Стекированные датчики позволяют создавать тонкие смартфоны с отличными камерами, но пройти долгий путь, чтобы сделать их достаточно хорошими для повседневного использования.
У большинства смартфонов островок камеры толще, чем остальная часть их корпуса. Однако, даже с учетом этого дополнительного выступа, они тоньше и снимают фотографии и видео, которые выглядят лучше, чем их аналоги несколько лет назад.
В первые годы мобильной фотографии требовались еще более толстые гаджеты: помните мыльницы из 2000-х? В настоящее время все упаковано в устройства толщиной в полдюйма, а иногда и меньше. Стекированные датчики изображения делают это возможным.
Понимание цифровой фотографии
разница между аналоговыми и цифровыми камерами заключается в том, что в первом для записи изображений используется пленка из светочувствительного материала, а во втором используется электронный датчик. В этом датчике каждый пиксель (отдельные точки, формирующие цифровое изображение) представляет собой информацию об освещении, полученную очень маленькой частью датчика (по одной на каждый пиксель на фотографии).
Есть два типы датчиков цифровых камер, CCD (аббревиатура от Charge-Coupled Device) и CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Все современные камеры смартфонов используют последнюю, так что эту технологию мы объясним ниже.
Датчик CMOS состоит из нескольких элементов. Фотодиод является наиболее важным: он генерирует электрический сигнал, когда получает свет. Этот сигнал хранится в транзистор прямо рядом с фотодиодом, который переводит сигнал в цифровую информацию и отправляет ее на электронную схему.
Эта схема отвечает за интерпретацию этих данных и передачу их вместе с миллиардами других пикселей в процессор сигналов изображения (ISP), который создает окончательное изображение.
Первые дни телефонных камер
До 2008 года у КМОП-сенсоров была серьезная проблема: проводка, необходимая для отправки информации о пикселях в интернет-провайдер, проходила между фотодиодом и объективом, блокируя часть света. Та же структура использовалась для ПЗС-сенсоров, которые были более светочувствительными, но для КМОП это означало более темные, шумные и размытые фотографии.
Это было решено с помощью простой идеи: поместить фотодиод над проводами, чтобы он получал больше света, тем самым улучшая качество изображения. Это называется датчиком с задней подсветкой (BSI), в отличие от предыдущих датчиков с передней подсветкой.
Для сравнения: iPhone 4, который положил начало репутации Apple в области фотографии для смартфонов, был одним из первых телефонов, в которых использовался датчик этого типа. В наши дни практически все камеры смартфонов используют датчики BSI.
Сложенные датчики улучшают качество фотографий и уменьшают размер
Даже после удаления провода в CMOS-сенсорах все еще оставалось что-то, что нужно было улучшить. Одной из них была схема, отвечающая за обработку информации о транзисторе. Он обернут вокруг фотодиода. Из-за этого примерно половина света, достигающего каждого пикселя, оказывалась в той части сенсора, которая не улавливала свет.
В 2012 году был создан первый многослойный CMOS-сенсор. Вместо того, чтобы оборачиваться вокруг фотодиода, схема размещена под ним. Поскольку он (частично) заменяет подложку, используемую для структурной жесткости, нет дополнительной толщины. Фактически, с тех пор усовершенствования процесса укладки, как со стороны Sony, так и других производителей, внедривших эту технологию, привели к созданию более тонких сенсоров, что позволило сделать телефоны тоньше.
А как насчет еще большего стекирования?
Если переместить схему под фотодиод, можно подумать, что верхний слой будет занят исключительно светоулавливающей частью, верно? Неправильный.
Помните транзистор? Он расположен рядом с фотодиодом, занимая еще больше места для захвата света. Решение? Больше укладки!
Инженеры сделали это раньше. В 2017 году Sony анонсировала датчик камеры с оперативной памятью между фотодиодом и схемой, что позволяет снимать сверхзамедленное видео со скоростью 960 кадров в секунду. Это был вопрос применения той же идеи к части существующего датчика.
Теперь фотодиод, наконец, находится в самой верхней части сенсора, и только фотодиод. Это эффективно удваивает сигнал, который может уловить фотодиод и сохранить транзистор.
Самый непосредственный эффект — удвоение информации о свете, с которой должен работать каждый пиксель. И, как и во всем в фотографии, больше света означает более детализированные снимки.
Однако, поскольку транзистор также удваивает свою емкость, он может лучше преобразовывать электрические сигналы с фотодиода в цифровую информацию. Одним из возможных применений этого является уменьшение шума изображения, что еще больше улучшает внешний вид фотографий.
Многоуровневые датчики для светлого будущего
В то время как датчики с одним пакетом — фотодиод и транзистор в одном слое, схема под ним — существуют уже некоторое время, датчики с двойным пакетом (по одному слою для каждой части) все еще являются чем-то новым. В основном они используются в профессиональных камерах: первый мобильный телефон с таким датчиком, Sony Xperia 1 V, был выпущен в мае 2023 года.
Это означает, что технология все еще находится в зачаточном состоянии. Наряду с несколькими другими улучшениями, внесенными в мобильную фотографию, датчики означают, что камеры смартфонов находятся на пути к светлому будущему — или, лучше сказать, к более светлому будущему. картина?
