3C王者

以下內容轉載自"致遠"發佈的《小米11Ultra成卡片機？ 深度解析三星新一代1/1.12"大底ISOCELL S5KGN2》，同時又根據自己的專業知識做瞭部分的加工。

這篇文章將比較深入的解析一下三星S5KGN2 1/1.12''大底，高像素，搭載ISOCELL Plus、雙原生ISO、Dual Pixel Pro這顆傳感器。 手機攝像領域有句話“底大即正義，底大壓一切”。 簡單地來說，傳感器工藝相近的情況下，等效光圈和信噪比正比於畫幅對角線的長度。

比如小米11的主攝為S5KHMX，1/1.33" 大小（對角線長度12.03mm），主鏡頭物理光圈f/1.69，等效全幅25mm f6.1。也就是說如果小米11主攝上裝的是一個完美鏡頭，光圈全開拍一張raw，在同樣的場景、同樣的快門速度，不論是景深還是噪點水準都大致相當於全幅相機裝一個26mm f6.1的鏡頭。 根據網傳信息，小米11 Ultra則把手機攝像模組的底再次加大到1/1.12"的50M S5KGN2，其對角線是小米11主攝的1.19倍。也就是同樣的場景、同樣的物理光圈，GN2的等效光圈大1.19倍、進光量多20%。

底大的優勢不言而喻。

但這個顯然不是手機廠商在手機攝像sensor大底軍備競賽中的上限。同樣的網上消息稱華為的P50已經有機型采用sony的1英寸sensor IMX800，這個尺寸，私以為，如果Lens的技術沒有革命性的提升和變化，應該是手機攝像sensor的尺寸上限。如果想要更大的sensor，那就不要強求手機的凸出高度以及厚度瞭。

下表列舉瞭手機攝像sensor大底的一些信息，供參考。

背照式設計 三星和索尼在近些年的手機CMOS上都使用瞭背照式設計。和前照式的光線先透過電路層不同，背照式CMOS讓光線首先進入感光二極管，少瞭金屬排線層對光線的阻隔，背照式設計能大幅提高傳感器的量子效率，不論是高感還是寬容度都有較大提升。

右邊背照式 vs 左邊前照式

再來一張更為淺顯的圖

ISOCELL Plus與像素間串擾 一般來說在手機這麼小的底上塞下這麼多像素，單個像素較小，像素密度很大，會帶來不可避免的像素間串擾：

像素串擾的例子

索尼的解決方案是DTI（deep trench isolation），即深槽隔離。在像素之間建立“隔離墻”，增加光線利用率、降低幹擾、提升抗噪能力和顏色純凈度：

通過DTI技術降低像素串擾

從下一張微觀結構剖面圖中也能看出DTI技術將一個個像素“隔離”瞭起來：

中間一個個“擋板”便是DTI

三星的解決方案大同小異，最初稱為ISOCELL，使用F-DTI技術，和索尼的B-DTI稍有不同。三星采用VTG技術，讓“隔板”看起來比索尼更深瞭，這也是前期宣傳中“ISOCELL隔離效果更好“的來源。但事實上第一代ISOCELL上三星使用瞭金屬屏障，和索尼初期以鈦基為襯板的思路差不多。

ISOCELL示意圖，但其實略有歧義，因為BSI和ISOCELL根本就是兩個技術

三星由於有VTG，隔板比較深

三星新一代的ISOCELL Plus取代瞭金屬屏障，轉而使用”某種新材料”以達到更好的隔離效果。從宣傳上看能達到比上一代高15%的光線利用率，而且允許0.8µm及更小的像素存在而不發生因串擾引起的性能下降

