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)勢和工作原理。現(xiàn)在就讓我們一起來了解一下在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，對畫質(zhì)提升是非常明顯的，便可以更真實(shí)的還原圖像場景。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，對于手機(jī)來說，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)品的外觀上來看更像是一臺(tái)相機(jī)而非手機(jī)。因此一般來說，智能手機(jī)廠商更愿意在有限的空間內(nèi)通過提升傳感器質(zhì)量來提高圖像分辨率，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UltraPixel技術(shù)來提高成像質(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400萬像素在目前來說，已經(jīng)無法實(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)通過優(yōu)化金屬布線，沒有任何光線被遮擋，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，但是依然無法解決單個(gè)像素的干擾問題。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題

　　首先，三星公司打算通過ISOCELL要解決的頭號(hào)問題就是增大單個(gè)像素的收縮能力，像素的動(dòng)態(tài)范圍較小。通過對成像動(dòng)態(tài)范圍的對比，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)問題就是隨著像素變得越來越小，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)傳輸過程中的電流漏出。

　　換句話說，如我們在捕獲綠色光線時(shí)，一些光子很有可能泄露成藍(lán)色或紅色，導(dǎo)致在即使沒有藍(lán)色和紅色的場景下出現(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，無論是多大和多廣的動(dòng)態(tài)范圍，都可以通過傳感器準(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題。簡單地說，便是通過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)來看，ISOCELL相比BSI能夠?qū)⒚糠N顏色的像素孤立起來，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)說法，它具備F-DTI（Front-Side Deep-Trench Isolation）及VTG（Vertical Transfer Gate）特性。

　　F-DTI的問題是它實(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還支持通過更廣泛的視角來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

　　說再多的技術(shù)細(xì)節(jié)也是乏味的，因?yàn)閷τ谟脩魜碚f，實(shí)際的拍攝效果才最重要。下面我們就來看看相同尺寸的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。

　　首先來看看戶外拍攝場景。可以看到，左側(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題，讓過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)，在一開始可能還是會(huì)存在生產(chǎn)成本高的問題，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、800萬像素，顯然對于旗艦手機(jī)來說有些過低。而傳聞三星Galaxy S5將搭載1600萬像素相機(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，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，競爭也是十分激烈的，同樣擁有傳感器、相機(jī)制作實(shí)力的索尼，其1300萬像素堆棧式BSI傳感器幾乎壟斷手機(jī)市場；東芝公司也在積極研發(fā)新型的雙鏡頭輔助對焦模塊，來實(shí)現(xiàn)“先拍照、后對焦”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，為未來的iPhone配備更好的鏡頭組件?？磥砣绻窍胍谖磥砀偁幖ち业氖謾C(jī)市場中成功的推廣ISOCELL技術(shù)，還需要更加努力才行。