Сенсоры Samsung для «чайников». Часть 2. Матрицы 64 Мп и 108 Мп

В первой части мы подробно разобрали все 48- и 50-мегапиксельные матрицы производства Samsung. В этой части поговорим о сенсорах с более высоким разрешением.

Если вы не читали первую часть и не планируете этого делать, тогда необходимо вкратце напомнить основные термины и понятия, которые объяснялись в прошлый раз и будут встречаться в этой статье.

Если вам что-то покажется непонятным — не страшно, сама статья будет достаточно простой.

Основные термины и понятия

В сенсорах Samsung используются следующие технологии (более подробное описание с иллюстрациями см. в предыдущей статье):

• BSI — архитектура пикселя, у которой все металлические провода размещаются за фотодиодом и не перекрывают частично падающий на пиксель свет.
• F-DTI — тип изоляции пикселя, при котором перегородки уходят вглубь кремниевой подложки. Для сравнения, STI-перегородки разделяют фотодиоды только на поверхности пикселя.
• VTG — технология вертикального размещения затвора для переноса накопленного в пикселе заряда. До этой технологии затвор располагался горизонтально и занимал полезное пространство внутри пикселя.
• ISOCELL — маркетинговое название совокупности технологий (F-DTI и VTG), направленных на глубокую изоляцию пикселей друг от друга во избежание перекрёстных помех.
• ISOCELL Plus — улучшенная версия предыдущей технологии. Металлические перегородки внутри пикселя заменены на более светоотражающий материал.
• ISOCELL 2.0 — улучшенная версия предыдущей технологии. Металл внутри цветных светофильтров заменен на более светоотражающий материал.
• Tetracell — тип расположения цветных фильтров, при котором фильтр определенного цвета накрывает сразу 4 фотодиода (пикселя)
• Nonacell — тип расположения цветных фильтров, при котором фильтр определенного цвета накрывает сразу 9 фотодиодов (пикселя)
• PDAF — система автофокуса, принцип работы которой основан на сравнении двух изображений, каждое из которых получено с разных сторон объектива. Для этого на матрице размещают специальные пиксели, у которых перекрыта левая или правая сторона.
• Super-PD — улучшенная версия предыдущей технологии. Вместо перекрытия половины пикселя используются специальные микролинзы, направляющие свет.
• Dual-PD — улучшенная версия предыдущей технологии. Каждый пиксель на матрице состоит из двух фотодиодов (субпикселей), которые собирают свет с каждой из сторон объектива.
• Smart-ISO — система автоматического изменения светочувствительности матрицы. Смартфон оценивает внешнее освещение и подбирает соответствующее аналоговое усиление сигнала (ISO).
• Smart-ISO Pro — улучшенная версия предыдущей технологии. Изображение с матрицы считывается одновременно как с низким, так и высоким ISO. Затем оба изображения складываются в один кадр.
• Real-Time HDR — технология расширения динамического диапазона снимка. Каждый пиксель под общим цветным фильтром снимает со своей выдержкой. В результате на снимке видны как светлые, так и темные участки.
• Staggered HDR — технология расширения динамического диапазона. На матрице работают сразу несколько электронных затворов. Как только строка пикселей считалась с одной выдержкой, она тут же включается для экспозиции с другой выдержкой. Получается серия снимков с минимальной разницей во времени.

Теперь перейдем к матрицам.

64-Мп сенсоры ISOCELL GW

Линейка ISOCELL GW — это 64-Мп сенсоры, используемые в основных камерах средне-бюджетных смартфонов или в дополнительных камерах (телеобъективах/ультраширокоугольных) на флагманских аппаратах.

