　換句話說(shuō)，如我們?cè)诓东@綠色光線時(shí)，一些光子很有可能泄露成藍(lán)色或紅色，導(dǎo)致在即使沒(méi)有藍(lán)色和紅色的場(chǎng)景下出現(xiàn)電流?？梢韵胂?，這就會(huì)在原始圖像上形成輕微的變形，從而產(chǎn)生噪點(diǎn)。雖然這是不可避免的，但是依然可以通過(guò)聰明的新技術(shù)盡量減少影響。

　　總之，一個(gè)理想中的圖像傳感器可以在光線充足的情況下準(zhǔn)確的還原原始圖像，無(wú)論是多大和多廣的動(dòng)態(tài)范圍，都可以通過(guò)傳感器準(zhǔn)確的還原，并且盡可能的避免電子串行干擾。

　　ISOCELL如何工作

　　ISOCELL本質(zhì)山是在現(xiàn)有技術(shù)上的一種進(jìn)化，可以解決上面提到的串流問(wèn)題。簡(jiǎn)單地說(shuō)，便是通過(guò)在形成隔離像素與相鄰像素之間形成物理屏障，縮小它們的間隔區(qū)，避免BSI傳感器中單個(gè)像素間形成的干擾問(wèn)題，讓像素能夠獲得吸收更多光子，獲得更好的照片效果。

　　從官方數(shù)據(jù)來(lái)看，ISOCELL相比BSI能夠?qū)⒚糠N顏色的像素孤立起來(lái)，提高傳感器捕光能力，可以預(yù)計(jì)減少30%的像素串?dāng)_。但是這并不意味著最終的成像質(zhì)量同樣會(huì)提高30%，但是卻可以更好的提升清晰度和色彩表現(xiàn)，讓圖像看起來(lái)更豐富。

　　技術(shù)細(xì)節(jié)

　　ISOCELL實(shí)際上就是三星公司被稱為3D-Backside Illuminated Pixel技術(shù)的商業(yè)說(shuō)法，它具備F-DTI（Front-Side Deep-Trench Isolation）及VTG（Vertical Transfer Gate）特性。

　　F-DTI的問(wèn)題是它實(shí)際上減少了光電二極管表面的捕光能力，從而失去完整的效果。為了解決這個(gè)問(wèn)題，三星公司改變了二極管的設(shè)計(jì)，使用了VTG垂直設(shè)計(jì)方式而并非常規(guī)的臥式BSI傳感器。在使用VTG垂直方式隔離二極管之后，可以帶來(lái)很大的空間容量，因此具有很好的光敏性。

　　由于這種技術(shù)，三星公司可以將常規(guī)BSI傳感器的19%串?dāng)_減少至ISOCELL的12.5%。而新技術(shù)同樣可以擁有極佳的亮度信號(hào)（YSNR=10）值為105 lux，相比較于150 lus的BSI技術(shù)，可以完全將容量從5000 e-增加到6200 e-。

　　另外，ISOCELL還支持通過(guò)更廣泛的視角來(lái)捕捉更多的斜射光線。而這就允許使用較低的鏡頭焦距在光線良好的情況下獲得更高質(zhì)量的照片。最后在設(shè)計(jì)集成化方面，ISOCELL還能夠讓制造商們進(jìn)一步縮小相機(jī)模塊，讓手機(jī)和平板電腦變得更加輕薄，并且節(jié)省更多成本。

　　實(shí)拍效果

　　說(shuō)再多的技術(shù)細(xì)節(jié)也是乏味的，因?yàn)閷?duì)于用戶來(lái)說(shuō)，實(shí)際的拍攝效果才最重要。下面我們就來(lái)看看相同尺寸的BSI傳感器和ISOCELL傳感器的實(shí)拍對(duì)比，它們的傳感器尺寸都為1.12um。

　　首先來(lái)看看戶外拍攝場(chǎng)景?？梢钥吹剑髠?cè)的傳統(tǒng)BSI傳感器在處理光線明暗部分的景物有很大不足，會(huì)導(dǎo)致暗部景物曝光不足、過(guò)度曝光畫面發(fā)白，影響細(xì)節(jié)表現(xiàn)力。而右側(cè)的ISOCELL傳感器，能夠很好地解決這種問(wèn)題，讓過(guò)度曝光或曝光不足的景物呈現(xiàn)出更鮮艷的色彩和細(xì)節(jié)，這意味著它擁有更寬廣的動(dòng)態(tài)范圍。

　　室內(nèi)低光照環(huán)境下的拍攝效果差異也十分明顯。在環(huán)境燈照下，一張照片也會(huì)存在曝光過(guò)度及不足的情況，ISOCELL傳感器能夠很好地平衡這種狀況，實(shí)現(xiàn)更加均衡的曝光和充滿細(xì)節(jié)的照片效果。

　　對(duì)智能手機(jī)的意義

　　當(dāng)然，ISOCELL相機(jī)模塊作為一種新技術(shù)，在一開(kāi)始可能還是會(huì)存在生產(chǎn)成本高的問(wèn)題，所以最初只會(huì)出現(xiàn)在高端智能手機(jī)中，并且作為一種賣點(diǎn)來(lái)推廣。

　　另外，技術(shù)方面的障礙是像素?cái)?shù)量。三星的第一款I(lǐng)SOCELL傳感器尺寸為1.12um、800萬(wàn)像素，顯然對(duì)于旗艦手機(jī)來(lái)說(shuō)有些過(guò)低。而傳聞三星Galaxy S5將搭載1600萬(wàn)像素相機(jī)，這意味著像素翻倍，可能會(huì)增加制作難度及影響潛在的穩(wěn)定性。不過(guò)，ISOCELL技術(shù)可以按比例縮小，目前最小尺寸為0.9 um，這意味著三星可以在傳感器尺寸不變的情況下擠出更多空間來(lái)容納高像素。

　　顯然，ISOCELL相機(jī)模塊還是極具前途的，三星作為一個(gè)擁有數(shù)碼相機(jī)生產(chǎn)線的廠商，有能力將更多技術(shù)力帶入到手機(jī)相機(jī)模塊中。不過(guò)，競(jìng)爭(zhēng)也是十分激烈的，同樣擁有傳感器、相機(jī)制作實(shí)力的索尼，其1300萬(wàn)像素堆棧式BSI傳感器幾乎壟斷手機(jī)市場(chǎng)；東芝公司也在積極研發(fā)新型的雙鏡頭輔助對(duì)焦模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)“先拍照、后對(duì)焦”的功能（HTC M8或?qū)⒋钶d這種鏡頭）；而蘋果也在積極與傳感器廠商合作，為未來(lái)的iPhone配備更好的鏡頭組件。看來(lái)如果三星想要在未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)激烈的手機(jī)市場(chǎng)中成功的推廣ISOCELL技術(shù)，還需要更加努力才行。