三星的2亿像素CIS,是噱头吗?

本文来自格隆汇专栏:半导体行业观察

本周,三星 LSI 推出了一种新的相机传感器,似乎正在推动手机分辨率的极限。新的 S5KHP1,或简称为 HP1 传感器,将分辨率提高到 2亿像素以上,几乎是当今手机的当代硬件中部署的分辨率的两倍。

新传感器很有趣,因为它标志着一种新的 binning机制的实现,超越了当前部署的 Quad-Bayer或“Nonapixel”,而是一种新的“ChameleonCell” binning机制既能够在 2x2 结构中采用 4:1  binning,也能够在 4x4 结构中采用 16:1  binning。

我们熟悉三星的 108MP 传感器已经有一段时间了,因为它们在三星手机和小米设备中已经被采用了两年多,尽管传感器配置略有不同。最熟悉的实现可能是 S20 Ultra 和 S21 Ultra 系列中的 HM1 和 HM3 模块,它们实现了“Nonapixel”9:1 像素合并技术,将 9 个像素聚合为 1 个像素,以便在大多数情况下进行常规 12MP 捕获。

9:1 方案的一个问题是,您必须在两种分辨率模式之间有效地放大 3 倍,对于 S21 Ultra 等设备,这主要是一种冗余功能模式,因为手机有一个专用的 3 倍长焦模块以更大的像素尺寸实现类似的像素空间分辨率。

8K 视频录制是一个用例,当原生 108MP 分辨率有意义时,但即使在这里,问题是原始分辨率远高于 8K 视频所需的 33MP,这意味着手机必须遭受非常大的视野裁剪因为它不支持从 108MP 到 33MP 的分辨率超级采样。

新的 HP1 传感器现在有两种binning模式:4:1 和 16:1。4:1 模式有效地将 201MP 原始分辨率转换为 50MP 捕获,当裁剪成 12.5MP 视图帧时,将产生 2 倍放大率,这将更符合我们在 Quad-Bayer 传感器中使用的情况。事实上,这里的结果几乎与 Quad-Bayer 传感器一致,因为 HP1 的原生滤色器仍然只有 12.5MP,这意味着单个 R/G/B 滤色器站点覆盖 16 个原生像素。

4:1 / 2x2 binning模式更有用,因为通常这里的质量仍然很好,并且允许移动设备供应商支持高质量的 2 倍放大拍摄模式,而无需额外的相机模块,这是很多人都在使用的东西设备,但由于结构妥协,三星自己的 108MP 3x3 binning传感器已丢失。三星 LSI 在此甚至表示 HP1 将能够实现 8K 视频录制,并且由于更少的裁剪要求,视野损失要小得多。


200MP可能毫无意义?


这将我们引向传感器的实际原始分辨率,即 201MP 模式;在这里,传感器的原始像素间距仅为 0.64μm,这是我们在业内所见的极小和最小的像素间距。这里同样很奇怪的是,由于 2.56 微米大小的滤色器,颜色分辨率在空间上降低了 4 倍,因此去马赛克算法(demosaicing algorithm)必须比我们迄今为止看到的通常的 Quad-Bayer 或 Nonapixel 实现做更多的工作。

在如此小的像素间距下,我们遇到了不同的问题,这就是衍射极限。通常,此类大型传感器用作“广角”模块,因此它们的孔径通常介于 f/1.6 和 f/1.9 之间——HP1 是 1/1.22” 光学格式传感器,比 S21 Ultra 中的 HM3 大 19% ,所以也许 f/1.9 光圈更真实。f/1.9 的情况下,airy disk的最大强度中心直径为 1.15μm,通常我们倾向于说空间分辨率明显下降的衍射极限是其两倍——大约 2.3μm,远远超出传感器的像素尺寸为 0.64μm。

200MP 模式可能有一些轻微的好处,并且能够比 50MP 更好地解决问题,但是我非常怀疑我们会看到比当前的 108MP 传感器有多大优势。从这个意义上说,在我看来,这是一种毫无意义的模式。

顶部:f/6.4 时 3.76 微米原生像素

底部:f/4.9 时 1.22 微米原生像素

话虽如此,我们确实看到市场上的相机实现在传感器像素大小和光学方面远高于衍射极限。例如,上面我取出了两张 1:1 像素的裁剪图——一张来自实际的相机和镜头,另一张来自 Galaxy S21 Ultra 的潜望镜模块。理论上,除了玻璃光学质量之外,我们应该会看到有些相似的分辨率,但很明显 S21U 显示的实际空间分辨率要低得多。这里的一个重要原因再次是衍射极限,其中 S21U 的潜望镜在 1.22μm 像素和 f/4.9 光圈下有一个 5.9μm 的airy disk,或像素大小的 4.82 倍,这意味着无法在物理上进一步解析入射光比实际传感器分辨率的四分之一。

为了让 HP1 传感器能够利用其 200MP 模式,它需要有一个非常大的光圈光学元件来避免衍射,一个非常高质量的玻璃来实际解决细节,并且不需要非常苛刻的高动态范围场景,由于小像素的满井容量极低。

为了缓解动态范围问题,三星确实表示该传感器采用了最新技术:更好的深沟槽隔离应该增加像素的全阱容量,同时还支持双增益转换器以及交错的 HDR 捕捉。

就更现代的功能而言,传感器缺少的一件事是全传感器双像素自动对焦,三星指出它改为使用“双超级 PD”,专用 PD 站点是现有超级 PD 实现的两倍,例如在 HM3 上.

总的来说,HP1 看起来很有趣,但我不能否认传感器的 200MP 模式几乎没有实际好处。理论上,设备能够以相当合理的质量覆盖从 1 倍到 5 倍的放大倍率范围,并且可能避免在该焦距上使用专用模式,但是我们必须看看供应商如何围绕传感器设计他们的相机系统. 然而,新的 2x2 合并模式是受欢迎的,仅仅是因为它比当前 108MP 传感器中的 3x3 模式更通用,并且应该为现实世界的相机体验带来巨大好处,即使原生 200MP 模式没有按照广告宣传。