Вся линейка состоит из трёх моделей:

Матрица ISOCELL GW1 (S5KGW1)

• Формат матрицы: 1/1.72″
• Диагональ: 9.2 мм
• Пиксели: ISOCELL Plus
• Размер пикселя: 0.8 мкм
• Цветной фильтр: Tetracell
• Система автофокуса: Super-PD

Это полная копия 48-Мп сенсора ISOCELL GM2 с дополнительными 16 млн пикселей. За счет дополнительных пикселей увеличился размер сенсора и его светосила:

Здесь используются такие же 0.8-мкм пиксели (ISOCELL Plus), тот же уровень усиления сигнала и те же технологии (Real-Time HDR, Super-PD, Smart-ISO), что и в 48-Мп сенсоре ISOCELL GM2.

Матрица умеет выдавать картинку как в режиме биннинга, объединяя по 4 пикселя в один (16 Мп), так и в полном разрешении (64 Мп).

Сенсор ISOCELL GW1 получился удачным, потому что Samsung не начинала его разработку с нуля, как в случае с GM1. Обе матрицы (64-Мп GW1 и 48-Мп GM2) были представлены в один день и по сути являются копиями друг друга, только с разным количеством пикселей и, соответственно, размером.

Сенсор ISOCELL GW1 использовался в большом количестве неплохих камерофонов:

• Vivo V20/V21e
• Redmi Note 8 Pro
• Samsung Galaxy A71
• Samsung Galaxy A52 (возможно, в зависимости от региона)
• OPPO Reno 3 Pro
• Realme 6 и др.

Матрица ISOCELL GW2 (S5KGW2)

• Формат матрицы: 1/1.72″
• Диагональ: 9.2 мм
• Пиксели: ISOCELL Plus
• Размер пикселя: 0.8 мкм
• Цветной фильтр: RGB
• Система автофокуса: Super-PD

Это один из самых загадочных и уникальных сенсоров от Samsung. На первый взгляд кажется, что он ничем не отличается от предыдущей модели — ISOCELL GW1. И во многом это действительно так.

ISOCELL GW2 использует ровно те же 0.8-мкм пиксели ISOCELL Plus, соответственно, имеет тот же размер матрицы. Однако вместо Tetracell-фильтра здесь установлен классический RGB-фильтр.

Другими словами, это единственный сенсор, в котором не используется физическое объединение пикселей под общим цветным фильтром. Всего здесь 64 млн фотодиодов и 64 млн цветных фильтров:

ISOCELL GW2 создавался для линейки смартфонов Samsung Galaxy S20, чтобы выступать в качестве телеобъектива.

Этот сенсор позволяет приближать изображение в 2-3 раза без потери качества только за счет обрезки (кропа) части кадра. Именно поэтому компания не стала использовать объединение пикселей в группы, чтобы получить максимальную детализацию в 64 Мп при любых условиях съемки.

И если мы сравним зум на GW2 (на фото слева) с 2-кратным телеобъективом (справа), то увидим, что сенсор GW2 за счет разрешения приближает даже лучше оптики:

Но так как пиксели на GW2 не объединяются в группы по четыре, то для расширения динамического диапазона использовалась старая (2014 года) технология Smart WDR.

Она работает похожим на Real-Time HDR образом. Только здесь часть пикселей постоянно снимают с длинной выдержкой, а часть — с короткой:

Затем значение пикселей усредняется и таким образом матрица может расширить динамический диапазон, сделав всего одно фото вместо серии снимков.

Для фокусировки над некоторыми парами пикселей размещаются специальные микролинзы. То есть, автофокус работает быстрее, чем классический PDAF (когда у части пикселей перекрывается половина фотодиода), но медленнее, чем Dual-PD в линейке GN, когда каждый пиксель на матрице используется и для получения изображения, и для фокусировки.

В целом, сенсоры GW1 и GW2 похожи. Основная разница заключается в том, что GW2 всегда снимает в 64 Мп и затем выдает снимок либо в полном разрешении, либо сжимает его до 16 Мп. А матрица GW1 изначально снимает в 16 Мп, так как каждые 4 пикселя объединены под одним цветным светофильтром.

