Pinotut anturit mahdollistavat ohuet älypuhelimet upeilla kameroilla, mutta on ollut pitkä tie tehdä niistä tarpeeksi hyviä päivittäiseen käyttöön
Useimmissa älypuhelimissa on muita runkoja paksumpi kamerasaari. Kuitenkin, vaikka laskettaisiin tämä ylimääräinen kuoppa, ne ovat ohuempia ja ottavat valokuvia ja videoita, jotka näyttävät paremmilta kuin muutaman vuoden takaiset kollegansa.
On-the-go-kuvauksen ensimmäisinä vuosina tarvittiin vielä paksumpia vempaimia: muistatko 2000-luvun osoita ja ammu -kamerat? Nykyään kaikki on pakattu puoli tuumaa ohuisiin laitteisiin, joskus jopa vähemmän. Pinotut kuvaanturit tekevät tämän mahdolliseksi.
Digitaalisen valokuvauksen ymmärtäminen
The ero analogisten ja digitaalisten kameroiden välillä on, että edellinen käyttää valoherkästä materiaalista tehtyä filmiä kuvien tallentamiseen, kun taas jälkimmäisessä on elektroninen anturi. Siinä sensorissa jokainen pikseli (yksittäiset pisteet, jotka muodostavat digitaalisen kuvan) on valaistustietoa, joka on vangittu anturin hyvin pienellä osalla (yksi jokaista kuvan pikseliä kohden).
On kaksi digitaalikameran anturityypit, CCD (lyhenne sanoista Charge-Cupled Device) ja CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Kaikki nykyaikaiset älypuhelimen kamerat käyttävät jälkimmäistä, joten se on tekniikka, jonka selitämme alla.
CMOS-anturi koostuu muutamasta elementistä. Valodiodi on tärkein: se tuottaa sähköisen signaalin vastaanottaessaan valoa. Tämän signaalin tallentaa a transistori aivan fotodiodin vieressä, joka muuntaa signaalin digitaaliseksi informaatioksi ja lähettää sen elektroniseen piiriin.
Tämä piiri on vastuussa tietojen tulkinnasta ja sen välittämisestä miljardien muiden pikselien kanssa kuvan signaaliprosessorille (ISP), joka luo lopullisen kuvan.
Puhelinkameroiden varhaiset päivät
Vuoteen 2008 asti CMOS-antureilla oli vakava ongelma: johdotukset, jotka tarvittiin pikselitietojen lähettämiseen Internet-palveluntarjoajalle, kulkivat valodiodin ja linssin välissä ja estivät osan valosta. Samaa rakennetta käytettiin CCD-kennoille, jotka olivat valoherkempiä, mutta CMOS-kennoille se tarkoitti tummempia, meluisempia ja epäselvämpiä kuvia.
Se ratkesi yksinkertaisella idealla: siirtämällä valodiodia johtimien yläpuolelle, jotta se saa enemmän valoa, mikä parantaa kuvanlaatua. Sitä kutsutaan takapuolelta valaistuksi (BSI) anturiksi, toisin kuin aikaisemmat, jotka olivat etupuolelta valaistuja.
Asiat kontekstissa, iPhone 4, joka loi Applen maineen älypuhelinvalokuvauksessa, oli ensimmäisten puhelimien joukossa, jotka käyttivät tämäntyyppistä anturia. Nykyään käytännössä kaikki älypuhelimien kamerat käyttävät BSI-antureita.
Pinotut anturit parantavat valokuvan laatua ja pienentävät kokoa
Jopa johdon poistamisen jälkeen CMOS-antureissa oli vielä parantamisen varaa. Yksi niistä oli piiri, joka vastasi transistoritietojen käsittelystä. Se kietoutui valodiodin ympärille. Tästä johtuen noin puolet jokaisen pikselin saavuttaneesta valosta päätyi anturin osaan, joka ei sieppannut valoa.
Vuonna 2012 luotiin ensimmäinen pinottu CMOS-anturi. Sen sijaan, että se kääriisi valodiodin ympärille, piiri sijoitetaan sen alle. Koska se (osittain) korvaa rakenteellisen jäykkyyden vuoksi käytetyn alustan, paksuutta ei lisätä. Itse asiassa sen jälkeen sekä Sonyn että muiden teknologian käyttöön ottaneiden valmistajien pinoamisprosessin parannukset johtivat ohuempiin antureisiin, mikä mahdollisti ohuempien puhelimien valmistuksen.
Entä vielä enemmän pinoamista?
Siirtämällä piiriä fotodiodin alapuolelle, luulisi, että pintakerroksen peittäisi vain valoa sieppaava osa, eikö niin? Väärä.
Muistatko transistorin? Se sijaitsee aivan valodiodin vieressä ja vie vielä arvokkaampaa valoa vangitsevaa tilaa. Ratkaisu? Lisää pinoamista!
Insinöörit olivat tehneet sen aiemmin. Vuonna 2017 Sony julkisti kamera-anturin, jossa on RAM-muisti valodiodin ja piirien välissä, mikä mahdollistaa 960 FPS: n superhidastetun videon. Kyse oli saman idean soveltamisesta olemassa olevan anturin osaan.
Nyt fotodiodi on vihdoin anturin ylimmässä osassa ja vain valodiodi. Tämä kaksinkertaistaa tehokkaasti signaalin, jonka valodiodi voi siepata ja transistori voi tallentaa.
Välittömin vaikutus on kaksinkertainen valoinformaatio, jonka jokaisen pikselin on työstettävä. Ja kuten kaikessa valokuvauksessa, enemmän valoa tarkoittaa yksityiskohtaisempia kuvia.
Koska transistori kuitenkin myös kaksinkertaistaa kapasiteettinsa, se pystyy paremmin muuttamaan valodiodin sähköiset signaalit digitaaliseksi informaatioksi. Yksi tämän mahdollisista sovelluksista on vähentää kuvan kohinaa, mikä parantaa entisestään valokuvien ulkonäköä.
Pinotut anturit valoisampaan tulevaisuuteen
Vaikka yksipinoiset anturit - fotodiodi ja transistori yhdessä kerroksessa, piirit sen alla - ovat olleet olemassa jo jonkin aikaa, kaksinkertaiset (yksi kerros kutakin osaa kohti) ovat vielä jonkin verran uusia. Niitä käytetään enimmäkseen ammattikameroissa, ja ensimmäinen matkapuhelin, jossa on tällainen sensori, on Sony Xperia 1 V, joka julkaistiin toukokuussa 2023.
Tämä tarkoittaa, että tekniikka on vielä lapsenkengissään. Monien muiden mobiilikuvaukseen tähän mennessä tehtyjen parannusten ohella pinottuna anturit tarkoittavat, että älypuhelinten kamerat ovat matkalla kohti valoisampaa tulevaisuutta – tai pitäisikö sanoa, että valoisampaa kuva?
