Коротко о новом: Samsung анонсировала новую пиксельную CMOS-технологию — ISOCELL

Добрый день, Хабр! На прошлой неделе Samsung Electronics представила передовую пиксельную технологию CMOS для фотосенсоров под названием ISOCELL. Новая разработка компании существенно повышает светочувствительность и эффективно контролирует поглощение электронов, что значительно повышает точность цветопередачи даже в условиях плохой освещенности. Качество фоточувствительного датчика определяется объемом поступаемого на диоды света и точностью его захвата. Развитие современных мобильных устройств постоянно требует наращивания разрешения и качества изображения, при этом еще и нужно избегать увеличения размеров фотомодуля. Проще говоря, количество пикселей нужно сокращать, одновременно повышая их производительность, а это довольно сложная инженерная задача. Предыдущие решения в области фотосенсорных технологий были направлены на улучшение возможностей поглощения света каждым пикселем. Для этого слой фотодиодов был перемещен наверх, перейдя от сенсоров с фронтальной засветкой (FSI, Front Side Illumination) к сенсорам с задней засветкой (BSI, Back Side Illumination). Будучи очень эффективной для своего времени, технология BSI, тем не менее, столкнулась с ограничениями в процессе улучшения качества изображения по мере того, как размеры пикселей продолжали уменьшаться. Разработанная компанией Samsung технология ISOCELL — это новый виток развития фотосенсоров. Ее суть заключается в создании физического барьера между соседними пикселями (фотодиодами), таким образом, разделяя их. Подобная изоляция позволяет большему числу фотонов точно поступать с конкретной микролинзы и собираться в нужном фотодиоде с минимальным уровнем нежелательных электрических перекрёстных помех между пикселями. Также значительно уменьшается блюминг — эффект «растекания» избыточного заряда от пересвеченных областей матрицы в соседние ячейки из-за ограниченной ёмкости потенциальной ямы для фотоэлектронов в ячейке. По сравнению с BSI-матрицей, ISOCELL-пиксели испытывают на 30% меньше перекрестных помех, что способствует более точной цветопередаче, повышению реалистичности отображения цветов с высокой резкостью изображения и богатством оттенков, а также способствует повышению параметров FWC (Full Well Capacity) на 30%, что ведет к увеличению динамического диапазона матрицы. Кроме того, высота модуля фотокамеры, созданного с применением матрицы на основе ISOCELL, может быть уменьшена на 20% благодаря тому, что датчики ISOCELL способны воспринимать лучи, падающие под большими углами (Chief Ray Angle, CRA). Само собой, это должно быть очень востребовано в тонких мобильных устройствах недалекого будущего. Технология ISOCELL уже нашла применение в восьмипиксельной матрице S5K4H5YB с физическими размерами 1/4″ и размерами датчиков 1,12 мкм. В настоящее время Samsung уже поставляет образцы S5K4H5YB клиентам, а массовое производство намечено на четвертый квартал этого года. По данным аналитической компании Techno System Research, в 2014 году примерно 66% смартфонов на рынке получат фотосенсоры с разрешением 8 Мп или выше.

MOBILE IMAGE SENSOR

Related solutions

Mobile

Powering the next generation of mobile devices

LEARN MORE

^{All product specifications reflect internal test results and are subject to variations by user’s system configuration. All product images shown are for illustration purposes only and may not be an exact representation of the product. Samsung reserves the right to change product images and specifications at any time without notice.} 

27.02.2014

Рядовые пользователи привыкли измерять качество камеры телефона «мегапиксельностью». Чем больше — тем лучше! И производители устройств знают об этом, постоянно наращивая данный показатель в своих изделиях. Числа всегда проще сравнивать, чем вдаваться в тонкие технические подробности, понятные далеко не каждому. Тем не менее есть ряд иных важных факторов, характеризующих качество сенсора. Сегодня мы поговорим о сенсоре «с изолированной ячейкой» ISOCELL, ставшем одной из важнейших аппаратных «изюминок» Galaxy S5.

Ценители качественной съемки по крайней мере слышали о «самсунговском» сенсоре изображений ISOCELL, который нашел свое практическое воплощение в Galaxy S5. Эта новая технология обещает повысить светочувствительность и увеличить точность цветопередачи даже в условиях плохого освещения. Для Samsung это очередной шаг эволюции сенсоров с тыльной подсветкой (backside-illuminated sensors, BSI).