Матрицы могут давать разный результат (не всегда в пользу GW2) в зависимости от производителя смартфона и его алгоритмов обработки снимков.

ISOCELL GW2 используется в смартфонах:

• Samsung Galaxy S20/S20+ (в качестве «телеобъектива»)
• Samsung Galaxy S21/S21+ (в качестве «телеобъектива»)
• Samsung Galaxy Note20 (в качестве «телеобъектива»)
• Redmi Note 9 Pro (вероятно)

Матрица ISOCELL GW3 (S5KGW3)

• Формат матрицы: 1/1.97″
• Диагональ: 8.2 мм
• Размеры: 6.5 x 4.86 мм
• Пиксели: ISOCELL Plus
• Размер пикселя: 0.7 мкм
• Цветной фильтр: Tetracell
• Система автофокуса: Super-PD

В третьем поколении матриц GW3 были использованы новые 0.7-мкм пиксели. Этот сенсор вышел одновременно с рассмотренным в первой части ISOCELL GM5. Но в отличие от 48-Мп матрицы, компания оставила старую технологию изоляции пикселей ISOCELL Plus вместо обновленной ISOCELL 2.0.

Соответственно, мы просто получили меньшую матрицу с менее эффективными пикселями.

Цветные фильтры здесь такие же, как в первой модели GW1, то есть, матрица работает в режиме биннинга (Tetracell). Но при желании сенсор может выдавать снимки и в полном разрешении.

Что касается системы автофокуса и управления светочувствительностью, GW3 полностью повторяет предыдущие модели.

С точки зрения физики — это худший сенсор в линейке ISOCELL GW. Главной задачей при его разработке стало сокращение размера модуля камеры и удешевление сенсора (ценой качества снимков).

Данная матрица использовалась в следующих смартфонах:

• Xiaomi Mi 11 Lite
• Samsung Galaxy A32
• Xiaomi Black Shark 4 Pro
• ZTE Nubia Red Magic 6
• Vivo V21

108-Мп сенсоры ISOCELL HM

Линейка ISOCELL HM — это первые и единственные на рынке сенсоры с разрешением 108 мегапикселей. В зависимости от модели используются как в самых дорогих камерофонах, так и средне-бюджетных аппаратах.

На текущий момент в линейку входит 4 модели:

Матрица ISOCELL HMX (S5KHMX)

• Формат матрицы: 1/1.33″
• Диагональ: 12.03 мм
• Пиксели: ISOCELL Plus
• Размер пикселя: 0.8 мкм
• Цветной фильтр: Tetracell
• Система автофокуса: Super-PD

В августе 2019 года Samsung сообщила о выпуске первой в мире мобильной фотоматрицы с разрешением 108 мегапикселей. Что интересно, в пресс-релизе 4 раза упоминалось о том, что данная матрица стала результатом тесного сотрудничества с компанией Xiaomi.

Но если вы посмотрите на технические характеристики HMX, то очень быстро заметите, что в этой матрице нет ничего нового.

Чуть ранее в том же году Samsung взяла свою 48-Мп матрицу ISOCELL GM2 и просто добавила 16 млн пикселей. В результате получилась матрица GW1, которая была на 15% крупнее.

Затем к этой матрице добавили еще 44 млн фотодиодов и появился 108-Мп сенсор HMX, размеры которого увеличились еще на 30%:

«Тесное сотрудничество» с Xiaomi заключалось в том, что компания согласилась стать полигоном для тестирования новой матрицы (или неплохо заплатила за такую возможность).

Из-за огромного количества пикселей и серьезной нагрузки на процессор новая матрица не поддерживала режим расширения динамического диапазона Real-Time HDR, как на других сенсорах. То есть, все пиксели под одним цветным фильтром снимали с одинаковой выдержкой.

