小米11 ultra 1/1.12，小米11ultra+199
chanong
|以下内容转载自《智根》杂志第《小米11Ultra成卡片机？ 深度解析三星新一代1/1.12"大底ISOCELL S5KGN2》号，并根据自己的专业知识进行了部分编辑。
本文对搭载ISOCELL Plus、双原生ISO 和双Pixel Pro 传感器的高像素三星S5KGN2 1/1.12 英寸外底进行更详细的分析。手机摄影界有一句话：“大即正义，大则压倒一切”。简单来说，如果传感器技术相似，等效孔径和信噪比与帧对角线长度成正比。
例如，小米11的主摄像头为S5KHMX，1/1.33'尺寸（对角线长度12.03mm），主镜头物理光圈为f/1.69，相当于全画幅25mm f6.1。也就是说，如果小米11的主摄配备了完美的镜头，在光圈全开的情况下拍摄RAW图像，那么在相同的场景、相同的快门速度下，景深和噪点都会发生变化。马苏。它大致相当于全画幅相机上的26mm f6.1 镜头。据网上资料显示，小米11至尊纪念版将手机底部摄像头模组放大至1/1.12英寸50M S5KGN2，其对角线是小米11主摄像头的1.19倍。所以对于相同场景、相同物理光圈，GN2的等效光圈为1.19x，进光量多出20%。
基地大的优势不言而喻。
不过，很显然，这并不是手机厂商在手机摄像头传感器大底军备竞赛中的上限。同网上的消息称，华为的P50已经有采用索尼1英寸传感器IMX800的型号，但我个人认为，如果没有镜头技术的创新改进和改变，这个尺寸是行不通的，我认为这应该是尺寸的上限手机的摄像头传感器。如果您想要更大的传感器，请不要纠结于手机的突出高度和厚度。
下表提供了有关手机摄像头传感器外底的信息，供您参考。
制表、佐朗厂家型号
制造商型号
尺寸
像素
像素
手机
索尼IMX800
1分钟
P50？
三星S5KGN2
1/1.12”
5000万块手表制造，Takuro
1.4微米
小米11至尊纪念版
索尼IMX700
1/1.28”
50公尺
1.22微米
华为P40系列、Mate40系列、Mate X2、荣耀30 Pro+、
三星S5KGN1
1/1.31”
50公尺
1.2微米
vivo X50Pro+、X60 Pro+、IQOO 5/5 Pro
OVT豪威OV48C
1/1.32”
48M
0.8um骨料，云浪
小米10至尊纪念版
背照式设计三星和索尼最近在其手机中采用了背照式CMOS 设计。与先穿过电路层的前照式CMOS 不同，背照式CMOS 允许光线首先进入光敏二极管，而不会被金属布线层阻挡，从而显着提高量子效率。传感器灵敏度和电阻得到显着提高。
右侧为背照式，左侧为前照式
这是另一个更简单的图
ISOCELL Plus 与像素间串扰一般来说，当如此多的像素被封装在如此小的手机底座中时，单个像素很小且像素密度非常高，因此不可避免地存在像素间串扰串扰。将会发生谈话。
像素串扰示例
索尼的解决方案是深沟槽隔离（DTI）。在像素之间建立“隔离墙”，提高光利用率，减少干扰，提高抗噪能力和色彩纯度。
DTI 技术减少像素串扰
下面的微结构横截面还显示了DTI 技术如何“隔离”每个像素。
中间的“挡板”是DTI
三星的解决方案类似，最初称为ISOCELL，但采用了F-DTI技术，与索尼的B-DTI略有不同。三星采用VTG技术，让“隔断”显得比索尼更深，这也是早期宣传宣称“ISOCELL隔热效果更好”的依据。但实际上，三星在第一代ISOCELL 中使用了金属屏障。这与索尼早期使用的钛基衬里类似。
这是ISOCELL的示意图，但实际上有点模糊，因为BSI和ISOCELL基本上是两种技术。
