Οι στοιβαγμένοι αισθητήρες επιτρέπουν τα λεπτά smartphone με εξαιρετικές κάμερες, αλλά έχει περάσει πολύς δρόμος για να γίνουν αρκετά καλά για καθημερινή χρήση
Τα περισσότερα smartphone διαθέτουν μια νησίδα κάμερας παχύτερη από το υπόλοιπο σώμα τους. Ωστόσο, ακόμη και αν μετρήσουμε αυτό το πρόσθετο χτύπημα, είναι πιο λεπτές και βγάζουν φωτογραφίες και βίντεο που φαίνονται καλύτερα από τους ομολόγους τους πριν από μερικά χρόνια.
Τα πρώτα χρόνια της εν κινήσει φωτογραφίας, χρειάζονταν ακόμα πιο χοντρά gadget: θυμάστε τις κάμερες point-and-shoot από τη δεκαετία του 2000; Σήμερα, τα πάντα είναι συσκευασμένα σε συσκευές με λεπτή μισή ίντσα, μερικές φορές ακόμη λιγότερο. Οι αισθητήρες στοιβαγμένων εικόνων είναι αυτοί που το καθιστούν δυνατό.
Κατανόηση της Ψηφιακής Φωτογραφίας
ο διαφορά μεταξύ αναλογικών και ψηφιακών φωτογραφικών μηχανών είναι ότι η πρώτη χρησιμοποιεί φιλμ από φωτοευαίσθητο υλικό για την εγγραφή εικόνων, ενώ η δεύτερη διαθέτει ηλεκτρονικό αισθητήρα. Σε αυτόν τον αισθητήρα, κάθε pixel (μεμονωμένα σημεία που σχηματίζουν μια ψηφιακή εικόνα) είναι πληροφορίες φωτισμού που συλλαμβάνονται από ένα πολύ μικρό μέρος του αισθητήρα (ένα για κάθε pixel στη φωτογραφία).
Υπάρχουν δύο τύποι αισθητήρων ψηφιακής κάμερας, CCD (ένα ακρωνύμιο για το Charge-Coupled Device) και το CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Όλες οι σύγχρονες κάμερες smartphone χρησιμοποιούν το τελευταίο, επομένως αυτή είναι η τεχνολογία που θα εξηγήσουμε παρακάτω.
Ένας αισθητήρας CMOS αποτελείται από μερικά στοιχεία. Η φωτοδίοδος είναι η πιο σημαντική: παράγει ηλεκτρικό σήμα όταν λαμβάνει φως. Αυτό το σήμα αποθηκεύεται από ένα τρανζίστορ ακριβώς δίπλα στη φωτοδίοδο, η οποία μεταφράζει το σήμα σε ψηφιακή πληροφορία και το στέλνει σε ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα.
Αυτό το κύκλωμα είναι υπεύθυνο για την ερμηνεία αυτών των δεδομένων και τη διαβίβασή τους, μαζί με τα δισεκατομμύρια άλλα pixel, στον Επεξεργαστή Σήματος Εικόνας (ISP) που δημιουργεί την τελική εικόνα.
Οι πρώτες μέρες των φωτογραφικών μηχανών τηλεφώνων
Μέχρι το 2008, οι αισθητήρες CMOS είχαν ένα σοβαρό πρόβλημα: η καλωδίωση που χρειαζόταν για την αποστολή πληροφοριών pixel στον ISP περνούσε ανάμεσα στη φωτοδίοδο και τον φακό, εμποδίζοντας μέρος του φωτός. Η ίδια δομή χρησιμοποιήθηκε για αισθητήρες CCD, οι οποίοι ήταν πιο ευαίσθητοι στο φως, αλλά για CMOS, αυτό σήμαινε πιο σκοτεινές, πιο θορυβώδεις και πιο θολές φωτογραφίες.
Αυτό λύθηκε με μια απλή ιδέα: μετακινώντας τη φωτοδίοδο πάνω από τα καλώδια ώστε να λαμβάνει περισσότερο φως, βελτιώνοντας επομένως την ποιότητα της εικόνας. Αυτός ονομάζεται αισθητήρας με φωτισμό πίσω όψης (BSI), σε αντίθεση με τους προηγούμενους που είχαν φωτισμό στην μπροστινή πλευρά.
Για να βάλουμε τα πράγματα στο πλαίσιο, το iPhone 4, το οποίο ξεκίνησε τη φήμη της Apple στη φωτογραφία smartphone, ήταν μεταξύ των πρώτων τηλεφώνων που χρησιμοποίησαν αυτόν τον τύπο αισθητήρα. Αυτές τις μέρες, σχεδόν όλες οι κάμερες smartphone χρησιμοποιούν αισθητήρες BSI.