ISOCELL Plus 示意圖

事實上，國產的OV（豪威科技）也有相應的像素隔離技術，稱為“PureCel Plus-S”，采用以金屬為隔板的隔離結構，和索尼第一代B-DTI技術差不多。

OV的像素隔離

雙增益、雙原生ISO，與Smart-ISO Pro 滿阱容可以理解為傳感器最多能裝多少電子，而ISO可以理解為模數轉換後圖像亮度的數字放大倍率。在光電轉換之後、模數轉換之前，由於電荷阱產生的電壓太弱，需要進行一層模擬放大，稱為Conversion Gain，而這一層放大是決定滿阱容和原生ISO的關鍵。 一般來說，在工藝相同的情況下，滿阱容越高，原生感光度下的動態范圍越高，因為動態范圍=滿阱容/本底噪聲，而手機CMOS的本底噪聲並不占優，傳感器面積也小，必須通過擴大滿阱容的方式提高低感下的信噪比，反應在數據上就是conversion gain偏低、原生ISO偏低（如iPhone、三星 為ISO50），翻譯成人話就是“對光並不敏感，但能裝很多光子而不過曝，以求更高的動態范圍”。 但事實上提高滿阱容、降低原生ISO，對高感有負面影響。因為conversion gain偏低，為瞭達到同樣的亮度，模數轉換後的數字增益也變高瞭，從而讀出噪聲也更加明顯。 這也是為何同為IMX094，原生ISO64、滿阱容的更大的D810高感打不過D800，而原生ISO200、重視高感的D810A由於滿阱容小，底感動態並不理想，也就是傳統設計下低感動態和高感信噪比二選一的難題：

直觀對比滿阱容和高感、低感下動態范圍的關系

怎樣解決這個難題呢？沒錯，讓傳感器有兩個conversion gain、兩個原生ISO就行瞭。 索尼的解決方案稱為“DCG技術”，即“Dual Conversion Gain”，通過某種開關觸發低阱容模式，從而在高ISO下壓制讀出噪聲，達到不犧牲低感動態的前提下提高高感下的純凈度。

DCG的電路圖

從D850、a7R3那一代的全幅傳感器我們也能看出DCG技術對於高感表現的加成：

原生感光度同為ISO64的D850，在ISO400時切入低阱容、高Conversion Gain模式，壓制讀出噪聲

事實上，三星早期的”Smart-ISO“（沒有pro）也是這個思路，高阱容提動態或低阱容壓噪聲： When the lighting is low, high ISO mode converts light to voltage with higher conversion gain to express adequate detailing in shadow while reducing noise in the image. Low ISO mode also maximizes the capacity of each individual pixel to prevent oversaturation and to enhance color reproduction in brighter parts of the shot. 但其實索尼的DCG以及三星最初的Smart-ISO更確切的名稱不叫”雙原生ISO“，而是”雙增益“，因為它本質上是一個開關（dual-gain switch），在需要低阱容的時候打開開關、提高Conversion Gain，就像膠片時代可以靈活更換ISO100或IS400的膠卷一樣。但這種切換的方式並沒有做兩套完整的模擬增益，同一張圖片隻能同時使用一個原生ISO，或高阱容或低阱容，不能同時讀出高增益和低增益。 近年來三星和OV則是更進一步，直接使用兩套完整的Conversion Gain實現同時使用兩個原生ISO的目的。小米10至尊紀念版上使用的OV48C，所著重宣傳的”雙原生ISO Fusion“的原理也就是如此，兩套模擬放大同時工作再合成為一張動態范圍更高的圖像。高光處的ISO低，更不容易過曝；暗部的ISO高，提高信噪比。

兩個ISO，”切換“和”融合“的區別

而三星這邊則是稱為”Smart-ISO Pro“，光電轉換後的電信號同時經過兩套conversion gain不同的模擬增益，再通過模數轉換、去馬賽克等形成同場景下兩個原生ISO下的圖像。強大的算法再合成為一張高光細節豐富、暗部噪點也少的圖像。

三星官方宣傳簡圖

這種雙原生ISO的優勢便是更高的動態范圍和更低的暗部噪聲： Smart-ISO Pro first converts the light information of the scene into the voltage signal in both high and low ISO modes respectively. Next, the technology intelligently combines the outcome of the two modes together to create a final image with high dynamic range. This enables the image sensor to bring out the detailing of darker areas, retain the natural color of highlight areas, and ultimately produce images that are true-to-life.

