Samsung ISOCELL HPC: 200 Мп сенсор с 16-битным HDR

Эволюция мобильных матриц и анонс ISOCELL HPC

Развитие сенсоров изображения для смартфонов долгое время опиралось на простое наращивание физического разрешения. Однако размещение десятков и сотен миллионов пикселей на компактной кремниевой пластине площадью менее одного квадратного сантиметра быстро выявило физические ограничения классических кремниевых фотодиодов. Главными проблемами оставались недостаточная емкость насыщения пикселей (Full Well Capacity) и утечки заряда между соседними ячейками, что приводило к узкому динамическому диапазону и цифровому шуму при сложном освещении.

Новый сенсор Samsung ISOCELL HPC с разрешением 200 Мп демонстрирует переход от количественного увеличения пикселей к глубокой оптимизации их внутренней структуры. В этой разработке инженеры компании сосредоточились на повышении эффективности сбора фотонов и использовании новой вычислительной архитектуры считывания данных.

Архитектура DeepPix и изоляция F-DTI

Ключевой инновацией в ISOCELL HPC стала обновленная пиксельная архитектура DeepPix. В предыдущих поколениях матриц применялась технология FDTI (Front Deep Trench Isolation), где физические барьеры между пикселями проникали лишь на часть глубины кремниевого субстрата. Это оставляло возможность для паразитного перетекания фотоэлектронов между цветовыми каналами, особенно в красном и ближнем инфракрасном спектрах, которые проникают глубже в кремний.

В DeepPix реализован улучшенный вариант Front Deep Trench Isolation. Изоляционные перегородки из материала с низким коэффициентом преломления проходят через всю толщину фотоактивного слоя. Это позволило решить две фундаментальные задачи:

• Снижение оптических и электрических перекрестных помех (Crosstalk) — свет, попадающий на один пиксель под углом, больше не возбуждает соседние фотодиоды. Это повышает цветовую чистоту и четкость мелких деталей.
• Увеличение емкости фотодиода на 60% — каждая отдельная ячейка способна накапливать значительно больше электрического заряда до наступления состояния насыщения. Это напрямую расширяет аппаратный динамический диапазон без необходимости комбинировать несколько кадров с разной экспозицией.

Аппаратный 16-битный однокадровый HDR

Наиболее значимым достижением улучшенной емкости фотодиодов стало внедрение настоящего 16-битного однокадрового HDR. Традиционные методы создания расширенного динамического диапазона в смартфонах базируются на алгоритмах Staggered HDR или HDR со сдвигом во времени, когда сенсор последовательно делает два или три кадра с короткой, средней и длинной экспозицией, после чего процессор обработки сигналов (ISP) объединяет их в один файл.

Этот подход имеет существенные недостатки: появление артефактов движения (ghosting) при съемке быстродвижущихся объектов и высокая нагрузка на вычислительный блок смартфона. ISOCELL HPC считывает 16-битный массив данных непосредственно с матрицы за один цикл экспозиции.

Как работает аналогово-цифровое преобразование 16-бит

В каждом пикселе сенсора применено двойное усиление Dual Conversion Gain (DCG) с расширенными диапазонами High Gain и Low Gain. Во время считывания сигнала высоковольтные аналогово-цифровые преобразователи (АЦП), интегрированные непосредственно в структуру матрицы, параллельно обрабатывают значительные и слабые электрические заряды:

Сигнал с высоким коэффициентом усиления оцифровывает информацию в тенях с минимальным уровнем собственного шума АЦП.
1. Сигнал с низким коэффициентом усиления измеряет масштабные заряды в ярких участках кадра без их пересвета.
2. Оба потока объединяются на аппаратном уровне сенсора до отправки данных по шине MIPI на основной процессор устройства.

Результатом является точная передача полутонов в тональном диапазоне, где контраст между самым ярким и самым темным элементом кадра достигает значения более 100 дБ.

Оптический зум без потери качества и технология Tetra2pixel

Сенсор ISOCELL HPC ориентирован на использование в качестве основной камеры без обязательного привлечения дополнительных телеобъективов средней кратности. Благодаря высокой плотности пикселей и алгоритмам повторного группирования цветового фильтра (Re-mosaic), матрица обеспечивает кроп-зум без потери детализации на нескольких фокусных расстояниях.

Режимы бининга и кадрирования

Технология Tetra2pixel адаптирует структуру сенсора под текущие условия освещения с помощью трех основных режимов:

• Режим 200 Мп (0,60 мкм) — используется при ярком дневном свете для максимальной детализации архитектуры, пейзажей и текстур.
• Режим 50 Мп (1,20 мкм) — объединение четырех соседних пикселей (2х2). Используется для стандартной ежедневной съемки, работы HDR в реальном времени и записи видео высокого разрешения.
• Режим 12,5 Мп (2,40 мкм) — объединение 16 пикселей (4х4). Позволяет получать четкие снимки в условиях экстремально низкого освещения, когда физический размер комбинированного пикселя компенсирует нехватку фотонов.

При использовании зума 1.5x, 2x, 3x и 4x сенсор не просто вырезает и масштабирует цифровую картинку. Алгоритм Re-mosaic аппаратно перепрограммирует сетку пикселей в центральной зоне матрицы, превращая ее в полноценную автономную матрицу с меньшей площадью, но с сохранением 16-битной обработки HDR.

Видеовозможности и скорость считывания данных

Благодаря увеличенной пропускной способности внутренних шин считывания, ISOCELL HPC предлагает характеристики для видеосъемки, которые ранее были доступны только в специализированных кинокамерах. Сенсор способен считывать полный массив данных или его бининг-версии на высоких частотах кадров.

Основные видеорежимы сенсора включают:

• 8K (7680 × 4320) при 30 fps — съемка с использованием всей ширины матрицы без ощутимого кроп-фактора.
• 4K (3840 × 2160) при 180 fps — режим для создания замедленных видеороликов высокой четкости с сохранением рабочего динамического диапазона.
• Full HD (1920 × 1080) при 360 fps — экстремальное замедление для анализа быстрых процессов.
• Вывод RAW16 — передача несжатого 16-битного потока данных для последующей профессиональной цветокоррекции на компьютере.

Технические вызовы и интеграция в смартфоны

Несмотря на высокие характеристики, внедрение ISOCELL HPC в мобильные устройства требует от производителей смартфонов пересмотра систем охлаждения и алгоритмов обработки данных. Считывание 16-битного массива с 200 миллионов точек создает высокую тепловую нагрузку на сам сенсор и процессор обработки сигналов изображения (ISP).

Для оптимизации энергопотребления в сенсор интегрирован локальный нейросетевой ускоритель базового уровня, который предварительно отсеивает цифровые шумы и готовит данные к передаче по интерфейсу MIPI CSI-2. Это уменьшает нагрузку на центральный процессор смартфона примерно на 25% по сравнению с решениями предыдущего поколения.

Сенсор Samsung ISOCELL HPC задает новый вектор развития мобильной фотографии, где приоритетом является расширение физических возможностей светочувствительного элемента, расширение тонального диапазона и отказ от программных компенсаций в пользу аппаратных решений.