小米11 Pro/Ultra手機(jī)攝像頭，主攝所用的CIS（CMOS圖像傳感器）型號(hào)為三星ISOCELL GN2（以下簡稱GN2）。這顆CIS的厲害之處倒不在于像素?cái)?shù)量，而在于1/1.12英寸的整體大小。

雖然這款手機(jī)發(fā)布也有些時(shí)日了，不過GN2可能仍是目前應(yīng)用于手機(jī)最大的CIS，大于華為Mate40 Pro/P50系列（前者是索尼IMX700，后者可能是Omnivision OV50A）與近期比較火的拍照手機(jī)vivo X70 Pro攝像頭主攝（索尼IMX766V）所用的CIS尺寸。索尼IMX766也是如今手機(jī)上比較熱門的一顆5000萬像素CIS，1/1.56英寸雖然也可以說是“大底”，但還是不及三星GN2。

前年我們首次談1億像素?cái)z像頭的小米手機(jī)時(shí)，還在說1/1.33英寸何其之大，如今一轉(zhuǎn)眼都變1/1.12英寸了。事實(shí)上1/1.12英寸這個(gè)尺寸，也已經(jīng)比9年前的拍照怪獸諾基亞808Pureview還要大了，后者的CIS尺寸是1/1.2英寸——在當(dāng)時(shí)可謂驚掉了一眾手機(jī)愛好者的下巴。

遙想數(shù)碼小DC還活躍于世的時(shí)候，很多高端數(shù)碼小DC的CIS尺寸也不過1/1.7英寸。當(dāng)代索尼黑卡（RX100系列）的CIS也就1英寸——當(dāng)然這只是圖像傳感器尺寸的對(duì)比；而且1/1.12英寸的CIS與主流微單/單反當(dāng)然還是無法相提并論。

上面這張圖片最早來源已經(jīng)不大可考（最早可能出自推特或微博），主要表現(xiàn)的是索尼IMX689與三星GN2的尺寸大小。不過這張圖的拍攝角度及焦距呈現(xiàn)出的透視效果，讓下方的GN2顯得更大了。索尼IMX689是去年OPPO Find X2 Pro手機(jī)上用的一顆CIS，尺寸為1/1.4英寸——年初在OPPO這款手機(jī)發(fā)布的時(shí)候，大談IMX689“底大一級(jí)壓死人”的文章不在少數(shù)。不過顯然IMX689在GN2面前還是不夠看的。

三星在此前的Hot Chips 33大會(huì)上，特別談到了這顆5000萬像素的GN2圖像傳感器。Electronic Engineering Journal選擇性地對(duì)其作了一些解讀。雖然很遺憾并非三星演講的全部，但將其與我們掌握的一些信息做結(jié)合，從中我們也能看到手機(jī)攝像頭CIS的發(fā)展之路。三星在發(fā)展思路上和索尼還是有比較大的差異的，前不久我們也探討了索尼眼中手機(jī)攝像頭CIS的發(fā)展之路。所以理解GN2的特性，也有利于我們從中看清楚CIS的另一種技術(shù)發(fā)展可能性。

單像素尺寸的另一個(gè)方向

前年總結(jié)手機(jī)攝像頭CIS發(fā)展之際，我們提到過大方向上，CIS單個(gè)像素的尺寸是越來越小的。比如2008年前后，手機(jī)CIS單像素大小普遍在1.4μm左右，2011年降至1.12μm，2018年來到了0.9μm；2019年較為大眾所知的4800萬像素CIS，單像素尺寸達(dá)到0.8μm；如今1億像素CIS的單像素尺寸已經(jīng)來到了0.7μm。

此前三星LSI公開的CIS路線圖顯示，2021-2022規(guī)劃中像素尺寸可縮減至0.56μm/0.64μm。今年的ISSCC 2021之上，三星就有公開其0.64μm像素的paper。今年年中，三星繼而宣布其首款0.64μm像素傳感器大規(guī)模量產(chǎn)，具體是1/2.76英寸的5000萬像素JN1；此外今年9月三星推出的ISOCELL HP1——那款2億像素的圖像傳感器，用的也是0.64μm尺寸的像素。有興趣的同學(xué)可以去看一看三星0.64μm像素的PPT資料。

