八月，在热薯片33Sooki Yoon介绍了三星今年早些时候发布的5000万像素GN2图像传感器。根据Yoon的介绍，这种传感器注定会被用于小米Mi 11 Ultra/Pro等手机上，但它创造了一种功能让大多数小巧、无反光镜和单反相机相形见绌的相机。

随着手机摄像头功能越来越好，拍照手机已经系统地蚕食了摄影爱好者的相机市场。三星GN2传感器可能足够好，可以把最后的赌注放在“只能”作为相机功能的消费设备的心脏上——你知道，就像相机一样。

三星GN2图像传感器是由一个8160×6144像素的图像传感器芯片和一个容纳模数转换器(ADC)和图像处理数字电路的芯片组成的2个芯片三明治。像素模具容纳5000万1.4 μm像素，因此使用更大的光刻几何来对模具上的电路成像。包含ADC和图像处理电路的模具使用28纳米光刻技术，这是目前芯片制造的经济最佳点。

GN2传感器具有许多突出的功能，包括:

• 50-Mpixel决议
• 使用对角切片相位检测像素的高级DPAF(双像素自动对焦)
• 智能ISO Pro宽动态范围
• 交错HDR(高动态范围)
• 由于ADC工作电压降低，功耗显著降低

这些特性都值得详细阐述，下面就是:

50-Mpixel决议

图像传感器的分辨率总是与像素动态范围相冲突。为了获得更高的分辨率，你需要更多的像素。在同样大小的芯片上放更多的像素，每个像素都必须变小。但是小像素的电荷阱能容纳更少的电子，这就导致了嘈杂的阴影。

三星针对更高像素分辨率和低图像噪声的竞争设计目标的解决方案是将GN2传感器上的5000万像素放在一块更大的硅片上。图1展示了三星手机图像传感器的演变，最终达到了GN2。

图1:三星GN2移动图像传感器通过使用放大的传感器模具实现了高分辨率和低噪声。(图片来源:三星)

如图1所示，三星GN2图像传感器通过在较大的硅晶片上放置较大的像素和较大的电荷阱来实现高分辨率和低噪声。此前三星的图像传感器采用0.8 μm和1.2 μm像素，而GN2图像传感器采用1.4 μm像素。结果如图2所示，由于可以存储在像素电荷阱中的最大电子数量增加了33%，从而大大提高了灵敏度，这导致了更大的动态范围，图像阴影中可见的噪声更少。

图2:三星GN2图像传感器的1.4 μm像素比0.8 μm像素多存储33%的电子，从而获得更大的动态范围和更低的图像阴影噪声。(图片来源:三星)

先进DPAF

目前相机的顶级对焦算法是双像素自动对焦(DPAF)，它使用分裂像素在一个成像像素上创建双重图像。每个成像像素由两个可用于成像和聚焦的光电二极管组成。图3说明了这种技术是如何工作的。

图3:双像素自动对焦(DPAF)将左右图像投射到分割像素上，并通过感知分割像素读数上左右图像的相位匹配来检测图像何时处于对焦状态。(图片来源:三星)

DPAF聚焦技术将左右图像投射到像素的两个光电二极管上，并通过感知在分割像素读数期间左右光电二极管的相位输出匹配来检测图像何时处于聚焦状态。在成像过程中，左右光电二极管的输出被组合起来产生图像。

DPAF并不新鲜。例如，佳能从2013年推出的70D单反相机开始，就在相机上使用了DPAF。然而，DPAF有一个致命的弱点:如果相感像素中的两个光电二极管用垂直的光学壁进行光学隔离，那么像素就无法检测到水平线的相移，因为水平线在右移或左移时看起来是相同的(具有相同的相位)。三星的巧妙解决方案是将GN2传感器的部分像素(绿色像素)对角线分割，而不是垂直分割。为了明确，绿色光电二极管是垂直电分裂和对角光学分裂，如图4所示。

图4:早期的双像素相位检测将光定向到使用垂直深沟槽隔离(DTI)的左右相位检测像素光电二极管。三星GN2传感器使用对角线DTI结构，允许绿色像素中的两个光电二极管检测和聚焦水平线和垂直线。(图片来源:三星)

对角线光学隔离允许每个绿色光电二极管对水平线和垂直线的相位差做出反应，这使相机具有更好的DPAF能力。图5显示了垂直隔离和对角隔离相位检测子像元的区别。在左图中，垂直隔离的DPAF传感器无法在任何区域聚焦，因为该区域只有水平线。在图5的右侧图像中，传感器可以聚焦在每个区域的所有水平线上。

