三星Galaxy S5摄像头剖析：出色的ISOCELL传感器

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     对于普通消费者来说，一款智能手机在拍照功能上是否强大最直观的指标就是像素多少，因此像素也是许多厂商最喜欢在上面做文章的地方。似乎只要像素越高，在普通消费者的心中拍照效果就越好，就能够解决所有的问题。但是其实除了像素之外，决定一款手机拍照效果究竟如何，还有许多其它重要的特性，尤其是一枚高质量的图像传感器。而在刚刚落幕的MWC2014世界移动大会上发布的三星GalaxyS5所配备的ISOCELL传感器就是其中的优秀代表。
　　ISOCELL这种技术传感器可以增加传感器的感光性，即使是在照明条件比较差的环境下仍然能够带来更高的色彩保真度，而这与之前三星公司所使用的BSI传感器相比，是非常明显的进步。
　　在GalaxyS5上市之后，我们将会陆续看到更多关于ISOCELL传感器的报道。而ISOCELL不仅仅作为一个专业名词，更重要的是理解它的技术优势和工作原理。现在就让我们一起来了解一下在GalaxyS5身上出现的ISOCELL传感器的详细原理。
　　
           高质量的图像传感器非常重要

　　决定一种图像传感器好与坏最大的影响因素就是进光量，它可以决定每个像素点能捕获多少光线。如果一个传感器的每个像素体积更大，便容易承载更多光线，对画质提升是非常明显的，便可以更真实的还原图像场景。所以，全画幅数码相机通常用于非常棒的拍摄效果，因为传感器尺寸够大，每个像素相比小画幅产品拥有更多空间、也就能够获得更多光线。不过，对于手机来说，集成更大尺寸的传感器就意味着手机体积、耗电量增加，这与智能手机更轻更薄、节约省电的趋势是矛盾的，比如三星GalaxyS4zoom这样直接集成相机传感器和镜头的产品，就是一个典型的例子，从产品的外观上来看更像是一台相机而非手机。因此一般来说，智能手机厂商更愿意在有限的空间内通过提升传感器质量来提高图像分辨率，而并非单纯的提高像素。
　　另一个非常明显的例子就是HTC一反潮流的降低传感器像素，而通过UltraPixel技术来提高成像质量。实际上，这种技术是在传感器尺寸不变的基础上将单个像素放大，实现更好的进光量，但是缺点就是分辨率下降，所以HTCOne仅有400万像素的输出尺寸。另一方面，由于HTC的这一独特技术，即使是在光线条件不好的情况下也能够很好的呈现出图像，而这也是HTCOne能够在其它高像素手机面前毫不吃亏的法宝。
但是，似乎并不是所有厂商都愿意采取与HTC相同的策略，毕竟400万像素在目前来说，已经无法实现更好的照片细节。所以，在手机领域，更有效的解决方案是在传感器尺寸不变、像素不变的情况下，提升进光量，达到更好的拍摄效果。
　　而目前主流的BIS背照式传感器相比之前的FSI传感器，已经通过优化金属布线，没有任何光线被遮挡，实现了进光量的增强。

　　但这远远还不够，BSI技术只是将传感器的效率最大化，但是依然无法解决单个像素的干扰问题。而这正是今天要介绍的ISOCELL传感器发挥作用的地方。
　　
       ISOCELL传感器能够解决哪些问题
　　首先，三星公司打算通过ISOCELL要解决的头号问题就是增大单个像素的收缩能力，像素的动态范围较小。通过对成像动态范围的对比，改善光线强度最轻和最暗部分的图像质量。
　　还有一个问题就是随着像素变得越来越小，会发生彼此之间抗干扰能力的减弱，造成错误的感应光源颜色和数量，这个现象被成为串扰。光电二极管的微小探测器会将光能部分转化成为细微的电流，而这些电流有时会出现在不该出现的地方，造成对图像的影响。
　　发生串扰的原因有很多，而其中最大的可能性光串扰。当一个像素接收到更多的广信，超过了自己的承受范围，那么电子就会发生串扰，而这完全是建立在错误的光二极管在信号传输过程中的电流漏出。

　　换句话说，如我们在捕获绿色光线时，一些光子很有可能泄露成蓝色或红色，导致在即使没有蓝色和红色的场景下出现电流。可以想象，这就会在原始图像上形成轻微的变形，从而产生噪点。虽然这是不可避免的，但是依然可以通过聪明的新技术尽量减少影响。
　　总之，一个理想中的图像传感器可以在光线充足的情况下准确的还原原始图像，无论是多大和多广的动态范围，都可以通过传感器准确的还原，并且尽可能的避免电子串行干扰。


