Рядовые пользователи привыкли измерять качество камеры телефона «мегапиксельностью». Чем больше — тем лучше! И производители устройств знают об этом, постоянно наращивая данный показатель в своих изделиях. Числа всегда проще сравнивать, чем вдаваться в тонкие технические подробности, понятные далеко не каждому. Тем не менее есть ряд иных важных факторов, характеризующих качество сенсора. Сегодня мы поговорим о сенсоре «с изолированной ячейкой» ISOCELL, ставшем одной из важнейших аппаратных «изюминок» Galaxy S5.
Ценители качественной съемки по крайней мере слышали о «самсунговском» сенсоре изображений ISOCELL, который нашел свое практическое воплощение в Galaxy S5. Эта новая технология обещает повысить светочувствительность и увеличить точность цветопередачи даже в условиях плохого освещения. Для Samsung это очередной шаг эволюции сенсоров с тыльной подсветкой (backside-illuminated sensors, BSI).
В ближайшие месяцы мы узнаем о технологии ISOCELL много нового. Но уже сейчас можно сказать, что это не просто очередной заумный термин, это технология, особенности которой важно осознавать каждому, кому небезразличны высокие технологии и дальнейшее развитие Android-мира. Роберт Триггс из коллектива обозревателей ресурса Android Authority изложил то представление о данной технологии, которое сложилось у представителей ресурса, лично присутствовавших на презентации новинки.
Содержание
Конструирование высококачественного сенсора изображений
Одним из самых значимых факторов, определяющих общее качество сенсора изображений, является тот объем света, который может быть уловлен каждым пикселем. Чем больше света может уловить сенсор, тем более точно будет передана исходная сцена на снимке. Это, разумеется, самое простое описание. Поэтому более крупный размер отдельного пикселя положительно сказывается на качестве изображения, поскольку каждый из пикселей способен уловить больше света.
Разумеется, чем больше размер пикселя, тем меньше их поместится на сенсоре камеры. Итогом станет уменьшение разрешения (пострадает «мегапиксельность», на которую ориентируются многие пользователи) и менее детализированное изображение.
Обычно разработчики смартфонов более заинтересованы разместить на сенсоре побольше маленьких пикселей, чтобы увеличить разрешение. Светочувствительность интересует их в меньшей степени.
Примечательным исключением является HTC, которая стремилась остаться за пределами тренда по уменьшению размера пикселей со своей технологией UltraPixel. Данная технология предполагает достаточно крупные пиксели. По этой причине HTC вынуждена была сократить разрешение камеры One до незначительных по сегодняшним меркам 4 мегапикселей. Обратной стороной такого подхода явилось то, что One мог делать качественные снимки даже в таких условиях, которые не могли одолеть другие камеры.
Разумеется, по стопам HTC может себе позволить пойти далеко не каждый производитель, поэтому производители сенсоров вкладывают миллиарды долларов США в разработку сенсоров, которые могут одновременно похвастаться и высоким разрешением, и хорошей светочувствительностью. И все это в пределах тех ограничений, которые накладываются конструкцией смартфона.
В стремлении научить миниатюрный пиксель улавливать больше света, производители проделали долгий путь по увеличению эффективности сенсора: от уменьшения расстояний между пикселями до реализации тыльной подсветки, повышающей эффективность, препятствуя металлическим проводкам, к которым крепится каждый пиксель, преграждать свету дорогу. Сенсор с тыльной подсветкой улавливает больше фотонов по сравнению с FSI-сенсором (сенсором с фронтальной подсветкой), в которых металлические проводки отражают часть поступающего света.
Но технология тыльной подсветки лишь увеличивает эффективность сенсора. Другой большой проблемой мобильных сенсоров изображений являются взаимные искажения сигналов, иначе называемые перекрестными помехами. И здесь в игру вступает технология ISOCELL.
Какие проблемы решает ISOCELL?
Главная проблема, которую стремились решить «самсунговцы» при помощи ISOCELL состоит в том, что при уменьшении размера пикселя заряд, который он способен удержать до полного «насыщения», снижается. Это означает, что динамический диапазон пикселя становится меньше. Под динамическим диапазоном следует понимать разницу в интенсивности между самой яркой и самой темной частями изображения.
Есть и другая проблема постоянного уменьшения размера пикселя, которая состоит в том, что фотодиоды некорректно воспринимают цвет и количество света из-за перекрестных помех. Фотодиоды являются очень маленькими детекторами, которые преобразуют свет в электрический ток, который затем обрабатывается чипом сенсора. Результатом обработки становится изображение.
Эти взаимные искажения сигналов происходят, когда часть света, предназначенная одному светодиоду, теряется под воздействием соседних. В результате ток ослабевает.
Перекрестные помехи возникают по самым различным причинам. Чаще всего свет просто «отскакивает» от поверхности диода. Это явление называется световыми перекрестными помехами. Если пиксель принимает больше света, чем он способен воспринять (количество света превосходит уровень его насыщения), происходят электронные перекрестные помехи, которые приводят к созданию тока не теми светодиодами, что надо. Причиной тому становится утечка электрического сигнала к соседним диодам.
Пример утечки вследствие перекрестных помех между отдельными цветовыми пикселями, носящих как световой, так и электронный характер
Иными словами, если надо сформировать зеленый цвет, часть фотонов могут «утечь» в сторону синего и красного, породив слабый ток в соответствующих фотодиодах даже в том случае, если в снимаемой сцене и вовсе не было ни красного, ни синего. Как нетрудно догадаться, это приведет к искажению итоговой фотографии по сравнению с исходной картиной реального мира, а также снижению ее четкости. Перекрестные помехи неизбежны, но их можно снизить с использованием умных производственных технологий.
