Ce este un senzor de cameră stivuit și cum funcționează?

Majoritatea smartphone-urilor au o insulă de cameră mai groasă decât restul corpului lor. Cu toate acestea, chiar și luând în considerare acel denivelare suplimentară, sunt mai subțiri și fac fotografii și videoclipuri care arată mai bine decât omologii lor de acum câțiva ani.

În primii ani de fotografiere în mișcare, era nevoie de gadgeturi și mai groase: vă amintiți camerele de îndreptare și fotografiere din anii 2000? În zilele noastre, totul este împachetat în dispozitive cu o grosime de jumătate de inch, uneori chiar mai puțin. Senzorii de imagine stivuiti sunt cei care fac acest lucru posibil.

Înțelegerea fotografiei digitale

The diferența dintre camerele digitale și analogice este că primul folosește un film dintr-un material fotosensibil pentru a înregistra poze, în timp ce cel din urmă are un senzor electronic. În acel senzor, fiecare pixel (puncte individuale care formează o imagine digitală) reprezintă informații de iluminare capturate de o parte foarte mică a senzorului (câte unul pentru fiecare pixel din fotografie).

Sunt două tipuri de senzori pentru camere digitale, CCD (un acronim pentru Charge-Coupled Device) și CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Toate camerele moderne de smartphone-uri folosesc pe acesta din urmă, așa că aceasta este tehnologia pe care o vom explica mai jos.

Un senzor CMOS este format din câteva elemente. Fotodioda este cea mai importantă: generează un semnal electric atunci când primește lumină. Acest semnal este stocat de a tranzistor chiar lângă fotodiodă, care traduce semnalul în informații digitale și îl trimite către un circuit electronic.

Acest circuit este responsabil pentru interpretarea acestor date și transmiterea lor, împreună cu miliarde de alți pixeli, către Procesorul de semnal de imagine (ISP) care creează imaginea finală.

Primele zile ale camerelor telefonice

Până în 2008, senzorii CMOS aveau o problemă serioasă: cablarea necesară pentru a trimite informații despre pixeli către ISP trecea între fotodiodă și obiectiv, blocând o parte din lumină. Aceeași structură a fost folosită pentru senzorii CCD, care erau mai sensibili la lumină, dar pentru CMOS, asta însemna fotografii mai întunecate, mai zgomotoase și mai neclare.

Acest lucru a fost rezolvat cu o idee simplă: mutarea fotodiodei deasupra firelor astfel încât să primească mai multă lumină, îmbunătățind astfel calitatea imaginii. Acesta se numește senzor cu iluminare în spate (BSI), spre deosebire de cei anteriori care au fost iluminați în partea din față.

Pentru a pune lucrurile în context, iPhone 4, care a început reputația Apple în fotografia smartphone-urilor, a fost printre primele telefoane care au folosit acest tip de senzor. În zilele noastre, aproape toate camerele smartphone-urilor folosesc senzori BSI.

Senzorii stivuiți îmbunătățesc calitatea fotografiilor și reduc dimensiunea

Chiar și după îndepărtarea firului, au existat încă puncte de îmbunătățit în senzorii CMOS. Unul dintre ele a fost circuitul responsabil de procesarea informațiilor tranzistorului. S-a înfășurat în jurul fotodiodei. Din această cauză, aproximativ jumătate din lumina care a ajuns la fiecare pixel a ajuns într-o parte a senzorului care nu a captat nicio lumină.

În 2012, a fost creat primul senzor CMOS stivuit. În loc să se înfășoare în jurul fotodiodei, circuitele sunt plasate sub ea. Deoarece ia (parțial) locul unui substrat utilizat pentru rigiditatea structurală, nu există o grosime adăugată. De fapt, de atunci, îmbunătățirile în procesul de stivuire, atât de către Sony, cât și de către alți producători care au adoptat tehnologia, au avut ca rezultat senzori mai subțiri, care au permis telefoane mai subțiri.

Dar și mai mult stivuire?

Prin mutarea circuitelor sub fotodiodă, s-ar crede că stratul superior va fi ocupat numai de partea care captează lumina, nu? Gresit.

Îți amintești tranzistorul? Se așează chiar lângă fotodiodă, ocupând spațiu și mai prețios de captare a luminii. Soluția? Mai mult stivuire!

Inginerii o făcuseră înainte. În 2017, Sony a anunțat un senzor de cameră cu memorie RAM între fotodiodă și circuite, permițând videoclipuri super slow-motion de 960 FPS. Era o chestiune de aplicare a aceleiași idei unei părți a senzorului existent.

Acum, fotodioda este în sfârșit în partea de sus a senzorului și doar fotodioda. Acest lucru dublează efectiv semnalul pe care fotodioda îl poate capta și tranzistorul îl poate stoca.

Efectul cel mai imediat este dublul informațiilor de lumină pe care trebuie să lucreze fiecare pixel. Și, ca și în orice lucru în fotografie, mai multă lumină înseamnă imagini mai detaliate.

Cu toate acestea, deoarece tranzistorul își dublează și capacitatea, poate traduce mai bine semnalele electrice de la fotodiodă în informații digitale. Una dintre posibilele aplicații ale acestui lucru este reducerea zgomotului imaginii, îmbunătățind și mai mult modul în care arată fotografiile.

Senzori stivuiți pentru un viitor mai luminos

În timp ce senzorii cu un singur stivuire - fotodiodă și tranzistor într-un singur strat, circuitele de sub acesta - există de ceva timp, cei cu stivuire dublă (un strat pentru fiecare parte) sunt încă oarecum noi. Ele sunt utilizate în principal în camerele profesionale, primul telefon mobil care dispune de un astfel de senzor, Sony Xperia 1 V, lansat în mai 2023.

Asta înseamnă că tehnologia este încă la început. Împreună cu alte câteva îmbunătățiri care au fost făcute în fotografia mobilă până acum, stivuite Senzorii înseamnă că camerele smartphone-urilor sunt pe calea către un viitor mai luminos – sau ar trebui să spunem unul mai luminos imagine?