因此，在”雙原生ISO“這個技術上，三星GN2是領先的。 關於HDR和四像素合一 GN2使用瞭近些年手機上比較流行的Quad-Bayer陣列，三星也稱作Tetrapixel，即四個像素為一組合並為一個大像素：

三星這種四像素和一的設計的優勢並不是所謂的暗光下“單像素大高感好”，因為有效感光面積並沒變，且沒做索尼的2x2OCL，而是可以通過同一個大像素下以對角線為分界線實現一長一短兩種曝光模式，也被稱為Quad-Bayer Coding（QBC）。亮部取短曝光高光不過曝的部分，暗部取長曝光信噪比更好的部分，從而合成為一張高動態范圍的HDR圖像：

Quad-Bayer Coding的例子（右邊）

索尼的2x2OCL則是四個像素共用一個微透鏡，是真正的”大像素“，量子效率比小像素小透鏡的三星稍高：

2x2OCL的例子

各種像素排列/微透鏡設計的優缺點，但對於resolution我認為傳統Bayer更強

而這種四像素合一的陣列也能通過一些算法（re-mosaic algorithm）還原成高像素模式，但一般來說這種算法非常復雜，效果也不盡完美，因為原有的采樣點偏移瞭，但確實能帶來稍多的細節：

Quad-Bayer還原Bayer Pattern

三星GN2的官方宣傳也是所謂的“輸出真5000w像素”，以及“夜間大像素”，但這隻是宣傳，看看就好。其像素還是一個小像素對應一個微透鏡，隻是濾光片設計在瞭一起：

三星的官方宣傳

所謂一億像素、5000w像素更多的是宣傳之便。手機傳感器受制於面積、鏡頭質量、處理速度等，做高像素輸出的意義並不大，反而是通過四像素合一、雙原生ISO等方式做好低像素輸出下的動態范圍以及控噪水平更為現實。 1200w像素左右的輸出對於手機而言剛剛好，因為大部分手機拍照的目的不是大幅打印看細節，而是網絡上傳播看個大概。這也是為何高像素手機幾乎全部使用四像素、九像素、甚至16像素合一的濾鏡陣列設計。 但如果整合的像素過多，那麼色度采樣率就很低，比如P40 Pro上16合1的廣角，因此Quad Bayer的四像素合一算是比較折中的選擇。 全像素雙核對焦與Dual Pixel Pro “全像素雙核對焦”是相位對焦的一種。 傳統的相位對焦（PDAF, Phase Detection Autofocus)是通過在像素裡預留不能成像的對焦點，通過像素遮蔽（shield pixel）的方法使光從不同方向穿過對焦點，從而進行相位檢測，再通過計算相位差的方式確定對焦偏移量，實現合焦：

相位對焦點的結構

被遮蔽的像素不能成像

不同的遮蔽像素得到相位差（Phase Difference）

但這種埋對焦點的設計的缺陷就在於被像素遮蔽的相位檢測點不能成像。如果對焦點越多，雖然對焦性能越好，但信息損失也更多，需要通過相鄰像素計算出應有的顏色，因此傳統相位對焦的覆蓋率不高。 為瞭解決這個問題，全像素雙核對焦（DPAF，Dual Pixel Autofocus）應運而生。將一個像素分為兩個光電二極管，並由此獲得2個信號（A像和B像）， 通過比較A像和B像的相位差計算出鏡頭的偏移量：

佳能DPAF的原理

光電二極管一分為二

DPAF的每個像素既能成像又能對焦，不需要專用對焦點的介入，實現瞭100%的對焦覆蓋率與更高的對焦采樣率，自然擁有瞭更快更準的對焦：

DPAF與PDAF的區別

但全像素雙核對焦的缺陷就在於光電二極管一分二、佈線更加復雜，因此填充系數 (Fill factor)，即光敏面積與其總面積之比更低，從而帶來更低的量子效率。 索尼的解決方案是2x1 OCL，即兩個像素共用一個微透鏡實現部分像素雙核對焦，可以在不影響整體量子效率的前提下兼顧采樣率：