В ближайшие месяцы мы узнаем о технологии ISOCELL много нового. Но уже сейчас можно сказать, что это не просто очередной заумный термин, это технология, особенности которой важно осознавать каждому, кому небезразличны высокие технологии и дальнейшее развитие Android-мира. Роберт Триггс из коллектива обозревателей ресурса Android Authority изложил то представление о данной технологии, которое сложилось у представителей ресурса, лично присутствовавших на презентации новинки.

Конструирование высококачественного сенсора изображений

Одним из самых значимых факторов, определяющих общее качество сенсора изображений, является тот объем света, который может быть уловлен каждым пикселем. Чем больше света может уловить сенсор, тем более точно будет передана исходная сцена на снимке. Это, разумеется, самое простое описание. Поэтому более крупный размер отдельного пикселя положительно сказывается на качестве изображения, поскольку каждый из пикселей способен уловить больше света.

Разумеется, чем больше размер пикселя, тем меньше их поместится на сенсоре камеры. Итогом станет уменьшение разрешения (пострадает «мегапиксельность», на которую ориентируются многие пользователи) и менее детализированное изображение.

Обычно разработчики смартфонов более заинтересованы разместить на сенсоре побольше маленьких пикселей, чтобы увеличить разрешение. Светочувствительность интересует их в меньшей степени.

Примечательным исключением является HTC, которая стремилась остаться за пределами тренда по уменьшению размера пикселей со своей технологией UltraPixel. Данная технология предполагает достаточно крупные пиксели. По этой причине HTC вынуждена была сократить разрешение камеры One до незначительных по сегодняшним меркам 4 мегапикселей. Обратной стороной такого подхода явилось то, что One мог делать качественные снимки даже в таких условиях, которые не могли одолеть другие камеры.

Разумеется, по стопам HTC может себе позволить пойти далеко не каждый производитель, поэтому производители сенсоров вкладывают миллиарды долларов США в разработку сенсоров, которые могут одновременно похвастаться и высоким разрешением, и хорошей светочувствительностью. И все это в пределах тех ограничений, которые накладываются конструкцией смартфона.

В стремлении научить миниатюрный пиксель улавливать больше света, производители проделали долгий путь по увеличению эффективности сенсора: от уменьшения расстояний между пикселями до реализации тыльной подсветки, повышающей эффективность, препятствуя металлическим проводкам, к которым крепится каждый пиксель, преграждать свету дорогу. Сенсор с тыльной подсветкой улавливает больше фотонов по сравнению с FSI-сенсором (сенсором с фронтальной подсветкой), в которых металлические проводки отражают часть поступающего света.

Но технология тыльной подсветки лишь увеличивает эффективность сенсора. Другой большой проблемой мобильных сенсоров изображений являются взаимные искажения сигналов, иначе называемые перекрестными помехами. И здесь в игру вступает технология ISOCELL.

Какие проблемы решает ISOCELL?

Главная проблема, которую стремились решить «самсунговцы» при помощи ISOCELL состоит в том, что при уменьшении размера пикселя заряд, который он способен удержать до полного «насыщения», снижается. Это означает, что динамический диапазон пикселя становится меньше. Под динамическим диапазоном следует понимать разницу в интенсивности между самой яркой и самой темной частями изображения.

Есть и другая проблема постоянного уменьшения размера пикселя, которая состоит в том, что фотодиоды некорректно воспринимают цвет и количество света из-за перекрестных помех. Фотодиоды являются очень маленькими детекторами, которые преобразуют свет в электрический ток, который затем обрабатывается чипом сенсора. Результатом обработки становится изображение.

Эти взаимные искажения сигналов происходят, когда часть света, предназначенная одному светодиоду, теряется под воздействием соседних. В результате ток ослабевает.

Перекрестные помехи возникают по самым различным причинам. Чаще всего свет просто «отскакивает» от поверхности диода. Это явление называется световыми перекрестными помехами. Если пиксель принимает больше света, чем он способен воспринять (количество света превосходит уровень его насыщения), происходят электронные перекрестные помехи, которые приводят к созданию тока не теми светодиодами, что надо. Причиной тому становится утечка электрического сигнала к соседним диодам.

Пример утечки вследствие перекрестных помех между отдельными цветовыми пикселями, носящих как световой, так и электронный характер

Иными словами, если надо сформировать зеленый цвет, часть фотонов могут «утечь» в сторону синего и красного, породив слабый ток в соответствующих фотодиодах даже в том случае, если в снимаемой сцене и вовсе не было ни красного, ни синего. Как нетрудно догадаться, это приведет к искажению итоговой фотографии по сравнению с исходной картиной реального мира, а также снижению ее четкости. Перекрестные помехи неизбежны, но их можно снизить с использованием умных производственных технологий.