本文的主角三星GN2的單像素尺寸為1.4μm——這個(gè)尺寸與主流手機(jī)相比算是比較大的。不過和更偏愛大像素（而非高像素）的iPhone 13 Pro主攝相較，還是略小一點(diǎn)。iPhone 13 Pro主攝的CIS單像素尺寸為1.9μm。當(dāng)然三星GN2有像素?cái)?shù)量方面的優(yōu)勢(shì)，分辨率8160x6144總共5000萬像素。而且論CIS整個(gè)面積，GN2還是絕對(duì)的最大。

在面向手機(jī)攝像頭的CIS方面，看來三星也不是一味地追求小像素，畢竟小像素通常總是面臨感光能力和寬容度的問題——而要解決這樣的問題，所需花費(fèi)的技術(shù)精力也是相當(dāng)巨量的。去年的GN1也沒有用堆砌上億像素?cái)?shù)量。隔壁索尼主推IMX766大方向也是這個(gè)思路，可能表明對(duì)手機(jī)攝像頭CIS而言，單純做小像素短期內(nèi)不會(huì)成為整體趨勢(shì)。

三星在Hot Chips上提到，GN2的1.4μm單像素尺寸帶來33%的滿井容量（full well capacity）提升，即可儲(chǔ)存于像素阱的最大電子數(shù)量增加，自然也就能帶來更大的動(dòng)態(tài)范圍。反映到照片上，就是更少的噪聲——雖然個(gè)人認(rèn)為其實(shí)在手機(jī)攝像頭這種小尺寸成像系統(tǒng)的量級(jí)內(nèi)，其差別也大不到哪兒去。

對(duì)于低光環(huán)境，GN2同樣可以采用此前已經(jīng)為眾人所知的像素四合一技術(shù)，每四個(gè)像素當(dāng)做1個(gè)來用，實(shí)現(xiàn)暗光環(huán)境下2.8μm大像素，達(dá)成更大的感光能力。這是一種比較通常的，以犧牲分辨率來提升感光度的方式，隔壁索尼也是這么做的。

另外在像素?cái)?shù)量方面，三星也為GN2提供了1億像素拍攝的選項(xiàng)。三星的官方新聞稿中說，“在1億像素模式下，GN2會(huì)用智能的re-mosaic（重做拜耳排列？）算法重新排列色彩像素，針對(duì)綠紅藍(lán)，構(gòu)建三層5000萬像素幀的獨(dú)立層。這些幀隨后升格（up-scale）并融合，生成一張1億像素的照片?！?/span>

這個(gè)說法還是比較模糊，從描述來看可能仍是某種插值算法。畢竟GN2物理像素量就是5000萬，只不過大概這種插值算法更高級(jí)一些。

除了像素層，比較值得一提的也在于GN2采用雙層die堆疊。其中一層是像素層：即5000萬像素所在的die。另外一層die包含了ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）和圖像處理數(shù)字電路——這一層采用了28nm工藝。這種堆疊方案當(dāng)然也不新鮮，在此前索尼CIS堆疊技術(shù)文章中，我們就介紹過。

一種奇技淫巧：交錯(cuò)HDR

HDR（高動(dòng)態(tài)范圍）如何實(shí)現(xiàn)，似乎是當(dāng)代手機(jī)拍照永恒的主題。手機(jī)廠商普遍在宣傳的“逆光也清晰”，以及夜拍“照亮你的美”，其重要基礎(chǔ)一部分就在于HDR：即在拍攝場(chǎng)景光比很大時(shí)（如逆光），則需要HDR發(fā)揮作用；亮的、暗的，在同一個(gè)畫面內(nèi)要兼顧。

比較常見的HDR實(shí)現(xiàn)，是在用戶一次按下拍照按鈕以后，用不同的曝光參數(shù)拍攝多張照片，然后將這些照片做堆棧融合。那么場(chǎng)景的亮部和暗部細(xì)節(jié)都能兼顧。

不過這種方案有個(gè)副作用，即拍攝的多張照片畢竟還是在不同時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行的，在拍攝運(yùn)動(dòng)對(duì)象的時(shí)候，如果融合算法不到位就會(huì)產(chǎn)生模糊或偽像。要減少多張堆棧產(chǎn)生的偽像，方法之一應(yīng)該是盡可能減少多張照片拍攝之間的間隔。

三星在GN2推出之際，宣布了一種交錯(cuò)HDR（staggered HDR）技術(shù)；不是隔行單幀HDR方案。三星方面提到，這項(xiàng)技術(shù)依賴于卷簾快門（rolling shutter）特性。今年5月刊的《電子工程專輯》雜志封面故事，我們還特別談到了CIS廠商在貫徹全局快門（global shutter）方面的趨勢(shì)。因?yàn)榫砗熆扉T的工作方式是CIS逐行像素曝光的，拍攝高速運(yùn)動(dòng)物體會(huì)有果凍效應(yīng)。

