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  三星 GN2 圖像傳感器是一個(gè) 2 die的三明治結(jié)構(gòu)，由一個(gè) 8160×6144 像素的圖像傳感器芯片和一個(gè)裝有模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和圖像處理數(shù)字電路的芯片組成。像素die擁有 5000 萬個(gè) 1.4 μm 像素，因此使用更大的光刻幾何形狀對(duì)die上的電路進(jìn)行成像。包含 ADC 和圖像處理電路的芯片使用 28 nm 光刻技術(shù)，這是目前芯片制造的經(jīng)濟(jì)最佳點(diǎn)。

  GN2 傳感器具有許多突出的特性，包括：

  ●50Mpixel 分辨率

  ●使用對(duì)角切片相位檢測(cè)像素的高級(jí) DPAF(雙像素自動(dòng)對(duì)焦)

  ●用于寬動(dòng)態(tài)范圍的智能 ISO Pro

  ●交錯(cuò) HDR(高動(dòng)態(tài)范圍)

  ●由于降低了 ADC 工作電壓，顯著降低了功耗

  50Mpixel 分辨率

  圖像傳感器分辨率始終與像素動(dòng)態(tài)范圍交戰(zhàn)。要獲得更高的分辨率，您需要更多的像素。在相同尺寸的芯片上放置更多像素，每個(gè)像素必須變小。但是較小像素的電荷阱容納的電子較少，這會(huì)導(dǎo)致陰影嘈雜。

  對(duì)于更高像素分辨率和低圖像噪聲的競(jìng)爭設(shè)計(jì)目標(biāo)，三星的解決方案是將 GN2 傳感器上的 50 Mpixels 放在更大的硅片上。圖 1 說明了三星手機(jī)圖像傳感器在 GN2 中達(dá)到頂峰的演變。

  圖 1：三星 GN2 移動(dòng)圖像傳感器通過使用放大的傳感器芯片實(shí)現(xiàn)高分辨率和低噪聲。

  如圖 1 所示，三星 GN2 圖像傳感器通過在更大的硅芯片上放置具有更大電荷阱的更大像素來實(shí)現(xiàn)高分辨率和低噪聲。之前的三星圖像傳感器采用 0.8 和 1.2 μm 像素，而 GN2 圖像傳感器采用 1.4 μm 像素。結(jié)果如圖 2 所示，由于可以存儲(chǔ)在像素電荷井中的最大電子數(shù)量增加了 33%，因此靈敏度大大提高，這帶來了更大的動(dòng)態(tài)范圍，圖像陰影中的可見噪聲更少。

  圖 2：三星 GN2 圖像傳感器的 1.4 μm 像素比 0.8 μm 像素多存儲(chǔ) 33% 的電子，這帶來更大的動(dòng)態(tài)范圍和更低的圖像陰影噪聲。

  高級(jí)DPAF

  目前相機(jī)的頂級(jí)對(duì)焦算法是雙像素自動(dòng)對(duì)焦(DPAF)，它使用分裂像素在一個(gè)成像像素上創(chuàng)建雙像。每個(gè)成像像素由兩個(gè)光電二極管組成，可用于成像和聚焦。圖 3 說明了該技術(shù)的工作原理。

  圖 3：雙像素自動(dòng)對(duì)焦 (DPAF) 在分割像素上投射左右圖像，并通過感測(cè)分割像素讀數(shù)上左右圖像的相位何時(shí)匹配來檢測(cè)圖像何時(shí)對(duì)焦。

  DPAF 聚焦技術(shù)將左右圖像投射到像素的兩個(gè)光電二極管上，并通過在分割像素讀出期間檢測(cè)左右光電二極管的相位輸出何時(shí)匹配來檢測(cè)圖像何時(shí)對(duì)焦。在成像期間，左右光電二極管的輸出被組合以產(chǎn)生圖像。

  DPAF 并不新鮮。例如，從 2013 年推出的 70D dSLR 開始，佳能一直在其相機(jī)上使用 DPAF。但是，DPAF 可能有一個(gè)致命弱點(diǎn)：如果相位傳感像素中的兩個(gè)光電二極管通過垂直光學(xué)壁進(jìn)行光學(xué)隔離，則像素?zé)o法檢測(cè)水平線的相移，因?yàn)樗骄€在向右或向左移動(dòng)時(shí)看起來相同(具有相同的相位)。三星巧妙的解決方案是對(duì) GN2 傳感器的一些像素(綠色像素)進(jìn)行光學(xué)分割，而不是垂直對(duì)角線。需要明確的是，綠色光電二極管在電氣上垂直分離，光學(xué)上對(duì)角分離，如圖4所示。

  圖 4：早期的雙像素相位檢測(cè)使用垂直深溝槽隔離 (DTI) 將光引導(dǎo)到左右相位檢測(cè)像素光電二極管。三星 GN2 傳感器采用對(duì)角線 DTI 結(jié)構(gòu)，允許綠色像素中的兩個(gè)光電二極管檢測(cè)并聚焦水平線和垂直線。

  對(duì)角光隔離允許每個(gè)綠色光電二極管對(duì)水平線和垂直線的相位差做出響應(yīng)，從而為相機(jī)提供更好的 DPAF 功能。圖 5 說明了垂直隔離和對(duì)角隔離相位檢測(cè)子像素之間的差異。在左邊的圖像中，垂直隔離的 DPAF 傳感器無法在任何區(qū)域?qū)梗驗(yàn)樵搮^(qū)域中只有水平線。在圖 5 右側(cè)的圖像中，傳感器可以聚焦在每個(gè)區(qū)域的所有水平線上。