三星有VTG，所以分区比较深。
三星新一代ISOCELL Plus 取代了金属屏障，并使用“一些新材料”来提供更好的隔热效果。据新闻稿称，它可以实现比上一代提高15%的光利用率，并且可以容纳小于0.8m的像素，而不会因串扰而导致性能下降。
ISOCELL Plus 图
事实上，国内OV（豪威科技）也有相应的像素分离技术，名为“PureCel Plus-S”，它采用类似于索尼第一代B-DTI技术的带有金属阻挡墙的隔离结构来做。
OV 像素分离
双增益、双原生ISO、Smart-ISO Pro。完全阱容量可以理解为传感器可以容纳的最大电子数，ISO可以理解为模拟图像转换后图像亮度的数字乘数。数字化转型。在光电转换之后、模数转换之前，电荷陷阱产生的电压太弱，因此需要一个称为转换增益的模拟放大层。该放大层是决定满阱容量的关键。和本机ISO。一般来说，对于相同的工艺，动态范围=全阱电容/背景噪声，并且全阱电容越高，本机灵敏度下的动态范围越高，因为手机CMOS的背景噪声并不占主导地位。高。传感器面积也较小，因此必须通过扩大整体孔体积来提高低灵敏度下的信噪比。这在数据中反映为较低的转换增益和较低的本机ISO（例如iPhone 和三星的ISO50）。 ）。翻译成人类语言，就是“对光不敏感，但可以在不过度曝光的情况下保留更多光子，从而实现更高的动态范围。”但实际上，井的增加总容量和降低原生ISO 会对高灵敏度产生负面影响。由于转换增益较低，为了获得相同的亮度，模数转换后的数字增益也会较高，导致读取噪声更加明显。这就是为什么IMX094、原生ISO64满井容量大的D810在高感光度上无法击败D800，而原生ISO200、主打高感光度的D810A满井容量小。低灵敏度动态和高灵敏度信噪比之间的选择问题：
直观比较高低灵敏度下满井容量与动态范围的关系
如何解决这个问题呢？好吧，只要让传感器有两个转换增益和两个原生ISO即可。索尼的解决方案被称为“DCG技术”或“双转换增益”，它可以抑制高ISO下的读出噪声，并通过某种开关触发低阱电容模式来降低灵敏度动态。在不牺牲灵敏度的情况下提高高灵敏度纯度低。
DCG电路图
D850 和7R3 代全画幅传感器通过添加DCG 技术提供高灵敏度性能。
D850 具有与ISO64 相同的固有灵敏度，并在ISO400 时切换到低井容量和高转换增益模式以抑制读出噪声。
事实上，三星早期的“Smart-ISO”（不带Pro）也有这个想法。高井电容改善了动态或低井电容的电压噪声：在低光照条件下，高ISO模式将光转化为具有更高转换率的电压。获得。它可以减少图像噪声，同时正确表达阴影细节。低ISO 模式可最大限度地提高每个像素的容量，以防止过饱和并改善拍摄明亮区域的色彩再现。但实际上，索尼的DCG和三星自己的Smart-ISO实际上被称为“双增益”而不是“双原生ISO”。因为它本质上就是一个开关（双增益开关）。如果需要较低的阱电容，请打开开关以增加转换增益。就像胶片时代一样，可以灵活更换ISO100或IS400胶片。然而，这种切换方法不会产生两个完整的模拟增益组。同一图像一次只能使用一个本机ISO 或高或低孔体积。高增益和低增益不能同时读取。时间。近年来，三星和OV更进一步，直接使用两套完整的转换增益，以达到同时使用两套原生ISO的目的。小米10至尊纪念版搭载的OV48C主打“双原生ISO融合”原理，两个伪放大同时工作，组合成更高动态范围的图像。高光区域的ISO 较低可减少曝光过度的可能性，而暗区的ISO 较高则可提高信噪比。
两种ISO“切换”与“融合”的区别