Οι στοιβαγμένοι αισθητήρες βελτιώνουν την ποιότητα της φωτογραφίας και μειώνουν το μέγεθος
Ακόμη και μετά την αφαίρεση του καλωδίου, υπήρχαν ακόμα σημεία για βελτίωση στους αισθητήρες CMOS. Ένα από αυτά ήταν το κύκλωμα που ήταν υπεύθυνο για την επεξεργασία των πληροφοριών του τρανζίστορ. Τυλίχθηκε γύρω από τη φωτοδίοδο. Εξαιτίας αυτού, περίπου το ήμισυ του φωτός που έφτασε σε κάθε pixel κατέληξε σε ένα τμήμα του αισθητήρα που δεν απαθανάτισε καθόλου φως.
Το 2012, δημιουργήθηκε ο πρώτος στοιβαγμένος αισθητήρας CMOS. Αντί να τυλίγεται γύρω από τη φωτοδίοδο, το κύκλωμα τοποθετείται κάτω από αυτήν. Δεδομένου ότι (μερικώς) αντικαθιστά ένα υπόστρωμα που χρησιμοποιείται για δομική ακαμψία, δεν υπάρχει πρόσθετο πάχος. Στην πραγματικότητα, από τότε, οι βελτιώσεις στη διαδικασία στοίβαξης, τόσο από τη Sony όσο και από άλλους κατασκευαστές που υιοθέτησαν την τεχνολογία, οδήγησαν σε λεπτότερους αισθητήρες, οι οποίοι επέτρεψαν τα λεπτότερα τηλέφωνα.
Τι γίνεται με το Even More Stacking;
Μετακινώντας το κύκλωμα κάτω από τη φωτοδίοδο, θα πίστευε κανείς ότι το ανώτερο στρώμα θα καταλαμβάνεται αποκλειστικά από το τμήμα που συλλαμβάνει το φως, σωστά; Λανθασμένος.
Θυμάστε το τρανζίστορ; Βρίσκεται ακριβώς δίπλα στη φωτοδίοδο, καταλαμβάνοντας ακόμη πιο πολύτιμο χώρο σύλληψης φωτός. Η λύση? Περισσότερο στοίβαγμα!
Οι μηχανικοί το είχαν κάνει πριν. Το 2017, η Sony ανακοίνωσε έναν αισθητήρα κάμερας με μνήμη RAM ανάμεσα στη φωτοδίοδο και το κύκλωμα, επιτρέποντας βίντεο εξαιρετικά αργής κίνησης 960 FPS. Ήταν θέμα εφαρμογής της ίδιας ιδέας σε ένα μέρος του υπάρχοντος αισθητήρα.
Τώρα, η φωτοδίοδος είναι τελικά στο ανώτερο μέρος του αισθητήρα, και μόνο η φωτοδίοδος. Αυτό διπλασιάζει αποτελεσματικά το σήμα που μπορεί να συλλάβει η φωτοδίοδος και να αποθηκεύσει το τρανζίστορ.
Το πιο άμεσο αποτέλεσμα είναι το διπλάσιο των πληροφοριών φωτός που πρέπει να εργαστεί κάθε pixel. Και, όπως συμβαίνει με όλα στη φωτογραφία, περισσότερο φως σημαίνει πιο λεπτομερείς εικόνες.
Ωστόσο, δεδομένου ότι το τρανζίστορ διπλασιάζει επίσης τη χωρητικότητά του, μπορεί να μεταφράσει καλύτερα τα ηλεκτρικά σήματα από τη φωτοδίοδο σε ψηφιακές πληροφορίες. Μία από τις πιθανές εφαρμογές αυτού είναι η μείωση του θορύβου της εικόνας, βελτιώνοντας περαιτέρω την εμφάνιση των φωτογραφιών.
Στοιβαγμένοι αισθητήρες για ένα φωτεινότερο μέλλον
Ενώ οι αισθητήρες μονής στοίβας - φωτοδίοδος και τρανζίστορ σε ένα στρώμα, κύκλωμα κάτω από αυτό - υπάρχουν εδώ και αρκετό καιρό, οι διπλής στοίβας αισθητήρες (ένα στρώμα για κάθε τμήμα) εξακολουθούν να είναι κάπως νέοι. Χρησιμοποιούνται κυρίως σε επαγγελματικές κάμερες, με το πρώτο κινητό τηλέφωνο που διαθέτει τέτοιο αισθητήρα, το Sony Xperia 1 V, που κυκλοφόρησε τον Μάιο του 2023.
Αυτό σημαίνει ότι η τεχνολογία είναι ακόμα στα σπάργανα. Μαζί με αρκετές άλλες βελτιώσεις που έχουν γίνει στη φωτογραφία με φορητές συσκευές μέχρι στιγμής, στοιβαγμένες Οι αισθητήρες σημαίνουν ότι οι κάμερες των smartphone βρίσκονται στην πορεία προς ένα φωτεινότερο μέλλον — ή θα έπρεπε να πούμε ένα φωτεινότερο εικόνα?
