سنسورهای انباشته گوشی‌های هوشمند باریک با دوربین‌های عالی را فعال می‌کنند، اما راه طولانی برای ساخت آنها برای استفاده روزانه به اندازه کافی خوب بوده است.
اکثر گوشی های هوشمند دارای یک جزیره دوربین ضخیم تر از بقیه بدنه خود هستند. با این حال، حتی با احتساب آن برآمدگی اضافی، آنها نازک‌تر هستند و عکس‌ها و فیلم‌هایی می‌گیرند که بهتر از همتایان خود در چند سال پیش به نظر می‌رسند.
در اولین سال‌های عکاسی در حال حرکت، ابزارهای ضخیم‌تری هم مورد نیاز بود: دوربین‌های نقطه‌گذاری و عکاسی دهه 2000 را به خاطر دارید؟ امروزه همه چیز در دستگاه هایی با ضخامت نیم اینچ و گاهی حتی کمتر بسته بندی می شود. سنسورهای تصویر انباشته چیزی هستند که این امکان را فراهم می کنند.
آشنایی با عکاسی دیجیتال
تفاوت بین دوربین های آنالوگ و دیجیتال این است که اولی از یک فیلم ساخته شده از مواد حساس به عکس برای ضبط تصاویر استفاده می کند، در حالی که دومی دارای یک سنسور الکترونیکی است. در آن سنسور، هر پیکسل (نقاط جداگانه ای که یک تصویر دیجیتالی را تشکیل می دهند) اطلاعات نورانی است که توسط بخش بسیار کوچکی از سنسور (یکی برای هر پیکسل در عکس) گرفته شده است.
دو نوع سنسور دوربین دیجیتال وجود دارد، CCD (مخفف Charge-Coupled Device) و CMOS (نیمه هادی اکسید فلزی مکمل). همه دوربین های مدرن گوشی های هوشمند از دومی استفاده می کنند، بنابراین این فناوری است که در زیر توضیح خواهیم داد.
یک سنسور CMOS از چند عنصر تشکیل شده است. فتودیود مهمترین آنهاست: هنگامی که نور دریافت می کند سیگنال الکتریکی تولید می کند. این سیگنال توسط یک ترانزیستور درست در کنار فتودیود ذخیره می شود که سیگنال را به اطلاعات دیجیتالی تبدیل کرده و به مدار الکترونیکی ارسال می کند.
این مدار وظیفه تفسیر آن داده ها و ارسال آن را همراه با میلیاردها پیکسل دیگر به پردازشگر سیگنال تصویر (ISP) دارد که تصویر نهایی را ایجاد می کند.
روزهای اولیه دوربین های تلفن
تا سال 2008، سنسورهای CMOS یک مشکل جدی داشتند: سیم‌کشی مورد نیاز برای ارسال اطلاعات پیکسلی به ISP که بین فوتودیود و لنز عبور می‌کرد و مقداری از نور را مسدود می‌کرد. از همین ساختار برای سنسورهای CCD استفاده شد که بیشتر به نور حساس بودند، اما برای CMOS که به معنی عکس‌های تیره‌تر، پر سر و صداتر و تارتر بود.
این با یک ایده ساده حل شد: حرکت فتودیود در بالای سیم ها به طوری که نور بیشتری دریافت کند، بنابراین کیفیت تصویر بهبود می یابد. این سنسور برخلاف سنسورهای قبلی که دارای نور سمت جلو بودند، یک سنسور با نور پشتی (BSI) نامیده می شود.
برای قرار دادن همه چیز در چارچوب، آیفون 4، که شهرت اپل را در عکاسی از گوشی های هوشمند آغاز کرد، جزو اولین گوشی هایی بود که از این نوع سنسور استفاده کرد. این روزها تقریباً تمام دوربین های گوشی های هوشمند از سنسور BSI استفاده می کنند.
سنسورهای انباشته کیفیت عکس را بهبود می بخشد و اندازه را کاهش می دهد
حتی پس از برداشتن سیم، هنوز نکاتی برای بهبود در حسگرهای CMOS وجود داشت. یکی از آنها مدار مسئول پردازش اطلاعات ترانزیستور بود. دور فتودیود پیچیده شد. به همین دلیل، حدود نیمی از نوری که به هر پیکسل می رسید به بخشی از سنسور می رسید که هیچ نوری را جذب نمی کرد.
در سال 2012، اولین سنسور CMOS پشته‌ای ایجاد شد. به جای پیچیدن دور فتودیود، مدار در زیر آن قرار می گیرد. از آنجایی که (تا حدی) جای بستری را می گیرد که برای استحکام ساختاری استفاده می شود، هیچ ضخامت اضافه ای وجود ندارد. در واقع، از آن زمان، پیشرفت‌هایی در فرآیند انباشتگی، هم توسط سونی و هم سایر تولیدکنندگانی که این فناوری را اتخاذ کردند، منجر به ایجاد حسگرهای نازک‌تر شد که تلفن‌های نازک‌تری را فعال می‌کرد.
در مورد حتی بیشتر Stacking چطور؟
با حرکت مدار به زیر فتودیود، می توان فکر کرد که لایه بالایی تنها توسط بخش جذب کننده نور اشغال می شود، درست است؟ اشتباه.
ترانزیستور را به خاطر دارید؟ درست در کنار فتودیود قرار می گیرد و فضای گرانبهاتری برای گرفتن نور می گیرد. راه حل؟ انباشته شدن بیشتر!
مهندسان قبلاً این کار را انجام داده بودند. در سال 2017، سونی یک سنسور دوربین با رم بین فتودیود و مدار را معرفی کرد که فیلم‌های اسلوموشن فوق‌العاده 960 فریم بر ثانیه را امکان‌پذیر می‌کرد. موضوع اعمال همین ایده برای بخشی از سنسور موجود بود.
اکنون، فتودیود در نهایت در بالاترین قسمت سنسور قرار دارد و فقط فتودیود. این به طور موثر سیگنالی را که فتودیود می تواند بگیرد و ترانزیستور می تواند ذخیره کند دو برابر می کند.
فوری ترین اثر دو برابر اطلاعات نوری است که هر پیکسل باید روی آن کار کند. و مانند همه چیز در عکاسی، نور بیشتر به معنای تصاویر دقیق تر است.
با این حال، از آنجایی که ترانزیستور نیز ظرفیت خود را دو برابر می کند، می تواند سیگنال های الکتریکی را از دیود نوری به اطلاعات دیجیتالی تبدیل کند. یکی از کاربردهای احتمالی این کاهش نویز تصویر، بهبود بیشتر ظاهر عکس ها است.
سنسورهای انباشته برای آینده ای روشن تر
در حالی که سنسورهای تک پشته ای – فوتودیود و ترانزیستور در یک لایه، مدارهای زیر آن – مدتی است که وجود دارند، سنسورهای دو پشته ای (یک لایه برای هر قسمت) هنوز تا حدودی جدید هستند. آنها بیشتر در دوربین های حرفه ای مورد استفاده قرار می گیرند، با اولین تلفن همراهی که دارای چنین سنسوری است، Sony Xperia 1 V که در ماه می 2023 عرضه شد.
این بدان معناست که این فناوری هنوز در مراحل ابتدایی خود است. همراه با چندین پیشرفت دیگر که تاکنون در عکاسی با موبایل انجام شده است، سنسورهای انباشته به این معنی است که دوربین‌های گوشی‌های هوشمند در مسیر آینده‌ای روشن‌تر هستند – یا باید بگوییم تصویر روشن‌تر؟