Stablede sensorer muliggør tynde smartphones med fantastiske kameraer, men det har været en lang vej at gøre dem gode nok til daglig brug
De fleste smartphones har en kamera-ø, der er tykkere end resten af deres krop. Men selv når man tæller det ekstra stød, er de tyndere og tager billeder og videoer, der ser bedre ud end deres modstykker for et par år siden.
I de første år med on-the-go fotografering var der brug for endnu tykkere gadgets: kan du huske peg-og-skyd-kameraerne fra 2000'erne? I dag er alt pakket i enheder, der er en halv tomme tynde, nogle gange endda mindre. Stablede billedsensorer er det, der gør dette muligt.
Forstå digital fotografering
Det forskel på analoge og digitale kameraer er, at førstnævnte bruger en film lavet af et fotofølsomt materiale til at optage billeder, mens sidstnævnte har en elektronisk sensor. I den sensor er hver pixel (individuelle punkter, der danner et digitalt billede) lysinformation, der fanges af en meget lille del af sensoren (en for hver pixel på billedet).
Der er to typer af digitale kamerasensorer, CCD (et akronym for Charge-Coupled Device) og CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Alle moderne smartphone-kameraer bruger sidstnævnte, så det er den teknologi, vi vil forklare nedenfor.
En CMOS-sensor består af nogle få elementer. Fotodioden er den vigtigste: den genererer et elektrisk signal, når den modtager lys. Dette signal lagres af en transistor lige ved siden af fotodioden, som omsætter signalet til digital information og sender det til et elektronisk kredsløb.
Det kredsløb er ansvarligt for at fortolke disse data og videregive dem sammen med de milliarder af andre pixels til den billedsignalprocessor (ISP), der skaber det endelige billede.
De tidlige dage med telefonkameraer
Indtil 2008 havde CMOS-sensorer et alvorligt problem: ledningerne, der var nødvendige for at sende pixelinformation til internetudbyderen, gik mellem fotodioden og linsen og blokerede noget af lyset. Den samme struktur blev brugt til CCD-sensorer, som var mere lysfølsomme, men for CMOS betød det mørkere, mere støjende og slørere billeder.
Det blev løst med en simpel idé: at flytte fotodioden over ledningerne, så den modtager mere lys, hvilket forbedrer billedkvaliteten. Det kaldes en Back-Side Illuminated (BSI) sensor, i modsætning til tidligere, der var Front-Side Illuminated.
For at sætte tingene i sammenhæng var iPhone 4, som startede Apples ry inden for smartphonefotografering, blandt de første telefoner, der brugte denne type sensor. I disse dage bruger stort set alle smartphone-kameraer BSI-sensorer.
Stablede sensorer forbedrer fotokvaliteten og reducerer størrelsen
Selv efter at have fjernet ledningen, var der stadig punkter at forbedre i CMOS-sensorer. Et af dem var kredsløbet, der var ansvarligt for at behandle transistorinformationen. Det viklet rundt om fotodioden. På grund af det endte omkring halvdelen af lyset, der nåede hver pixel, i en del af sensoren, der ikke fangede noget lys.
I 2012 blev den første stablede CMOS-sensor skabt. I stedet for at vikle sig rundt om fotodioden, placeres kredsløbet under det. Da det (delvis) træder i stedet for et substrat, der bruges til strukturel stivhed, er der ingen ekstra tykkelse. Faktisk har forbedringer i stablingsprocessen, både fra Sony og andre producenter, der tog teknologien, siden da resulteret i tyndere sensorer, som muliggjorde tyndere telefoner.
Hvad med endnu mere stabling?
Ved at flytte kredsløbet under fotodioden, skulle man tro, at det øverste lag udelukkende ville blive optaget af den lysfangende del, ikke? Forkert.
Kan du huske transistoren? Den sidder lige ved siden af fotodioden og tager endnu mere værdifuld lysfangende plads. Løsningen? Mere stabling!
Ingeniører havde gjort det før. I 2017 annoncerede Sony en kamerasensor med RAM mellem fotodioden og kredsløbet, hvilket muliggør 960FPS super slowmotion-videoer. Det var et spørgsmål om at anvende den samme idé på en del af den eksisterende sensor.
Nu er fotodioden endelig i den øverste del af sensoren, og kun fotodioden. Dette fordobler effektivt det signal, fotodioden kan fange, og transistoren kan lagre.
Den mest umiddelbare effekt er den dobbelte lysinformation, hver pixel skal arbejde på. Og som med alt inden for fotografering betyder mere lys mere detaljerede billeder.
Men da transistoren også fordobler sin kapacitet, kan den bedre omsætte de elektriske signaler fra fotodioden til digital information. En af de mulige anvendelser af dette er at reducere billedstøj, hvilket yderligere forbedrer, hvordan billeder ser ud.
Stablede sensorer for en lysere fremtid
Mens enkeltstablede sensorer - fotodiode og transistor i ét lag, kredsløb under det - har eksisteret i nogen tid, er dobbeltstablede sensorer (et lag for hver del) stadig noget nyt. De bruges mest i professionelle kameraer, med den første mobiltelefon med en sådan sensor, Sony Xperia 1 V, udgivet i maj 2023.
Det betyder, at teknologien stadig er i sin vorden. Sammen med adskillige andre forbedringer, der er blevet lavet inden for mobilfotografering indtil videre, stablet sensorer betyder, at smartphone-kameraer er på vej mod en lysere fremtid - eller skal vi sige en lysere billede?