不同的微透鏡設計實現不同的對焦方式

細心的你可能發現瞭，以上所有的對焦方式都隻能檢測同一個方向的相位差，也就是所謂的“一字對焦點”，對於特定紋理（比如橫線）檢測不到相位差。 這時就需要類似十字對焦點的索尼2x2OCL出馬瞭，一個微透鏡下四個小像素，橫向豎向相位差都能檢測，也正好對應四像素合一的Quad-Bayer陣列：

2x2OCL的示意圖

雙核對焦和2x2OCL的區別

上面講解四像素合一時已經提到，三星沒有做2x2OCL，依然是通過一個微透鏡對應兩個光電二極管，那麼GN2是怎麼實現類似十字對焦點的設計呢？ 三星Dual Pixel Pro使用瞭一個比較“取巧”的雙核對焦方案。紅藍像素上使用瞭豎向的分割，而綠像素則四個為一組做左/右向分割。它本質上還是全像素雙核對焦，但這樣的分割方式避免瞭單一方向對焦點不能檢測特定紋理的缺陷：

Dual Pixel Pro的雙像素分割方式

這種雙像素的結構雖然比不上2x2OCL，但相比於前幾代的DPAF還是有不少進步的。 潑些冷水：手機邊緣畫質和厚度問題 影像是一個系統工程，尤其是對於手機這種尺寸和厚度都有要求的產品來說，一個好的傳感器並不能代表高畫質，而鏡組、ISP、算法等才是真正決定水平的關鍵。 一般來說，鏡頭的光圈越大、像場越大，對於體積和厚度的需求更高，邊角畫質也更難控制。 GN2用上瞭接近1英寸的大底，如果保全邊角縮光圈則與小底拉不開差距；大光圈放棄邊角則可能出圖靠裁切，與小底無異；如果光圈與畫質都要，那麼厚度上天。三星s20ultra的近攝球差、華為P40Pro主攝靠裁切，就是以大底為賣點但又用不好大底的典型。 從爆料來看，小米11Ultra是有決心做最佳拍照手機的，後鏡組又大又厚，十分顯眼：

我對於這種軍備競賽型的產品不置可否，因為小米10 Ultra的攝像頭配置已經足夠誇張、為重量和厚度做的取舍已經足夠多瞭。 再出一個更厚、更重的產品，除瞭撐門面搶DXO第一，在日常使用中和稍小一檔的底也拉不開差距，雖然能和1英寸的入門相機掰掰手腕，但都不足以和m43以上的任何畫幅做比較。 更有傳言說華為P50系列會使用一英寸的IMX800和更誇張的鏡組。手機不是相機，也不可能成為相機，對畫質有需求的消費者自然會選擇更專業的設備：

為什麼現在手機像素比單反還高卻不能代替單反的地位？www.zhihu.com

總結 顯然，三星GN2將會成為今年手機端CMOS名列前茅的存在。 驚人的感光面積，ISOCELL Plus降低像素間串擾，雙原生ISO對動態范圍的加持，Quad-Bayer陣列實現近乎實時的HDR，創新的雙核像素分割方式達成更全能的對焦，可謂是”參數爆表“。 對三星贊許的同時，但也要意識到它在傳感器領域並不是獨一份的存在。索尼2x2OCL能達成更高的量子效率以及更大微透鏡下的”大像素“，論同面積下的理論畫質還是更高一籌，但索尼使用DCG切換滿阱容，在雙原生ISO這一點上還是稍落後瞭些。 至於真正的產品如何還是得真機到手後才知道，但就小米11Ultra爆料地來看，是一個犧牲重量和厚度、極度追求畫質的產品。之前米10Ultra的調教水平就很不錯，擁有大底加持的米11Ultra當個一段時間的世界第一還是很有希望的。