Идеальный сенсор изображений может улавливать достаточно света для того, чтобы корректно передать на фотографии исходную сцену в реальном мире. Это лежит в области расширения спектра и динамического диапазона и заключается в создании сенсора с корректным восприятием, который позволит обойти как можно больше случаев перекрестных помех.

Как работает ISOCELL?

ISOCELL по своей сути является эволюционным развитием известных ранее технологий и стремится решить проблемы подсветки.

Прежде всего, технология ISOCELL направлена на решение проблемы перекрестных помех путем изоляции каждого отдельного пикселя физическим барьером, отсюда и «ISO» в названии, что означает «изоляция». Эти барьеры обеспечивают попадание соответствующих фотонов в предназначенные им ячейки. В итоге становятся более вероятным «впитывание» этого света тем фотодиодом, которым надо.

По сравнению с обычными пикселями сенсора с тыльной подсветкой, ожидается, что ISOCELL снизит уровень перекрестных помех и увеличит емкость потенциальной ямы (способность удерживать заряд) матрицы приблизительно на 30 % по той причине, что каждый отдельный цветовой пиксель изолирован. Но это не значит, что качество изображения автоматически увеличится на те же 30 %, результатом станет улучшенная верность цветовоспроизведения. Проявится это в незначительном улучшении резкости и насыщенности.

Технические детали

ISOCELL является коммерческим наименованием технологии Samsung, которая носит более длинное и менее запоминающееся широким массам имя: 3D-Backside Illuminated Pixel with Front-Side Deep-Trench Isolation (F-DTI) and Vertical Transfer Gate (VTG). То есть трехмерные пиксели с тыльной подсветкой и глубокой фронтальной изоляцией, а также вертикальным переключателем перемещения.

Проблема изоляции светодиода состоит в том, что она уменьшает поверхность диода, способную улавливать свет и, тем самым снижает емкость потенциальной ямы. Чтобы решить эту проблему, Samsung изменила конструкцию фотодиодов и стала использовать компоненты VTG (Vertical Transfer Gate, вертикальные переключатели перемещения) вместо горизонтальных, которые можно найти в обычных BSI-сенсорах. Применение VTG позволяет Samsung изолировать фотодиоды и при этом сохранить большую глубину потенциальной ямы, а соответственно и хорошую светочувствительность.

Благодаря вышерассмотренной технологии, Samsung снижает уровень перекрестных помех с 19 % (характерно для традиционных BSI-сенсоров) до 12,5 % (ISOCELL). Новая технология обладает отличным соотношением сигнала яркости к шуму (YSNR =10): 105 люкс (традиционная BSI-технология: 150 люкс). Глубина потенциальной ямы увеличена с 5000 e- (в аналогичной BSI-матрице) до 6200 e- (ISOCELL).

ISOCELL также дает возможность обеспечить более широкий угол обзора, улавливая больше света, падающего наклонно. Это позволяет использовать линзы с меньшим F-числом (отношение фокусного расстояния к диаметру диафрагмы). Высокое качество изображений в меньшей степени зависит от условий съемки. ISOCELL дает разработчикам возможность более свободно уменьшать высоту модуля и увеличивать покрытие пиксельного массива. Сенсоры будут способны поместиться даже в меньшем корпусе. В потенциале это ведет к снижению компаниями производственных затрат.

Чем ISOCELL поможет смартфонам

ISOCELL сулит улучшение качества изображений в целом. Проявится это в улучшении резкости и расширении динамического диапазона, а также большем соответствии фотографии снятой сцены реального мира.

BSI по сравнению с ISOCELL

ISOCELL окажет влияние не только на качество снимков, но и на себестоимость разработки камер для смартфонов. Новая технология предполагает более сложный производственный процесс, а это значит, что камеры, вероятно, станут несколько дороже, чем сейчас. Этот фактор делает ISOCELL технологией, ориентированной на устройства премиального класса. По крайней мере, по состоянию на сегодняшний день.