  圖 5：垂直隔離的相位檢測(cè)子像素不能聚焦在水平線上，因?yàn)橄蛴一蛳蜃笠苿?dòng)這些線不會(huì)移動(dòng)光電二極管中產(chǎn)生的信號(hào)的相位。對(duì)角隔離的相位檢測(cè)像素可以檢測(cè)水平線。

  智能 ISO Pro

  三星 GN2 傳感器中的每組四個(gè)像素都有一個(gè)單獨(dú)的雙增益控制開關(guān)，用于調(diào)整像素組的 ISO 感光度。對(duì)于明亮的圖像，傳感器會(huì)降低像素的增益，以匹配從像素圖像信號(hào)到像素 ADC 的整個(gè)輸入范圍(低 ISO 模式)的全電壓范圍。對(duì)于弱光，傳感器會(huì)提高像素組的增益，以便 ADC 的完整輸入范圍僅覆蓋亮度范圍的低端(高 ISO 模式)，如圖 6 所示。

  圖 6：三星 GN2 圖像傳感器可以在光線昏暗的場(chǎng)景下在高 ISO 模式下運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)更低的噪點(diǎn)，并在光線明亮的場(chǎng)景下切換到低 ISO 模式。

  交錯(cuò)的HDR

  高動(dòng)態(tài)范圍 (HDR) 是一種相對(duì)較新的成像技術(shù)，它“似乎”擴(kuò)展了相機(jī)的動(dòng)態(tài)亮度范圍。這是一種壓縮技術(shù)，可合并以不同傳感器靈敏度拍攝的兩個(gè)或多個(gè)圖像，以適應(yīng)圖像的明亮部分和昏暗部分。它有助于突出高對(duì)比度場(chǎng)景陰影中的細(xì)節(jié)。由于 HDR 技術(shù)使用同一場(chǎng)景的多個(gè)圖像來實(shí)現(xiàn)效果，如果單獨(dú)的圖像沒有完美疊加，HDR 可能會(huì)導(dǎo)致場(chǎng)景模糊。圖像拉伸算法可以修復(fù)一些模糊，但減少模糊的最佳方法是減少多個(gè)圖像的捕獲之間的時(shí)間。

  交錯(cuò) HDR 是一種通過在通常用于拍攝一張圖像的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行三種不同的曝光來減少模糊的方法。三星表示，這項(xiàng)技術(shù)利用滾動(dòng)快門，讓圖像傳感器進(jìn)行長時(shí)間曝光，然后是中等曝光，然后是短曝光，分別用于昏暗、中等和明亮的成像，然后輸出這三幅圖像有一些重疊。使用滾動(dòng)快門，傳感器首先進(jìn)行長時(shí)間曝光并開始一次一行輸出曝光，一行中的所有像素電壓同時(shí)從像素行傳輸?shù)? ADC。

  在長曝光的所有行都完全輸出之前，傳感器進(jìn)行中等曝光并在長曝光完全輸出之前開始輸出。然后它對(duì)短曝光做同樣的事情。傳感器使用虛擬 MIPI 通道輸出具有一定重疊的三個(gè)曝光，GNR 傳感器的圖像處理芯片將圖像編織在一起以生成 HDR 圖像。如果這一切看起來令人困惑，也許圖 7 可以說明事件的順序。

  圖 7：為了減少交錯(cuò) HDR 模式下的模糊，三星 GN2 傳感器對(duì)昏暗區(qū)域進(jìn)行長時(shí)間曝光，并開始在一個(gè)虛擬 MIPI 通道 (VC0) 上輸出該圖像。在長曝光圖像完全輸出之前，傳感器拍攝中等曝光圖像并開始在第二個(gè) MIPI 虛擬通道 (VC1) 上輸出該圖像。然后對(duì)明亮區(qū)域進(jìn)行短時(shí)間曝光，并在第三個(gè) MIPI 虛擬通道 (VC2) 上輸出該圖像。

  如圖 7 所示，傳感器可以同時(shí)在第四個(gè) MIPI 虛擬通道(VC3)上發(fā)送由 DPAF 功能生成的自動(dòng)對(duì)焦信息(圖中標(biāo)記為“AF”)。

  顯著降低功耗

  手機(jī)不斷地與電池定律作斗爭：電池能量容量的增長速度不如硅驅(qū)動(dòng)能力快。因此，一直需要盡可能降低功耗。三星 GN2 圖像傳感器的設(shè)計(jì)者攻擊了一個(gè)明顯的功耗：用于將模擬像素電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字表示的高速 ADC。將 ADC 的電源電壓從 2.8 V 降至 2.2 V 可將 ADC 的功耗降低 20% 以上，從 311 mW 降至 244 mW。

  然而，僅僅降低電源電壓就會(huì)將 ADC 的輸入范圍減小到無法接受來自傳感器的全范圍像素圖像電壓的程度。為了解決這個(gè)問題，三星的工程師在像素圖像傳感器芯片上增加了一個(gè) -0.6 V 的襯底反向偏置，有效地改變了傳感器的輸出范圍，他們開發(fā)了一種低閾值電壓晶體管設(shè)計(jì)，用于 28納米die。這兩項(xiàng)創(chuàng)新的結(jié)合降低了操作功率，同時(shí)保留了完整的傳感器曝光范圍。