三星称之为“Smart-ISO Pro”，光电转换后的电信号同时经过两组转换增益不同的模拟增益，进行模数转换和去马赛克。在同一场景中形成两个原生ISO。然后，强大的算法会合成高光区域细节丰富、暗区域噪点较少的图像。
三星官方宣传照
这种双原生ISO 的优点是更高的动态范围和更低的暗噪声。 Smart-ISO Pro首先将场景中的光线信息转换为高ISO和低ISO模式下的电压信号。然后，该技术会智能地结合以下结果：这两种模式结合起来创建具有高动态范围的最终图像，使图像传感器能够呈现黑暗区域的细节并保留高光区域的自然色彩，最终产生逼真的图像。它看起来像这样。
所以说到“双原生ISO”技术，三星GN2是领先者。在HDR和4像素集成方面，GN2采用了近年来在手机中流行的四拜耳阵列。三星也称其为Tetra Pixel。这意味着四个像素被组合成一个大像素。
三星4像素和1像素设计的优势在于有效受光面积没有改变，并且没有采用索尼的2x2 OCL，所以所谓的“弱光下单像素高度感更好”这并不意味着可以使用相同的大像素，下面以一条对角线作为分割线，实现长和短两种曝光模式，也称为四拜耳编码（QBC）。明亮区域取自短曝光的曝光不足部分，暗区域取自长曝光信噪比较好的部分，组合成高动态范围HDR图像。
Quadbayer 编码示例（右）
索尼的2x2OCL采用四个像素共享一个微透镜，是真正的“大像素”，而其量子效率也仅仅比三星这种小像素、小透镜的要高一些。
2x2OCL 示例
各种像素阵列和微透镜设计各有优缺点，但我认为传统的拜耳在分辨率方面更强。
这个4像素阵列也可以通过一些算法（重马赛克算法）恢复到高像素模式，但一般来说，这种算法非常复杂，而且原始采样点有偏移，效果不完整。让我更详细地解释一下。
使用Quad Bayer 恢复拜耳模式
三星GN2官方宣传也称其为“输出真5000万像素”、“夜间大像素”，但这只是宣传。请看一下。这个像素仍然是对应微透镜的小像素，但是滤镜是用它来设计的。
三星官方促销
所谓的一亿像素、五千万像素更多是出于广告目的。手机传感器受面积、镜头质量、处理速度等限制，产生高像素输出意义不大；相反，通过集成4个像素，即使在低像素输出下也可以提高动态范围和噪声抑制水平.这算是比较好的改进。实际上是双本机ISO 等。约1200 万像素输出非常适合手机。这是因为很多手机照片是为了在互联网上传播以查看大图，而不是打印大尺寸照片以查看细节。这就是为什么几乎所有高像素手机都采用4像素、9像素、甚至16像素滤光阵列设计。但如果集成的像素太多，像P40 Pro 的16 合1 广角那样，色度采样率就会很低，使得Quad Bayer 的4 像素集成成为更折中的选择。全像素双核对焦和Dual Pixel Pro “全像素双核对焦”是相位对焦的一种。传统的相位检测自动对焦（PDAF）通过将焦点固定在无法成像的像素上，使用像素屏蔽（屏蔽像素）方法从不同方向传递焦点来检测相位，然后计算相位差以确定焦点偏移和重点。
相位焦点结构
被遮挡的像素无法成像
不同的masked像素得到相位差（phase Difference）
然而，这种嵌入式对焦设计的缺点是被像素遮挡的相位检测点无法成像。当焦点较多时，对焦性能提高，但传统相位对焦的覆盖率不高，因为信息损失较大，且需要从邻近像素计算合适的颜色。为了解决这个问题，引入了双像素自动对焦（DPAF）。将一个像素分成两个光电二极管，获取两个信号（图像A和图像B），并通过比较图像A和图像B之间的相位差来计算镜头偏移。
佳能DPAF 原理
光电二极管分为两部分。
DPAF中的每个像素都可以既成像又对焦，无需专用对焦点，实现100%的对焦覆盖率和更高的对焦采样率，当然还有更快、更准确的对焦实现。