三星的這種交錯(cuò)HDR，據(jù)說是在拍攝一張照片的時(shí)間內(nèi)，以三種不同的曝光方式來實(shí)現(xiàn)HDR。具體方法如上圖所示。必須基于卷簾快門，首先就是做一次長時(shí)間的曝光，隨后中等長度時(shí)間曝光，最后短曝光——分別對(duì)應(yīng)昏暗、中等和明亮的畫面場(chǎng)景，輸出后做合成。

在進(jìn)行長曝光以后，就立刻開始做行輸出——即從像素行轉(zhuǎn)往ADC。在長曝光的所有像素行都完整輸出以前，傳感器就會(huì)進(jìn)行中等長度曝光。這個(gè)階段的曝光，其實(shí)在長曝光像素完全輸出以前，也已經(jīng)開始做輸出了。短曝光的流程同理。最后GN2的圖像處理單元會(huì)對(duì)照片做融合，生成HDR照片。

此過程中，傳感器用虛擬MIPI通道來輸出三個(gè)曝光過程。傳感器針對(duì)畫面暗部做長曝光，并開始輸出走VC0虛擬MIPI通道；后續(xù)分別對(duì)應(yīng)VC1和VC2虛擬通道。另外還有個(gè)VC3虛擬通道，用于同時(shí)發(fā)出PDAF生成的自動(dòng)對(duì)焦信息。

異樣的PDAF相位對(duì)焦雙像素

主CIS傳感器的PDAF相位對(duì)焦，也是這兩年手機(jī)CIS的熱點(diǎn)技術(shù)。常規(guī)的雙像素（dual-pixel）自動(dòng)對(duì)焦，就是把一個(gè)像素分成兩份。每個(gè)像素包含了2個(gè)光電二極管，用于成像和對(duì)焦。檢測(cè)雙像素影像畫面的相位重合時(shí)，即認(rèn)為對(duì)上了焦。

此前《iPhone攝像頭發(fā)展史》文章中，我們?cè)勥^iPhone作為手機(jī)拍照發(fā)展頗具代表的存在，PDAF技術(shù)在其上就有過對(duì)應(yīng)的演進(jìn)史。一直到iPhone 11攝像頭CIS實(shí)現(xiàn)了PDAF對(duì)焦像素的100%覆蓋。

比較值得一提的是，索尼去年在宣傳其2x2 OCL對(duì)焦技術(shù)——此前我們也介紹過。其實(shí)質(zhì)是每4個(gè)像素之上覆蓋1個(gè)微透鏡，所有像素都參與相位對(duì)焦。索尼在paper中提過，這種方案在做相位檢測(cè)時(shí)，不僅能夠在垂直和水平方向做相位檢測(cè)，還能進(jìn)行斜向檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)CIS覆蓋的十字對(duì)焦或米字對(duì)焦。

一般來說，相位檢測(cè)像素的兩個(gè)光電二極管，如果只是左右排列的，則將無法檢測(cè)場(chǎng)景中橫向線條的相位差——或者說對(duì)于包含橫向線條的對(duì)象，對(duì)焦就會(huì)成問題。索尼的這種2x2 OCL對(duì)焦方案就會(huì)顯得更具全場(chǎng)景的適用性。

三星想到的解決方案則是，以對(duì)角線方向來切分像素，而不再是垂直對(duì)半切。上面這張圖就是GN2相位檢測(cè)像素光電二極管的簡單演示圖。傳統(tǒng)方案，是以DTI（深槽隔離）來把相位檢測(cè)像素一分為二，垂直切分。而GN2則采用偏對(duì)角線方向的DTI結(jié)構(gòu)，令其針對(duì)橫向與縱向線條，都能實(shí)現(xiàn)比較高效率的對(duì)焦。

下面這張圖展示了兩者實(shí)現(xiàn)可對(duì)焦場(chǎng)景方面的差異。顯然單純垂直隔離相位檢測(cè)子像素的方案，無法針對(duì)更多區(qū)域做相位差檢測(cè)——左右像素排列，對(duì)于場(chǎng)景中的橫向線條，幾乎無法在對(duì)應(yīng)光電二極管輸出的信號(hào)上檢測(cè)出相位差異。而對(duì)角線隔離方法，對(duì)焦使用場(chǎng)景就會(huì)更多，橫向、縱向線條皆可，也算是實(shí)現(xiàn)了十字對(duì)焦。