图5:垂直隔离的相位检测子像素不能聚焦在水平线上，因为向右或向左移动这些线不会移动光电二极管中产生的信号的相位。一个对角隔离的相位检测像素可以检测水平线。(图片来源:三星)

智能ISO Pro

三星GN2传感器的每组4个像素都有一个单独的双增益控制开关，用于调整像素组的ISO感光度。对于明亮的图像，传感器将像素的增益降低，以匹配从像素的图像信号到像素ADC的完整输入范围的完整电压范围(低ISO模式)。对于低光，传感器提高像素组的增益，使ADC的完整输入范围仅覆盖亮度范围的低端(高ISO模式)，如图6所示。

图6:三星GN2图像传感器可以在昏暗的场景下在高ISO模式下工作，以实现更低的噪声，并在明亮的场景下切换到低ISO模式。(图片来源:三星)

交错HDR

高动态范围(HDR)是一种相对较新的成像技术，它的出现是为了扩大相机的动态亮度范围。这是一种压缩技术，它将两张或多张在不同传感器灵敏度下拍摄的图像合并在一起，以适应图像的明亮和昏暗部分。它有助于在高对比度场景的阴影中显示出细节。由于HDR技术使用同一场景的多张图像来达到效果，如果单独的图像不能完美地叠加，HDR可能会导致模糊的场景。图像拉伸算法可以修复一些模糊，但减少模糊的最佳方法是减少多张图像捕获之间的时间。

交错HDR是一种减少模糊的方法，通过在通常用于拍摄一张图像的时间内进行三次不同的曝光。三星表示，这项技术利用了滚动快门，可以让图像传感器进行长时间曝光，然后进行中曝光，然后进行短时间曝光，分别进行暗淡、中等和明亮的成像，然后输出这三张图像，并有一些重叠。使用卷帘快门，传感器首先进行长时间曝光，然后开始一次输出一行曝光，一行中的所有像素电压同时从像素行传输到ADC。

在长曝光的所有行完全输出之前，传感器取介质曝光，并在长曝光完全输出之前开始输出。然后，它也会对做空进行同样的操作。传感器使用虚拟MIPI通道输出有重叠的三种曝光，GNR传感器的图像处理模具将图像编织在一起产生HDR图像。如果这一切看起来令人困惑，也许图7可以弄清楚事件的顺序。

图7:为了减少交错HDR模式下的模糊，三星GN2传感器对昏暗的区域进行长时间曝光，并开始在一个虚拟MIPI通道(VC0)上输出图像。在长曝光图像完全输出之前，传感器会拍摄一个中曝光图像，并开始在第二个MIPI虚拟通道(VC1)上输出该图像。然后，它对明亮的区域进行短曝光，并将图像输出到第三个MIPI虚拟通道(VC2)上。(图片来源:三星)

如图7所示，传感器可以同时在第四个MIPI虚拟信道(VC3)上发送由DPAF特征生成的自动对焦信息(图中标记为“AF”)。

大幅降低功率

手机一直在与电池定律作斗争:电池能量容量的增长速度远不如硅驱动能力的增长速度快。因此，在任何可能的地方都需要继续降低功耗。三星GN2图像传感器的设计者攻击了一个明显的耗电大器:用于将模拟像素电压转换为数字表示的高速ADC。将ADC的电源电压从2.8 V降低到2.2 V，使ADC的功耗从311 mW降低到244 mW，降幅超过20%。

然而，仅仅切断电源电压会降低ADC的输入范围，使其无法接受传感器的所有像素图像电压。为了解决这个问题，三星的工程师在像素图像传感器芯片上增加了-0.6 V的基板后偏置，有效地电平改变了传感器的输出范围，他们开发了一种低阈值电压晶体管设计，用于28 nm芯片上的ADC电路。这两项创新的结合降低了操作功率，同时保留了完整的传感器曝光范围。

Yoon在Hot Chips 33上的演讲中讨论了三星GN2图像传感器的其他创新，但以上列出的功能真正引起了我的兴趣，因为我是一名设计工程师，也是一名拥有多台数码相机的长期相机爱好者。三星的工程师在这款传感器中加入了大量的技术创新，我相信它真的提高了所有摄像头的性能标准，无论是手机还是其他设备。

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