Кроме того, объединение пикселей в группы по четыре требовало много света, так как матрица была слишком большой даже для объединенных 1.6-мкм пикселей. Нужно было либо делать объектив с огромным диаметром отверстия, либо объединять больше пикселей под одним цветным фильтром.

Второго варианта на тот момент не существовало, так что Xiaomi Mi Note 10 Pro получил объектив с диаметром входного зрачка более 4 мм. Для сравнения, на iPhone 12 он составляет всего 2.5 мм.

Сама Samsung ни разу не использовала эту матрицу ни в одном из своих аппаратов. Зачастую её можно встретить в устройствах Xiaomi:

• Xiaomi Mi Note 10
• Xiaomi Mi Note 10 Pro
• Xiaomi Mi 11
• Xiaomi Mix 4

Матрица ISOCELL HM1 (S5KHM1)

• Формат матрицы: 1/1.33″
• Диагональ: 12 мм
• Пиксели: ISOCELL Plus
• Размер пикселя: 0.8 мкм
• Цветной фильтр: Nonacell
• Система автофокуса: Super-PD

Это первая матрица от Samsung с новым цветным фильтром Nonacell. После HMX компания сделала определенные выводы и решила объединять не по 4, а по 9 пикселей под одним светофильтром. Размеры матрицы и пикселей остались прежними.

Такой шаг позволил значительно сократить количество шумов, тем самым немного снизив требования к светосиле объектива. Собственно, диаметр объектива Note 20 Ultra составлял уже 3.88 мм, при этом качество снимков было выше, чем у смартфона от Xiaomi.

С другой стороны это невероятно усложнило процесс ремозаики. С таким фильтром точно восстановить цвет каждого пикселя было просто невозможно. В Tetracell-матрице эта задача решалась гораздо проще, так как здесь практически каждый пиксель одного цвета соприкасался с пикселями двух других цветов:

Исключение составлял лишь первый ряд пикселей, которым можно было пренебречь. Поэтому Tetracell-матрица теоретически могла давать более высокую детализацию цветного изображения.

Но в целом добиться качественной картинки на Nonacell было проще, особенно если снимать в разрешении 12 Мп.

Эта матрица уже поддерживала знакомые всем по 48-Мп GM2 и 64-Мп GW1 технологии, включая Real-Time HDR (когда каждый пиксель в группе снимал с разной выдержкой) и систему автофокуса Super-PD.

В целом, HM1 можно считать полной копией GM2 или GW1, только с бóльшим числом фотодиодов и другим массивом цветных фильтров.

Матрица ISOCELL HM1 использовалась исключительно в двух камерофонах: Samsung Galaxy S20 Ultra и Galaxy Note 20 Ultra.

Матрица ISOCELL HM2 (S5KHM2)

• Формат матрицы: 1/1.52″
• Диагональ: 10.5 мм
• Пиксели: ISOCELL Plus
• Размер пикселя: 0.7 мкм
• Цветной фильтр: Nonacell
• Система автофокуса: Super-PD

От следующей модели сенсора в линейке HM логично было ожидать трех вещей: новых пикселей с изоляцией ISOCELL 2.0, поддержку системы выбора светочувствительности Smart-ISO Pro и технологию Staggered HDR. Но Samsung приготовила сюрприз.

Здесь не только не обновилась изоляция пикселей, но сами пиксели предыдущего поколения (ISOCELL Plus) уменьшились в размерах, что повлекло за собой и сокращение площади матрицы:

Это снова позволило уменьшить модуль камеры по высоте на 10%, так как сократилось фокусное расстояние.

Чтобы лучше понимать проблему крупных сенсоров, просто осознайте, что расстояние от объектива до матриц HMX или HM1 превышает толщину некоторых современных смартфонов. Это просто «бесполезное» пустое пространство внутри корпуса, чтобы фокусировать свет на матрицу.

Поэтому для многих производителей модель HM2 стала идеальным решением. Благодаря этой матрице разрешение 108 Мп пришло в средний ценовой сегмент.

