本文來自格隆匯專欄：半導體行業觀察

本週，三星 LSI 推出了一種新的相機傳感器，似乎正在推動手機分辨率的極限。新的 S5KHP1，或簡稱爲 HP1 傳感器，將分辨率提高到 2億像素以上，幾乎是當今手機的當代硬件中部署的分辨率的兩倍。

新傳感器很有趣，因爲它標誌着一種新的 binning機制的實現，超越了當前部署的 Quad-Bayer（4:1 像素 binning）或“Nonapixel”（9:1  binning），而是一種新的“ChameleonCell” binning機制既能夠在 2x2 結構中採用 4:1  binning，也能夠在 4x4 結構中採用 16:1  binning。

我們熟悉三星的 108MP 傳感器已經有一段時間了，因爲它們在三星手機和小米設備中已經被採用了兩年多，儘管傳感器配置略有不同。最熟悉的實現可能是 S20 Ultra 和 S21 Ultra 系列中的 HM1 和 HM3 模塊，它們實現了“Nonapixel”9:1 像素合併技術，將 9 個像素聚合爲 1 個像素，以便在大多數情況下進行常規 12MP 捕獲。

9:1 方案的一個問題是，您必須在兩種分辨率模式之間有效地放大 3 倍，對於 S21 Ultra 等設備，這主要是一種冗餘功能模式，因爲手機有一個專用的 3 倍長焦模塊以更大的像素尺寸實現類似的像素空間分辨率。

8K 視頻錄製是一個用例，當原生 108MP 分辨率有意義時，但即使在這裏，問題是原始分辨率遠高於 8K 視頻所需的 33MP，這意味着手機必須遭受非常大的視野裁剪因爲它不支持從 108MP 到 33MP 的分辨率超級採樣。

新的 HP1 傳感器現在有兩種binning模式：4:1 和 16:1。4:1 模式有效地將 201MP 原始分辨率轉換爲 50MP 捕獲，當裁剪成 12.5MP 視圖幀時，將產生 2 倍放大率，這將更符合我們在 Quad-Bayer 傳感器中使用的情況。事實上，這裏的結果幾乎與 Quad-Bayer 傳感器一致，因爲 HP1 的原生濾色器仍然只有 12.5MP，這意味着單個 R/G/B 濾色器站點覆蓋 16 個原生像素。

4:1 / 2x2 binning模式更有用，因爲通常這裏的質量仍然很好，並且允許移動設備供應商支持高質量的 2 倍放大拍攝模式，而無需額外的相機模塊，這是很多人都在使用的東西設備，但由於結構妥協，三星自己的 108MP 3x3 binning傳感器已丟失。三星 LSI 在此甚至表示 HP1 將能夠實現 8K 視頻錄製，並且由於更少的裁剪要求，視野損失要小得多。

200MP可能毫無意義？

這將我們引向傳感器的實際原始分辨率，即 201MP 模式；在這裏，傳感器的原始像素間距僅爲 0.64µm，這是我們在業內所見的極小和最小的像素間距。這裏同樣很奇怪的是，由於 2.56 微米大小的濾色器，顏色分辨率在空間上降低了 4 倍，因此去馬賽克算法(demosaicing algorithm)必須比我們迄今爲止看到的通常的 Quad-Bayer 或 Nonapixel 實現做更多的工作。

在如此小的像素間距下，我們遇到了不同的問題，這就是衍射極限。通常，此類大型傳感器用作“廣角”模塊，因此它們的孔徑通常介於 f/1.6 和 f/1.9 之間——HP1 是 1/1.22” 光學格式傳感器，比 S21 Ultra 中的 HM3 大 19% ，所以也許 f/1.9 光圈更真實。f/1.9 的情況下，airy disk的最大強度中心直徑爲 1.15µm，通常我們傾向於說空間分辨率明顯下降的衍射極限是其兩倍——大約 2.3µm，遠遠超出傳感器的像素尺寸爲 0.64µm。

200MP 模式可能有一些輕微的好處，並且能夠比 50MP 更好地解決問題，但是我非常懷疑我們會看到比當前的 108MP 傳感器有多大優勢。從這個意義上說，在我看來，這是一種毫無意義的模式。

頂部：f/6.4 時 3.76 微米原生像素（7.8 微米airy disk - 2.07 倍比率）

底部：f/4.9 時 1.22 微米原生像素（5.9 微米airy disk - 4.83 倍比率）

話雖如此，我們確實看到市場上的相機實現在傳感器像素大小和光學方面遠高於衍射極限。例如，上面我取出了兩張 1:1 像素的裁剪圖——一張來自實際的相機和鏡頭，另一張來自 Galaxy S21 Ultra 的潛望鏡模塊。理論上，除了玻璃光學質量之外，我們應該會看到有些相似的分辨率，但很明顯 S21U 顯示的實際空間分辨率要低得多。這裏的一個重要原因再次是衍射極限，其中 S21U 的潛望鏡在 1.22µm 像素和 f/4.9 光圈下有一個 5.9µm 的airy disk，或像素大小的 4.82 倍，這意味着無法在物理上進一步解析入射光比實際傳感器分辨率的四分之一。

爲了讓 HP1 傳感器能夠利用其 200MP 模式，它需要有一個非常大的光圈光學元件來避免衍射，一個非常高質量的玻璃來實際解決細節，並且不需要非常苛刻的高動態範圍場景，由於小像素的滿井容量極低。

爲了緩解動態範圍問題，三星確實表示該傳感器採用了最新技術：更好的深溝槽隔離（“ISOCELL 3.0”）應該增加像素的全阱容量（full well capacity），同時還支持雙增益轉換器（Smart-ISO Pro）以及交錯的 HDR 捕捉。

就更現代的功能而言，傳感器缺少的一件事是全傳感器雙像素自動對焦，三星指出它改爲使用“雙超級 PD”，專用 PD 站點是現有超級 PD 實現的兩倍，例如在 HM3 上.

總的來說，HP1 看起來很有趣，但我不能否認傳感器的 200MP 模式幾乎沒有實際好處。理論上，設備能夠以相當合理的質量覆蓋從 1 倍到 5 倍的放大倍率範圍，並且可能避免在該焦距上使用專用模式，但是我們必須看看供應商如何圍繞傳感器設計他們的相機系統. 然而，新的 2x2 合併模式是受歡迎的，僅僅是因爲它比當前 108MP 傳感器中的 3x3 模式更通用，並且應該爲現實世界的相機體驗帶來巨大好處，即使原生 200MP 模式沒有按照廣告宣傳。