Первым «самсунговским» сенсором, в котором нашла применение данная технология, станет 8-мегапиксельная матрица с 1,12-микронным пикселем. В конечном итоге Samsung может увеличивать «мегапиксельность» сенсоров, не слишком жертвуя качеством изображения, которое теряется вследствие шумов и перекрестных помех. Следует помнить, что 16-мегапиксельная версия обсуждалась в слухах о . В этой технологии на данный момент применяются 0,9-микронные пиксели, а это значит, что в будущем «самсунговцы» смогут даже увеличить «мегапиксельность» камер своих телефонов.

Уменьшение размера модуля камеры означает, что потребитель останется в выигрыше, поскольку компоненты станут меньше и потенциально дешевле. А конструкторы решат, на что «потратить» освободившееся пространство. Возможно, на совершенствование других аспектов технологии производства камер. Например, смогут использоваться лучшие линзы и системы оптической стабилизации. Уменьшение размера камеры означает, что телефоны можно будет делать еще более тонкими и комплектовать более емкими аккумуляторными батареями.

ISOCELL — многообещающая новая технология, призванная упрочить статус Samsung в качестве лидера номер один мобильной индустрии. Представители южнокорейской корпорации ясно дали понять, что в 2014 году ISOCELL станет отличительным знаком премиальных мобильных устройств. А это значит, что Galaxy S5 и широко обсуждаемый Note 4 могут стать первыми устройствами, которые сорвут овации и пожнут плоды успеха рассмотренной выше технологии.

Многие пользователи камер Fujifilm давно предлагают компании покупать сенсоры у Samsung, а не у Sony. Дело в том, что еще в 2014 году компания Samsung представила свой BSI-сенсор на 28 МП, который все желающие могли протестировать в камере Samsung NX1, которая, к сожалению, не получила той популярности, которую она заслуживала. Именно поэтому Samsung прекратил разработку топовых фотоаппаратов.К сожалению японские и корейские компании не слишком любят сотрудничать. Однако это вскоре может измениться. Компания Samsung официально заявила, что разрабатывает новую технологию CMOS-сенсоров для смартфонов, которая обеспечивает лучшую изоляцию пикселов, улучшает чувствительность и точность цвета. В Samsung эту технологию назвали ISOCELL Plus. И, возможно, чтобы этот сенсор стал реальным, Samsung нуждается в помощи от Fujifilm. Новая оптимизированная архитектура изоляции пикселов требует замены металлического барьера новым инновационным материалом, разработанным в Fujifilm. Он минимизирует оптические потери и отражения света. Вот что говорит по этому поводу вице-президент Fujifilm господин Наото Янагихара: «Мы ценим наши стратегические отношение с Samsung и хотели бы поздравить с завершение разработки ISOCELL Plus. Эта разработка является важной вехой для нашей компании, поскольку знаменует собой первую коммерциализацию нового материала. Благодаря постоянному сотрудничеству с Samsung мы планируем принести более значимые инновации в мир мобильных камер». А вот слова вице-президента по маркетингу компании Samsung господина Бена Хура: «Благодаря тесному сотрудничеству с Fujifilm, лидеру отрасли обработки изображений и информационных технологий, мы еще больше расширили границы технологии CMOS-сенсоров. ISOCELL Plus позволит не только создавать сенсоры сверхвысокого разрешения с невероятно маленькими размерами пикселов, но и даст возможность повысить производительность сенсоров с более крупными пикселами». Вероятно стоит надеяться на то, что это положит началу тесного и плодотворного сотрудничества между Samsung и Fujifilm, которое откроет новые горизонты для будущих проектов, некоторые из которых, возможно, будут связаны с высококачественными сенсорами среднего формата и APS-C. На текущий момент компания Sony доминирует на рынке потребительских сенсоров и совершенно очевидно, что все нуждаются в большей конкуренции в этой сфере. Компания Samsung является производителем с достаточной экономической и технологической мощью и инфраструктурой, чтобы иметь возможность получить крупную часть рынка, занятого сейчас продукцией Sony. При этом Samsung не является прямым конкурентом Fujifilm в сфере высококлассных фотокамер, поэтому Fujifilm сможет получить самую новую и самую лучшую технологии CMOS-сенсоров быстрее и дешевле по сравнению с тем, что имеет сейчас сотрудничая с Sony. Что такое ISOCELL Plus описывает недавний пресс-релиз Samsung: В 2013 году компания Samsung внедрила технологию ISOCELL, которая создает физический барьер между соседними пикселами, уменьшая тем самым перекрестные помехи и расширяя потенциал максимальной емкости. Это позволяет каждому пикселу поглощать больше света, чем это делает обычная схема сенсора с «обратной засветкой» (BSI). С введением в строй технологии ISOCELL Plus компания Samsung переводит технологию изоляции пикселов на новый уровень. В существующей структуре сенсора металлические решетки формируются поверх фотодиодов для уменьшения помех между ними, что также может приводить к оптическим потерям, поскольку металлы имеют тенденцию отражать и поглощать свет. В сенсорах ISOCELL Plus металлический барьер был заменен новым инновационным материалом, который разработала компания Fujifilm. Он минимизирует оптические потери и отражение света. ISOCELL Plus обеспечивает более качественную цветопередачу и улучшает светочувствительность до 15 процентов. Технология также позволяет использовать в сенсорах фотодиоды размером 0.8 микрометра и даже меньше без снижения производительности, что делает использование ISOCELL Plus оптимальным решением для разработки камер с высоким разрешением. С технологией ISOCELL Plus можно будет познакомиться на Всемирном мобильном конгрессе, который проходит 27-29 июня в Шанхае. А как это может улучшить традиционные фотоаппараты и видеокамеры? Теперь попробуем представить, как такая технология может улучшить крупные сенсоры, поскольку очевидно, что когда речь идет о камерах смартфонов, то здесь в первую очередь нужно говорить о повышении разрешения. В сенсорах для традиционных камер можно также улучшить чувствительность путем замены материала более поглощающего свет, на менее поглощающий. Однако это не главное. Можно кратно увеличить разрешение. Поскольку теперь менее затратно делать мелкие фотодиоды, то можно вместо каждого фотодиода для классического сенсора (например на 24 МП) сделать четыре более мелких фотодиода RGGB доведя разрешение до 96 МП, что будет видно только контроллеру, который будет объединять каждый 4 пиксела и выдавать процессору камеры «классические» 24 МП, которые, однако, будут лишены проблем байеровской интерполяции. То есть получится «плоский Foveon», где каждый пиксел готового изображения не будет связан с соседними. Отсюда и получается более точный свет и более высокое разрешение. Это только предположение и, возможно, все происходит совсем не так, но это один из реальных путей улучшения изображения без значительного увеличения мощности процессора.