當(dāng)然我們對(duì)其實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，和制造工藝流程是否造成額外的難度并不了解。三星提到，針對(duì)PDAF每個(gè)像素都采用兩個(gè)光電二極管，也就有1億個(gè)相位檢測(cè)主體參與。在結(jié)構(gòu)上是“不僅垂直切分像素，而且對(duì)角線切分像素”，具體在工藝和像素結(jié)構(gòu)上是怎么做的，其實(shí)也比較值得研究。另外對(duì)低光照環(huán)境下的對(duì)焦，和運(yùn)動(dòng)物體追焦也有提升。

ISO雙增益、低功耗實(shí)現(xiàn)

有關(guān)ISO雙增益（dual native ISO）的問題，我們?cè)诖饲暗奈恼吕镆惨呀?jīng)介紹過了。國內(nèi)最早做ISO雙增益宣傳的手機(jī)應(yīng)該是OPPO Find X2，那顆索尼IMX689就應(yīng)用了這項(xiàng)技術(shù)。雖然到目前為止，我們也仍然不怎么清楚手機(jī)攝像頭CIS實(shí)現(xiàn)雙增益的方法具體是什么。

三星GN2的每四個(gè)像素為一組，有單獨(dú)的雙增益控制開關(guān)，可調(diào)整兩檔ISO感光度。對(duì)于比較明亮的場(chǎng)景，傳感器會(huì)讓像素的圖像信號(hào)達(dá)到ADC的全輸入范圍，也就是低ISO模式；對(duì)于暗光場(chǎng)景，則切換到高ISO模式，即提高像素增益。

這類方案針對(duì)不同的光照?qǐng)鼍斑x擇兩檔原生ISO，三星稱其為Smart ISO Pro?！安捎胕DCG（intra-scene dual conversion gain）解決方案，從高和低ISO讀出，獲得高動(dòng)態(tài)范圍畫面，更少受到動(dòng)態(tài)偽像的影響?！笨雌饋硪彩荋DR的組成部分，不知道這一點(diǎn)和前文提到的交錯(cuò)HDR是否做了結(jié)合。

“此外，在低光照環(huán)境下，Smart ISO Pro能夠在高ISO下快速獲取和處理多幀，將感光度提升到接近1000000 ISO，將手機(jī)夜間成像提升到更高的高度?！备杏X這是一個(gè)略夸張的表達(dá)方式，和如今手機(jī)夜景模式常見的多張堆棧的“長曝光”應(yīng)該是同一個(gè)意思。至于ISO 1000000，體現(xiàn)這一點(diǎn)的應(yīng)該是將晚上拍得像白天也是現(xiàn)在一眾手機(jī)夜景模式的常見操作......

還有個(gè)相關(guān)GN2比較值得一提的點(diǎn)是三星宣傳中提及GN2的低功耗。針對(duì)GN2這顆CIS，三星將ADC的供電電壓從2.8V降低到2.2V，實(shí)現(xiàn)20%的功率縮減（311mW->244mW）。

不過降供電電壓也會(huì)降低ADC的輸入范圍，令其無法接收像素電壓的完整范圍。為了解決這個(gè)問題，三星針對(duì)像素die增加了-0.6V的substrate反饋偏壓，level shifting輸出范圍；與此同時(shí)，邏輯die這層（也就是28nm die）的ADC電路，所用的晶體管設(shè)計(jì)作了優(yōu)化，是一種所謂的低閾值電壓晶體管。兩者結(jié)合，在確保完整曝光范圍的情況下，降低了工作功率。

從Yole Developpement公布2020年CIS市場(chǎng)的數(shù)據(jù)來看，索尼仍然是絕對(duì)的第一，占到整個(gè)市場(chǎng)的40%。不過三星一定程度縮短了與索尼的距離——雖然幅度還是比較小，從前年的21%上漲到2020年的22%；索尼則下滑了2個(gè)百分點(diǎn)。

兩者技術(shù)上的競(jìng)爭這兩年還是咬得很緊，此前Yole Developpement還專門寫了一篇專注于三星的智能手機(jī)模塊對(duì)比報(bào)告，強(qiáng)調(diào)了其創(chuàng)新性。而CIS的技術(shù)發(fā)展，自可視作手機(jī)拍照進(jìn)步的一大基石，從這兩年手機(jī)廠商的宣傳就看得出來。

責(zé)編：Luffy Liu