Samsung ISOCELL HPC: 200 Мп сенсор з 16-бітним HDR

Еволюція мобільних матриць та анонс ISOCELL HPC

Розвиток сенсорів зображення для смартфонів тривалий час опирався на спрощене нарощування фізичної роздільної здатності. Однак розміщення десятків і сотень мільйонів пікселів на компактній кремнієвій пластині площею менше одного квадратного сантиметра швидко виявило фізичні обмеження класичних кремнієвих фотодіодів. Головними проблемами залишалися недостатня місткість насичення пікселів (Full Well Capacity) та витоки заряду між сусідніми осередками, що призводило до вузького динамічного діапазону й цифрового шуму при складному освітленні.

Новий сенсор Samsung ISOCELL HPC з роздільною здатністю 200 Мп демонструє перехід від кількісного збільшення пікселів до глибокої оптимізації їх внутрішньої структури. У даній розробці інженери компанії зосередилися на підвищенні ефективності збору фотонів та використанні нової обчислювальної архітектури зчитування даних.

Архітектура DeepPix та ізоляція F-DTI

Ключовою інновацією в ISOCELL HPC стала оновлена піксельна архітектура DeepPix. У попередніх поколіннях матриць застосовувалася технологія FDTI (Front Deep Trench Isolation), де фізичні бар’єри між пікселями проникали лише на частину глибини кремнієвого субстрату. Це залишало можливість для паразитного перетікання фотоелектронів між кольоровими каналами, особливо в червоному та ближньому інфрачервоному спектрах, які проникають глибше в кремній.

У DeepPix реалізовано покращений варіант Front Deep Trench Isolation. Ізоляційні перегородки з матеріалу з низьким коефіцієнтом заломлення проходять через усьому товщину фотоактивного шару. Це дозволило розв’язати дві фундаментальні задачі:

• Зменшення оптичних та електричних перехресних завад (Crosstalk) – світло, що потрапляє на один піксель під кутом, більше не збуджує сусідні фотодіоди. Це підвищує колірну чистоту та чіткість дрібних деталей.
• Збільшення місткість фотодіода на 60% – кожний окремий осередок здатний накопичувати значно більше електричного заряду до настання стану насичення. Це прямо розширює апаратний динамічний діапазон без необхідності комбінувати декілька кадрів з різною експозицією.

Апаратний 16-бітний однокадровий HDR

Найбільш вагомим здобутком покращеної місткості фотодіодів стало впровадження справжнього 16-бітного однокадрового HDR. Традиційні методи створення розширеного динамічного діапазону в смартфонах базуються на алгоритмах Staggered HDR або HDR зі зсувом у часі, коли сенсор послідовно робить два або три кадри з короткою, середньою та довгою експозицією, після чого процесор обробки сигналів (ISP) об’єднує їх в один файл.

Цей підхід має суттєві недоліки: поява артефактів руху (ghosting) при зйомці об’єктів, що швидко рухаються, та високе навантаження на обчислювальний блок смартфона. ISOCELL HPC зчитує 16-бітний масив даних безпосередньо з матриці за один цикл експозиції.

Як працює аналогово-цифрове перетворення 16-біт

У кожному пікселі сенсора застосовано подвійне підсилення Dual Conversion Gain (DCG) з розширеними діапазонами High Gain та Low Gain. Під час зчитування сигналу високовольтні аналогово-цифрові перетворювачі (АЦП), інтегровані безпосередньо в структуру матриці, паралельно обробляють значущі та слабкі електричні заряди:

Сигнал з високим коефіцієнтом підсилення оцифровує інформацію в тінях з мінімальним рівнем власного шуму АЦП.
1. Сигнал з низьким коефіцієнтом підсилення вимірює масштабні заряди у яскравих ділянках кадру без їх пересвічування.
2. Обидва потоки об’єднуються на апаратному рівні сенсора до відправки даних по шині MIPI на основний процесор пристрою.

Результатом є точна передача півтонів у тональному діапазоні, де контраст між найяскравішим та найнапівтемнішим елементом кадру досягає значення понад 100 дБ.

Оптичний зум без втрати якості та технологія Tetra2pixel

Сенсор ISOCELL HPC орієнтований на використання в якості основної камери без обов’язкового залучення додаткових телеоб’єктивів середньої здатності. Завдяки високій щільності пікселів та алгоритмам повторного групування колірного фільтра (Re-mosaic), матриця забезпечує кроп-зум без втрати деталізації на кількох фокусних відстанях.

Режими бінінгу та кадрування

Технологія Tetra2pixel адаптує структуру сенсора під поточні умови освітлення за допомогою трьох основних режимів:

• Режим 200 Мп (0,60 мкм) – використовується при яскравому денному світлі для максимальної деталізації архітектури, пейзажів та текстур.
• Режим 50 Мп (1,20 мкм) – об’єднання чотирьох сусідніх пікселів (2х2). Використовується для стандартної щоденної зйомки, роботи HDR у реальному часі та запису відео високої роздільної здатності.
• Режим 12,5 Мп (2,40 мкм) – об’єднання 16 пікселів (4х4). Дозволяє отримувати чіткі знімки в умовах екстремально низького освітлення, коли фізичний розмір комбінованого пікселя компенсує брак фотонів.

Під час використання зуму 1.5x, 2x, 3x та 4x сенсор не просто вирізає та масштабує цифрову картинку. Алгоритм Re-mosaic апаратно перепрограмовує сітку пікселів у центральній зоні матриці, перетворюючи її на повноцінну автономну матрицю з меншою площею, але зі збереженням 16-бітної обробки HDR.

Відеоможливості та швидкість зчитування даних

Завдяки збільшеній пропускній здатності внутрішніх шин зчитування, ISOCELL HPC пропонує характеристики для відеозйомки, які раніше були доступні лише у спеціалізованих кінокамерах. Сенсор здатен зчитувати повний масив даних або його бінінг-версії на високих частотах кадрів.

Основні відеорежими сенсора включають:

• 8K (7680 × 4320) при 30 fps – зйомка з використанням всієї ширини матриці без відчутного кроп-фактора.
• 4K (3840 × 2160) при 180 fps – режим для створення сповільнених відеороликів високої чіткості із збереженням робочого динамічного діапазону.
• Full HD (1920 × 1080) при 360 fps – екстремальне сповільнення для аналізу швидких процесів.
• Виведення RAW16 – передача нестисненого 16-бітного потоку даних для подальшого професійного коліркорекції на комп’ютері.

Технічні виклики та інтеграція у смартфони

Незважаючи на високі характеристики, впровадження ISOCELL HPC у мобільні пристрої вимагає від виробників смартфонів перегляду систем охолодження та алгоритмів обробки даних. Зчитування 16-бітного масиву з 200 мільйонів точок створює високе теплове навантаження на сам сенсор та процесор обробки сигналів зображення (ISP).

Для оптимізації енергоспоживання в сенсор інтегровано локальний нейромережевий прискорювач базового рівня, який попередньо відсіює цифрові шуми та готує дані до передачі по інтерфейсу MIPI CSI-2. Це зменшує навантаження на центральний процесор смартфона приблизно на 25% порівняно з рішеннями попереднього покоління.

Сенсор Samsung ISOCELL HPC задає новий вектор розвитку мобільної фотографії, де пріоритетом є розширення фізичних можливостей світлочутливого елемента, розширення тонального діапазону та відмова від програмних компенсацій на користь апаратних рішень.