Идеальный сенсор изображений может улавливать достаточно света для того, чтобы корректно передать на фотографии исходную сцену в реальном мире. Это лежит в области расширения спектра и динамического диапазона и заключается в создании сенсора с корректным восприятием, который позволит обойти как можно больше случаев перекрестных помех.
Как работает ISOCELL?
ISOCELL по своей сути является эволюционным развитием известных ранее технологий и стремится решить проблемы подсветки.
Прежде всего, технология ISOCELL направлена на решение проблемы перекрестных помех путем изоляции каждого отдельного пикселя физическим барьером, отсюда и «ISO» в названии, что означает «изоляция». Эти барьеры обеспечивают попадание соответствующих фотонов в предназначенные им ячейки. В итоге становятся более вероятным «впитывание» этого света тем фотодиодом, которым надо.
По сравнению с обычными пикселями сенсора с тыльной подсветкой, ожидается, что ISOCELL снизит уровень перекрестных помех и увеличит емкость потенциальной ямы (способность удерживать заряд) матрицы приблизительно на 30 % по той причине, что каждый отдельный цветовой пиксель изолирован. Но это не значит, что качество изображения автоматически увеличится на те же 30 %, результатом станет улучшенная верность цветовоспроизведения. Проявится это в незначительном улучшении резкости и насыщенности.
Технические детали
ISOCELL является коммерческим наименованием технологии Samsung, которая носит более длинное и менее запоминающееся широким массам имя: 3D-Backside Illuminated Pixel with Front-Side Deep-Trench Isolation (F-DTI) and Vertical Transfer Gate (VTG). То есть трехмерные пиксели с тыльной подсветкой и глубокой фронтальной изоляцией, а также вертикальным переключателем перемещения.
Проблема изоляции светодиода состоит в том, что она уменьшает поверхность диода, способную улавливать свет и, тем самым снижает емкость потенциальной ямы. Чтобы решить эту проблему, Samsung изменила конструкцию фотодиодов и стала использовать компоненты VTG (Vertical Transfer Gate, вертикальные переключатели перемещения) вместо горизонтальных, которые можно найти в обычных BSI-сенсорах. Применение VTG позволяет Samsung изолировать фотодиоды и при этом сохранить большую глубину потенциальной ямы, а соответственно и хорошую светочувствительность.
Благодаря вышерассмотренной технологии, Samsung снижает уровень перекрестных помех с 19 % (характерно для традиционных BSI-сенсоров) до 12,5 % (ISOCELL). Новая технология обладает отличным соотношением сигнала яркости к шуму (YSNR =10): 105 люкс (традиционная BSI-технология: 150 люкс). Глубина потенциальной ямы увеличена с 5000 e- (в аналогичной BSI-матрице) до 6200 e- (ISOCELL).
ISOCELL также дает возможность обеспечить более широкий угол обзора, улавливая больше света, падающего наклонно. Это позволяет использовать линзы с меньшим F-числом (отношение фокусного расстояния к диаметру диафрагмы). Высокое качество изображений в меньшей степени зависит от условий съемки. ISOCELL дает разработчикам возможность более свободно уменьшать высоту модуля и увеличивать покрытие пиксельного массива. Сенсоры будут способны поместиться даже в меньшем корпусе. В потенциале это ведет к снижению компаниями производственных затрат.
Чем ISOCELL поможет смартфонам
ISOCELL сулит улучшение качества изображений в целом. Проявится это в улучшении резкости и расширении динамического диапазона, а также большем соответствии фотографии снятой сцены реального мира.
BSI по сравнению с ISOCELL
ISOCELL окажет влияние не только на качество снимков, но и на себестоимость разработки камер для смартфонов. Новая технология предполагает более сложный производственный процесс, а это значит, что камеры, вероятно, станут несколько дороже, чем сейчас. Этот фактор делает ISOCELL технологией, ориентированной на устройства премиального класса. По крайней мере, по состоянию на сегодняшний день.
Первым «самсунговским» сенсором, в котором нашла применение данная технология, станет 8-мегапиксельная матрица с 1,12-микронным пикселем. В конечном итоге Samsung может увеличивать «мегапиксельность» сенсоров, не слишком жертвуя качеством изображения, которое теряется вследствие шумов и перекрестных помех. Следует помнить, что 16-мегапиксельная версия обсуждалась в слухах о Samsung Galaxy S5. В этой технологии на данный момент применяются 0,9-микронные пиксели, а это значит, что в будущем «самсунговцы» смогут даже увеличить «мегапиксельность» камер своих телефонов.
Уменьшение размера модуля камеры означает, что потребитель останется в выигрыше, поскольку компоненты станут меньше и потенциально дешевле. А конструкторы решат, на что «потратить» освободившееся пространство. Возможно, на совершенствование других аспектов технологии производства камер. Например, смогут использоваться лучшие линзы и системы оптической стабилизации. Уменьшение размера камеры означает, что телефоны можно будет делать еще более тонкими и комплектовать более емкими аккумуляторными батареями.
ISOCELL — многообещающая новая технология, призванная упрочить статус Samsung в качестве лидера номер один мобильной индустрии. Представители южнокорейской корпорации ясно дали понять, что в 2014 году ISOCELL станет отличительным знаком премиальных мобильных устройств. А это значит, что Galaxy S5 и широко обсуждаемый Note 4 могут стать первыми устройствами, которые сорвут овации и пожнут плоды успеха рассмотренной выше технологии.
https://www.youtube.com/watch?v=qt2u8RH47lk
