Zloženi senzorji omogočajo tanke pametne telefone z odličnimi kamerami, vendar je bila dolga pot, da so bili dovolj dobri za vsakodnevno uporabo
Večina pametnih telefonov ima otok kamere, ki je debelejši od ostalih ohišij. Toda tudi če upoštevamo to dodatno izboklino, so tanjši in posnamejo fotografije in videoposnetke, ki izgledajo bolje kot njihovi kolegi izpred nekaj let.
V prvih letih fotografiranja na poti so bili potrebni še debelejši pripomočki: se spomnite fotoaparatov z usmeritvijo in fotografiranjem iz leta 2000? Dandanes je vse zapakirano v pol centimetra tanke naprave, včasih tudi manj. To omogočajo zloženi slikovni senzorji.
Razumevanje digitalne fotografije
The razlika med analognimi in digitalnimi fotoaparati je, da prvi za snemanje slik uporablja film iz fotoobčutljivega materiala, medtem ko ima drugi elektronski senzor. V tem senzorju je vsaka slikovna pika (posamezne točke, ki tvorijo digitalno sliko) informacija o osvetlitvi, ki jo zajame zelo majhen del senzorja (ena za vsako slikovno piko na fotografiji).
Obstajata dve vrste senzorjev digitalnih fotoaparatov, CCD (akronim za nabojno sklopljeno napravo) in CMOS (komplementarni kovinsko-oksidni polprevodnik). Vse sodobne kamere pametnih telefonov uporabljajo slednjo, zato je to tehnologija, ki jo bomo razložili spodaj.
Senzor CMOS je sestavljen iz nekaj elementov. Fotodioda je najpomembnejša: generira električni signal, ko prejme svetlobo. Ta signal shrani a tranzistor tik ob fotodiodi, ki signal prevede v digitalno informacijo in jo pošlje v elektronsko vezje.
To vezje je odgovorno za interpretacijo teh podatkov in njihovo posredovanje skupaj z milijardami drugih slikovnih pik do slikovnega signalnega procesorja (ISP), ki ustvari končno sliko.
Zgodnji dnevi telefonskih kamer
Do leta 2008 so imeli senzorji CMOS resno težavo: ožičenje, potrebno za pošiljanje informacij o slikovnih pikah ponudniku internetnih storitev, je potekalo med fotodiodo in lečo ter blokiralo del svetlobe. Enaka struktura je bila uporabljena za senzorje CCD, ki so bili bolj občutljivi na svetlobo, toda za CMOS je to pomenilo temnejše, bolj hrupne in zamegljene fotografije.
To je bilo rešeno s preprosto idejo: premakniti fotodiodo nad žice, da prejme več svetlobe, s čimer se izboljša kakovost slike. To se imenuje senzor z osvetlitvijo s sprednje strani (BSI), v nasprotju s prejšnjimi senzorji, ki so bili osvetljeni s sprednje strani.
Če stvari postavimo v kontekst, je bil iPhone 4, ki je ustvaril Appleov sloves pri fotografiranju s pametnimi telefoni, med prvimi telefoni, ki so uporabljali tovrstno tipalo. Dandanes skoraj vse kamere pametnih telefonov uporabljajo senzorje BSI.
Zloženi senzorji izboljšajo kakovost fotografij in zmanjšajo velikost
Tudi po odstranitvi žice je bilo še vedno treba izboljšati senzorje CMOS. Eno od njih je bilo vezje, odgovorno za obdelavo informacij o tranzistorju. Ovil se je okoli fotodiode. Zaradi tega je približno polovica svetlobe, ki je dosegla vsak piksel, končala v delu senzorja, ki ni ujel svetlobe.
Leta 2012 je bil ustvarjen prvi zloženi senzor CMOS. Namesto ovijanja okoli fotodiode je vezje nameščeno pod njo. Ker (delno) zavzame mesto substrata, ki se uporablja za strukturno togost, ni dodane debeline. Pravzaprav so od takrat izboljšave v procesu zlaganja, tako s strani Sonyja kot drugih proizvajalcev, ki so sprejeli tehnologijo, povzročile tanjše senzorje, kar je omogočilo tanjše telefone.
Kaj pa še več zlaganja?
Če bi vezje premaknili pod fotodiodo, bi človek mislil, da bo zgornjo plast zasedel le del, ki zajema svetlobo, kajne? Narobe.
Se spomnite tranzistorja? Nahaja se tik ob fotodiodi in zavzame še več dragocenega prostora za zajem svetlobe. Rešitev? Več zlaganja!
Inženirji so to storili že prej. Leta 2017 je Sony napovedal senzor kamere z RAM-om med fotodiodo in vezjem, ki omogoča super počasne videoposnetke 960 FPS. Šlo je za uporabo iste ideje na delu obstoječega senzorja.
Zdaj je fotodioda končno v najvišjem delu senzorja in samo fotodioda. To dejansko podvoji signal, ki ga lahko fotodioda zajame in tranzistor shrani.
Najbolj takojšen učinek je podvojitev svetlobnih informacij, na katerih mora delovati vsak piksel. In kot pri vsem v fotografiji, več svetlobe pomeni bolj podrobne slike.
Ker pa tranzistor tudi podvoji svojo kapaciteto, lahko bolje prevede električne signale iz fotodiode v digitalno informacijo. Ena od možnih uporab tega je zmanjševanje šuma slike, kar dodatno izboljša videz fotografij.
Zloženi senzorji za svetlejšo prihodnost
Medtem ko so enosložni senzorji – fotodioda in tranzistor v eni plasti, vezje pod njo – prisotni že nekaj časa, so dvosložni (ena plast za vsak del) še nekoliko novi. Večinoma se uporabljajo v profesionalnih fotoaparatih, pri čemer je bil maja 2023 izdan prvi mobilni telefon s takšnim senzorjem, Sony Xperia 1 V.
To pomeni, da je tehnologija še v povojih. Skupaj s številnimi drugimi izboljšavami, ki so bile doslej narejene v mobilni fotografiji, naloženo senzorji pomenijo, da so kamere pametnih telefonov na poti v svetlejšo prihodnost – ali bi morali reči svetlejšo slika?