Кроме того, HM2 сыграла на руку и маркетологам. Xiaomi удалось оснастить свой первый смартфон с гибким экраном Mi MIX Fold самой большой матрицей на рынке. Учитывая конструкцию смартфона, вместить туда нормальный сенсор (например, HM1) не представлялось возможным. А размеры HM2 как раз позволяли это сделать.

Также при разработке этого сенсора Samsung потратила немало денег на то, что вообще не имело никакого отношения к качеству съемки.

Матрица HM2 стала первой и единственной, получившей сертификат Carbon Measured. Для этого пришлось высчитывать количество парниковых газов, которые выделяются в атмосферу при производстве сенсора и его транспортировке, а также количество потраченной воды, электричества и газа.

В общем, если вам есть дело до углеродного следа, оставленного матрицей вашего смартфона, наверное, новый сенсор в этом смысле имеет какое-то преимущество. Во всём остальном — это шаг назад.

ISOCELL HM2 встречается в таких смартфонах:

• Honor 50/50 Pro
• Motorola Edge 20/20 Lite/20 Pro
• Redmi K40 Pro+
• Redmi Note 10 Pro
• Xiaomi Mi MIX Fold
• Xiaomi Mi 11i

Матрица ISOCELL HM3 (S5KHM3)

• Формат матрицы: 1/1.33″
• Диагональ: 12 мм
• Пиксели: ISOCELL Plus
• Размер пикселя: 0.8 мкм
• Цветной фильтр: Nonacell
• Система автофокуса: Super-PD Plus

Разумеется, Samsung не могла использовать предыдущий сенсор (HM2) в своем новом флагманском камерофоне, так как он уступал по качеству двум первым моделям. Поэтому компания занялась улучшением матрицы HM1.

Сюда были добавлены две технологии расширения динамического диапазона — Staggered HDR и Smart-ISO Pro. Первая позволяет делать серию снимков с разной экспозицией, не дожидаясь окончания считывания матрицы. То есть, как только определенная строка пикселей считалась, она тут же включается для захвата изображения с другой выдержкой.

Вторая технология позволяет считывать матрицу одновременно в двух режимах усиления аналогового сигнала (с высоким и низким ISO).

Вместо новых 0.7-мкм пикселей компания вернула старые 0.8-мкм, но технологию изоляции не обновила до ISOCELL 2.0.

Также в новой матрице была улучшена система автофокусировки. В частности, обновлены микролинзы, направляющие поток света от разных сторон объектива в свои пиксели.

На сегодняшний день ISOCELL HM3 — лучшая 108-Мп матрица от Samsung, которая встречается только в одном аппарате — Galaxy S21 Ultra. Тем не менее, она уступает моделям из линейки ISOCELL GN.

Дальнейшее наращивание мегапикселей не имеет никакого смысла. Ни с точки зрения вычислительной фотографии, ни с точки зрения физики. Конечно, теоретически можно выпустить матрицу с пикселями 0.8 мкм и изоляцией ISOCELL 2.0, у которой будет разрешение около 160 Мп. Всё, что выше — это исключительно маркетинг.

Но Samsung будет продолжать увеличивать мегапиксели, так как у компании есть идея фикс — выпустить сенсор с разрешением человеческого глаза, которое у компании почему-то равняется 500 Мп.

Забавно, но, скорее всего, так и произойдет.

В нашем глазу «цветных светофильтров» (колбочек) в 16-20 раз меньше, чем всех «пикселей» (светочувствительных клеток). Поэтому, не исключено, что в недалеком будущем мы увидим мобильную матрицу на 500 Мп с группировкой по 40 нано-пикселей под одним цветным фильтром. Сами пиксели при этом будут меньше длины волны света. Хотя, в новой матрице ISOCELL HP1 на 200 Мп они уже меньше длины волны части «красных» фотонов.

Алексей, главред Deep-Review