         ISOCELL如何工作

　　ISOCELL本质山是在现有技术上的一种进化，可以解决上面提到的串流问题。简单地说，便是通过在形成隔离像素与相邻像素之间形成物理屏障，缩小它们的间隔区，避免BSI传感器中单个像素间形成的干扰问题，让像素能够获得吸收更多光子，获得更好的照片效果。
　　从官方数据来看，ISOCELL相比BSI能够将每种颜色的像素孤立起来，提高传感器捕光能力，可以预计减少30%的像素串扰。但是这并不意味着最终的成像质量同样会提高30%，但是却可以更好的提升清晰度和色彩表现，让图像看起来更丰富。
　　
              技术细节

　　ISOCELL实际上就是三星公司被称为3D-BacksideIlluminatedPixel技术的商业说法，它具备F-DTI（Front-SideDeep-TrenchIsolation）及VTG（VerticalTransferGate）特性。
　　F-DTI的问题是它实际上减少了光电二极管表面的捕光能力，从而失去完整的效果。为了解决这个问题，三星公司改变了二极管的设计，使用了VTG垂直设计方式而并非常规的卧式BSI传感器。在使用VTG垂直方式隔离二极管之后，可以带来很大的空间容量，因此具有很好的光敏性。

　　由于这种技术，三星公司可以将常规BSI传感器的19%串扰减少至ISOCELL的12.5%。而新技术同样可以拥有极佳的亮度信号（YSNR=10）值为105lux，相比较于150lus的BSI技术，可以完全将容量从5000e-增加到6200e-。

　　另外，ISOCELL还支持通过更广泛的视角来捕捉更多的斜射光线。而这就允许使用较低的镜头焦距在光线良好的情况下获得更高质量的照片。最后在设计集成化方面，ISOCELL还能够让制造商们进一步缩小相机模块，让手机和平板电脑变得更加轻薄，并且节省更多成本。

　　实拍效果
　　说再多的技术细节也是乏味的，因为对于用户来说，实际的拍摄效果才最重要。下面我们就来看看相同尺寸的BSI传感器和ISOCELL传感器的实拍对比，它们的传感器尺寸都为1.12um。
　　首先来看看户外拍摄场景。可以看到，左侧的传统BSI传感器在处理光线明暗部分的景物有很大不足，会导致暗部景物曝光不足、过度曝光画面发白，影响细节表现力。而右侧的ISOCELL传感器，能够很好地解决这种问题，让过度曝光或曝光不足的景物呈现出更鲜艳的色彩和细节，这意味着它拥有更宽广的动态范围。

　　室内低光照环境下的拍摄效果差异也十分明显。在环境灯照下，一张照片也会存在曝光过度及不足的情况，ISOCELL传感器能够很好地平衡这种状况，实现更加均衡的曝光和充满细节的照片效果。
　　
     对智能手机的意义
　　当然，ISOCELL相机模块作为一种新技术，在一开始可能还是会存在生产成本高的问题，所以最初只会出现在高端智能手机中，并且作为一种卖点来推广。
　　另外，技术方面的障碍是像素数量。三星的第一款ISOCELL传感器尺寸为1.12um、800万像素，显然对于旗舰手机来说有些过低。而传闻三星GalaxyS5将搭载1600万像素相机，这意味着像素翻倍，可能会增加制作难度及影响潜在的稳定性。不过，ISOCELL技术可以按比例缩小，目前最小尺寸为0.9um，这意味着三星可以在传感器尺寸不变的情况下挤出更多空间来容纳高像素。
　　显然，ISOCELL相机模块还是极具前途的，三星作为一个拥有数码相机生产线的厂商，有能力将更多技术力带入到手机相机模块中。不过，竞争也是十分激烈的，同样拥有传感器、相机制作实力的索尼，其1300万像素堆栈式BSI传感器几乎垄断手机市场；东芝公司也在积极研发新型的双镜头辅助对焦模块，来实现“先拍照、后对焦”的功能（HTCM8或将搭载这种镜头）；而苹果也在积极与传感器厂商合作，为未来的iPhone配备更好的镜头组件。看来如果三星想要在未来竞争激烈的手机市场中成功的推广ISOCELL技术，还需要更加努力才行。