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 )陸續看到更多關(guān)于ISOCELL傳感器的報道。而ISOCELL不僅僅作為一個(gè)專(zhuān)業(yè)名詞，更重要的是理解它的技術(shù)優(yōu)勢和工作原理?，F在就讓我們一起來(lái)了解一下在Galaxy S5身上出現的ISOCELL傳感器的詳細原理。

　　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(xiàn)。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(xiàn)，對畫(huà)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(huà)幅數碼相機通常用于非常棒的拍攝效果，因為傳感器尺寸夠大，每個(gè)像素相比小畫(huà)幅產(chǎn)品擁有更多空間、也就能夠獲得更多光線(xiàn)。不過(guò)，對于手機來(lái)說(shuō)，集成更大尺寸的傳感器就意味著(zhù)手機體積、耗電量增加，這與智能手機更輕更薄、節約省電的趨勢是矛盾的，比如三星Galaxy S4 zoom這樣直接集成相機傳感器和鏡頭的產(chǎn)品，就是一個(gè)典型的例子，從產(chǎn)品的外觀(guān)上來(lái)看更像是一臺相機而非手機。因此一般來(lái)說(shuō)，智能手機廠(chǎng)商更愿意在有限的空間內通過(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上將單個(gè)像素放大，實(shí)現更好的進(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的這一獨特技術(shù)，即使是在光線(xiàn)條件不好的情況下也能夠很好的呈現出圖像，而這也是HTC One能夠在其它高像素手機面前毫不吃虧的法寶。

　　但是，似乎并不是所有廠(chǎng)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)現更好的照片細節。所以，在手機領(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(xiàn)，沒(méi)有任何光線(xiàn)被遮擋，實(shí)現了進(jìn)光量的增強。

　　但這遠遠還不夠，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)對成像動(dòng)態(tài)范圍的對比，改善光線(xiàn)強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(zhù)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，造成錯誤的感應光源顏色和數量，這個(gè)現象被成為串擾。光電二極管的微小探測器會(huì )將光能部分轉化成為細微的電流，而這些電流有時(shí)會(huì )出現在不該出現的地方，造成對圖像的影響。

　　發(fā)生串擾的原因有很多，而其中最大的可能性光串擾。當一個(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)生串擾，而這完全是建立在錯誤的光二極管在信號傳輸過(guò)程中的電流漏出。

　　換句話(huà)說(shuō)，如我們在捕獲綠色光線(xiàn)時(shí)，一些光子很有可能泄露成藍色或紅色，導致在即使沒(méi)有藍色和紅色的場(chǎng)景下出現電流?？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(xiàn)充足的情況下準確的還原原始圖像，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，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。

　　從官方數據來(lái)看，ISOCELL相比BSI能夠將每種顏色的像素孤立起來(lái)，提高傳感器捕光能力，可以預計減少30%的像素串擾。但是這并不意味著(zhù)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，讓圖像看起來(lái)更豐富。

　　技術(shù)細節

　　ISOCELL實(shí)際上就是三星公司被稱(chēng)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計，使用了VTG垂直設計方式而并非常規的臥式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BSI傳感器的19%串擾減少至ISOCELL的12.5%。而新技術(shù)同樣可以擁有極佳的亮度信號（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(xiàn)。而這就允許使用較低的鏡頭焦距在光線(xiàn)良好的情況下獲得更高質(zhì)量的照片。最后在設計集成化方面，ISOCELL還能夠讓制造商們進(jìn)一步縮小相機模塊，讓手機和平板電腦變得更加輕薄，并且節省更多成本。

　　實(shí)拍效果

　　說(shuō)再多的技術(shù)細節也是乏味的，因為對于用戶(hù)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)拍對比，它們的傳感器尺寸都為1.12um。

　　首先來(lái)看看戶(hù)外拍攝場(chǎng)景?？梢钥吹?，左側的傳統BSI傳感器在處理光線(xiàn)明暗部分的景物有很大不足，會(huì )導致暗部景物曝光不足、過(guò)度曝光畫(huà)面發(fā)白，影響細節表現力。而右側的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出更鮮艷的色彩和細節，這意味著(zhù)它擁有更寬廣的動(dòng)態(tài)范圍。

　　室內低光照環(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)現更加均衡的曝光和充滿(mǎn)細節的照片效果。

　　對智能手機的意義

　　當然，ISOCELL相機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 )出現在高端智能手機中，并且作為一種賣(mài)點(diǎn)來(lái)推廣。

　　另外，技術(shù)方面的障礙是像素數量。三星的第一款I(lǐng)SOCELL傳感器尺寸為1.12um、800萬(wàn)像素，顯然對于旗艦手機來(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，這意味著(zhù)像素翻倍，可能會(huì )增加制作難度及影響潛在的穩定性。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(zhù)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相機模塊還是極具前途的，三星作為一個(gè)擁有數碼相機生產(chǎn)線(xiàn)的廠(chǎng)商，有能力將更多技術(shù)力帶入到手機相機模塊中。不過(guò)，競爭也是十分激烈的，同樣擁有傳感器、相機制作實(shí)力的索尼，其1300萬(wàn)像素堆棧式BSI傳感器幾乎壟斷手機市場(chǎng)；東芝公司也在積極研發(fā)新型的雙鏡頭輔助對焦模塊，來(lái)實(shí)現“先拍照、后對焦”的功能（HTC M8或將搭載這種鏡頭）；而蘋(píng)果也在積極與傳感器廠(chǎng)商合作，為未來(lái)的iPhone配備更好的鏡頭組件?？磥?lái)如果三星想要在未來(lái)競爭激烈的手機市場(chǎng)中成功的推廣ISOCELL技術(shù)，還需要更加努力才行。