DPAF 和PDAF 的区别
不过，全像素双核对焦的缺点是光电二极管被分成两个，使得布线变得复杂，从而增加了填充因子，即感光面积与总面积的比值。变低，量子效率变低。索尼的解决方案是2x1 OCL。这意味着两个像素共享一个微透镜，实现部分像素的双核对焦。这允许在不影响整体量子效率的情况下考虑采样率。
不同的微透镜设计实现不同的聚焦方法
如果你留意的话，你会发现，以上所有聚焦方法都只能检测同一方向的相位差，即所谓的“一线聚焦”，而无法检测某些纹理（例如纹理）的相位差。作为水平线）。这时候就需要一个类似十字对焦点的索尼2x2OCL，一个微透镜下有4个小像素，能够同时检测水平和垂直相位差，同样在4像素Quad Bayer阵列中对应。
2x2OCL示意图
双核对焦与2x2OCL的区别
正如前面在4 像素集成讨论中提到的，三星没有采用2x2OCL，仍然使用可容纳两个光电二极管的微透镜，但是GN2 是如何创建类似交叉焦点的设计的呢？是这样吗？ Pro采用了相对“刁钻”的双核对焦方案。对红色和蓝色像素进行垂直分割，对绿色像素以四个为一组进行左右分割。虽然本质上是全像素双核对焦，但这种分割方法避免了单向对焦无法检测某些纹理的缺陷。
Dual Pixel Pro 双像素分割方法
虽然这种双像素结构不如2x2OCL，但相对于上一代DPAF 来说是一个显着的改进。用冷水冲洗：这是图像质量和手机边缘厚度的问题。图像是一个系统工程，尤其是手机这样的产品，对尺寸、厚度都有要求。更好的传感器并不一定意味着更好的图像质量。镜头组、ISP、算法等才是真正决定你水平的关键。一般来说，镜头光圈和像场越大，体积和厚度要求越高，边角画质控制也越困难。 GN2使用近1英寸的外底，但如果保留边角并减小光圈，鞋底与较小鞋底之间的间隙不会变宽，而如果增大光圈并丢弃边角，则图像可能会被截断跟小鞋底一样，但是以光圈和画质来说，都是这么厚。三星S20 Ultra上的特写球差和华为P40 Pro上主摄像头的裁剪都是使用外底作为卖点的设备的例子，但没有充分利用它。从消息来看，小米11至尊纪念版被确定为最好的拍照手机，其后置镜头组又大又厚，非常引人注目。
小米10至尊纪念版的相机配置已经足够夸张，而且在重量和厚度上也有足够的权衡，所以这种军备竞赛型产品是毫无疑问的。更厚、更重的产品的发布不仅可以支持DXO 的外观，还有助于它在日常使用中从稍小的相机中脱颖而出。不是最好的。不足以与m43以上的车架相比。甚至有传言称华为P50系列将采用1英寸的IMX800以及更夸张的一组镜头。手机不是也不可能是相机。追求高画质的消费者自然会选择更专业的设备。
为什么手机的像素分辨率比单反相机高，却无法取代单反相机？知乎
总结显然，三星GN2 将是今年手机中最好的CMOS。令人难以置信的感光面积、ISOCELL Plus减少像素间的串扰、双原生ISO支持动态范围、Quad Bayer阵列提供近乎实时的HDR、创新的双核像素分割方式提供更全面的对焦可以说是“参数关”。图表”。在我们赞扬三星的同时，我们也必须认识到，它在传感器领域并不孤单。索尼2x2OCL可以在更大的微透镜下实现更高的量子效率和“更大的像素”。在相同面积下理论上图像质量会更高。然而，索尼使用DCG来切换所有井容量。在双原生ISO 方面仍然落后一些。至于实际的产品如何，还得等到实际的设备才知道，但从消息来看，小米11至尊纪念版是一款为了追求画质而牺牲重量和厚度的产品。之前的小米10至尊纪念版的训练水平就非常不错，在大底的支撑下，小米11至尊纪念版有望在一段时间内成为世界第一。