Stablede sensorer muliggjør tynne smarttelefoner med flotte kameraer, men det har vært en lang vei å gjøre dem gode nok for daglig bruk
De fleste smarttelefoner har en kameraøy tykkere enn resten av kroppen. Men selv om man regner med den ekstra bumpen, er de tynnere og tar bilder og videoer som ser bedre ut enn sine kolleger for noen år siden.
I de første årene med fotografering på farten var det nødvendig med enda tykkere dingser: husker du pek-og-skyt-kameraene fra 2000-tallet? I dag er alt pakket i enheter som er en halv tomme tynne, noen ganger enda mindre. Stablede bildesensorer er det som gjør dette mulig.
Forstå digital fotografering
De forskjellen mellom analoge og digitale kameraer er at førstnevnte bruker en film laget av et fotosensitivt materiale for å ta bilder, mens sistnevnte har en elektronisk sensor. I den sensoren er hver piksel (individuelle punkter som danner et digitalt bilde) lysinformasjon fanget opp av en veldig liten del av sensoren (en for hver piksel på bildet).
Det er to typer digitale kamerasensorer, CCD (et akronym for Charge-Coupled Device) og CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Alle moderne smarttelefonkameraer bruker sistnevnte, så det er teknologien vi skal forklare nedenfor.
En CMOS-sensor består av noen få elementer. Fotodioden er den viktigste: den genererer et elektrisk signal når den mottar lys. Dette signalet lagres av en transistor rett ved siden av fotodioden, som oversetter signalet til digital informasjon og sender det til en elektronisk krets.
Den kretsen er ansvarlig for å tolke disse dataene og sende dem, sammen med milliarder av andre piksler, til Image Signal Processor (ISP) som lager det endelige bildet.
De tidlige dagene med telefonkameraer
Fram til 2008 hadde CMOS-sensorer et alvorlig problem: ledningene som trengs for å sende pikselinformasjon til Internett-leverandøren gikk mellom fotodioden og linsen, og blokkerte noe av lyset. Den samme strukturen ble brukt for CCD-sensorer, som var mer lysfølsomme, men for CMOS betydde det mørkere, mer støyende og uskarpe bilder.
Det ble løst med en enkel idé: å flytte fotodioden over ledningene slik at den mottar mer lys, og dermed forbedre bildekvaliteten. Det kalles en Back-Side Illuminated (BSI) sensor, i motsetning til tidligere som var Front-Side Illuminated.
For å sette ting i sammenheng var iPhone 4, som startet Apples rykte innen smarttelefonfotografering, blant de første telefonene som brukte denne typen sensorer. I disse dager bruker praktisk talt alle smarttelefonkameraer BSI-sensorer.
Stablede sensorer forbedrer fotokvaliteten og reduserer størrelsen
Selv etter å ha fjernet ledningen, var det fortsatt poeng å forbedre i CMOS-sensorer. En av dem var kretsen som var ansvarlig for å behandle transistorinformasjonen. Den viklet rundt fotodioden. På grunn av det havnet omtrent halvparten av lyset som nådde hver piksel i en del av sensoren som ikke fanget noe lys.
I 2012 ble den første stablede CMOS-sensoren laget. I stedet for å vikle seg rundt fotodioden, er kretsen plassert under den. Siden det (delvis) tar plassen til et underlag som brukes for strukturell stivhet, er det ingen ekstra tykkelse. Faktisk, siden da har forbedringer i stableprosessen, både av Sony og andre produsenter som tok i bruk teknologien, resultert i tynnere sensorer, som muliggjorde tynnere telefoner.
Hva med enda mer stabling?
Ved å flytte kretsene under fotodioden, skulle man tro at det øverste laget kun ville være okkupert av den lysfangende delen, ikke sant? Feil.
Husker du transistoren? Den sitter rett ved siden av fotodioden og tar enda mer verdifull lysfangstplass. Løsningen? Mer stabling!
Ingeniører hadde gjort det før. I 2017 annonserte Sony en kamerasensor med RAM mellom fotodioden og kretsen, som muliggjør 960FPS super sakte film. Det var et spørsmål om å bruke den samme ideen på en del av den eksisterende sensoren.
Nå er fotodioden endelig i den øverste delen av sensoren, og kun fotodioden. Dette dobler effektivt signalet fotodioden kan fange og transistoren kan lagre.
Den mest umiddelbare effekten er dobbelt så mye lysinformasjon hver piksel må jobbe med. Og som med alt innen fotografering betyr mer lys mer detaljerte bilder.
Men siden transistoren også dobler kapasiteten, kan den bedre oversette de elektriske signalene fra fotodioden til digital informasjon. En av de mulige bruksområdene for dette er å redusere bildestøy, noe som ytterligere forbedrer hvordan bildene ser ut.
Stablede sensorer for en lysere fremtid
Mens enkeltstablede sensorer - fotodiode og transistor i ett lag, kretser under det - har eksistert en stund, er dobbeltstablede sensorer (ett lag for hver del) fortsatt noe nytt. De brukes mest i profesjonelle kameraer, med den første mobiltelefonen som har en slik sensor, Sony Xperia 1 V, utgitt i mai 2023.
Det betyr at teknologien fortsatt er i sin spede begynnelse. Sammen med flere andre forbedringer som har blitt gjort innen mobilfotografering så langt, stablet sensorer betyr at smarttelefonkameraer er på vei til en lysere fremtid – eller skal vi si en lysere bilde?