227 23.11.19

Новый российский суперкомпьютер оказался одним из самых мощных в мире

В начале ноября «Сбербанк»В сообщил о вводе в эксплуатацию самого быстрого суперкомпьютера в России. Согласно официальным данным, он должен был стать в 2,7 раза быстрее наиболееВ производительного отечественного компьютера. После оглашения результатов нового рейтинга Top500 эти данные подтвердились.

В  далее

91 18.11.19

Объявлена европейская цена складного Motorola RAZR (2019)

Представленный на прошлой неделе складной смартфон Motorola RAZR (2019) был изначально заявлен как эксклюзив американского оператора Verizon. Теперь же стало известно о выходе необычной новинки и в других регионах, а вместе с тем появилась информация о европейских ценах.

В  далее

71 18.11.19

Intel анонсировала свою первую 7-нм видеокарту

Месяц спустя после анонса линейки дискретных видеокарт Intel на базе фирменной архитектуры семейства Xe старший вице-президент компании Раджа Кодури рассказал о технических характеристиках нового GPU компании, построенного по 7-нм технологическому процессу. Он также раскрыл сроки выпуска грядущих новинок, которые дебютируют сразу в трёх линейках.

В  далее

71 25.11.19

Круче «Игры Престолов». В сети появились первые отзывы на сериал The Witcher

Перед запуском сериала The Witcher стриминговый сервис Netflix выдал журналистам и прочим медийным личностямВ доступ к нескольким эпизодам шоу, чтобы те подогрели интерес публики, и без того мучающейсяВ в томительном предвкушении. Что ж, похоже, создатели экранизации справились со своей задачей на отлично: лидеры мнений наперебой хвалят сериал.

В  далее

139 27.11.19

Samsung Galaxy S11+ показали на реалистичных изображениях

Задолго до анонса линейки смартфонов Samsung Galaxy S11 уже стало известно большинство ключевых подробностей о будущих новинках. Не стала исключением и старшая версия флагмана: авторитетный инсайдер OnLeaks опубликовал серию рендеров, раскрывающих дизайн модели Galaxy S11+. Помимо внушительной диагонали дисплея, аппарат примечателен модулем основной камеры — он значительно отличается от предшественников и других устройств той же серии.

В  далее