Επεξήγηση αισθητήρων κάμερας smartphone – PhoneArena

By | January 11, 2024

Τα σημερινά smartphone είναι τόσο ισχυρά που θα μπορούσαν όχι μόνο να έχουν εκτοξεύσει κάθε αποστολή Apollo στη Σελήνη, αλλά και να τραβήξουν κάθε φωτογραφία και βίντεο από την επιφάνεια της Σελήνης και να τα δημοσιεύσουν στο Instagram.

Πέρα από τα αστεία, η τεχνολογία πίσω από τις σύγχρονες κάμερες smartphone είναι τόσο προηγμένη, από τους αισθητήρες έως όλους τους αλγόριθμους λογισμικού, που μπορεί κανείς να χρησιμοποιήσει ένα smartphone για τη λήψη εικόνων και βίντεο για σχεδόν οποιοδήποτε σενάριο μπορεί να φανταστεί κανείς.

Υπάρχει μια ολόκληρη λίστα ταινιών που έχουν γυριστεί εξ ολοκλήρου σε smartphone και πολλές εκθέσεις φωτογραφίας και διαγωνισμοί βασίζονται επίσης στο smartphone ως το κύριο εργαλείο επιλογής τους. Αυτά τα εκθέματα δεν διαθέτουν μόνο μερικά αρκετά δημοφιλή ονόματα στη βιομηχανία, αλλά είναι επίσης αρκετά εκπληκτικά.

Τι κρύβεται πίσω από όλα αυτά; Τι κάνει τα smartphone αρκετά καλά, ακόμη και για επαγγελματίες φωτογράφους και κινηματογραφιστές; Τι είναι ο αισθητήρας CMOS και τι ακριβώς είναι ο σχεδιασμός τρανζίστορ-pixel διπλής στρώσης; Σήμερα θα απαντήσουμε σε αυτές τις ερωτήσεις.

Μια σύντομη ιστορία του τηλεφώνου με κάμερα

Δεν πρόκειται να σας κουράσουμε με πολλές ιστορικές λεπτομέρειες, αλλά μόνο για λόγους, η πρώτη πατέντα για ένα τηλέφωνο με κάμερα χρονολογείται από το 1994, όταν τέσσερις υπάλληλοι της Nokia αποφάσισαν να δημιουργήσουν ένα τηλέφωνο με κάμερα ενσωματωμένο μέσα.

Παραδόξως, το πρώτο τηλέφωνο με κάμερα δεν κατασκευάστηκε από τη Nokia. Ήταν Ιάπωνας Kyocera VP-210ονομάζεται Visual Phone, που κυκλοφόρησε τον Μάιο του 1999. Στα 25 χρόνια που μεσολάβησαν, τα πράγματα εξελίχθηκαν γρήγορα και τώρα έχουμε αισθητήρες smartphone 1 ιντσών, στοιβαγμένους αισθητήρες, σχέδια εικονοστοιχείων τρανζίστορ διπλής στάθμης και ακόμη περισσότερα.

Αυτό όμως που δεν έχει αλλάξει είναι η βασική τεχνολογία που συλλαμβάνει το φως και το μετατρέπει σε ηλεκτρικό σήμα για να το αποθηκεύσει στη μνήμη του τηλεφώνου σας ή να το εμφανίσει στην οθόνη.

Τι είναι ο αισθητήρας CMOS;

Αυτή η τεχνολογία εφευρέθηκε το 1968 και η συντομογραφία σημαίνει Συμπληρωματικός ημιαγωγός οξειδίου μετάλλου. Δεν είναι τόσο περίπλοκο όσο φαίνεται. Υπάρχουν φωτοδίοδοι που συλλαμβάνουν το φως και το μετατρέπουν σε ηλεκτρικό σήμα, μετά τρανζίστορ που ενισχύουν αυτό το σήμα.

Αυτοί ονομάζονται επίσης APS, ή αισθητήρες ενεργών pixel, επειδή κάθε φωτοδίοδος έχει ένα ξεχωριστό τρανζίστορ που ενισχύει ενεργά το σήμα. Έχουμε λοιπόν έναν φακό που εστιάζει το φως, μια φωτοδίοδο που συλλαμβάνει τα φωτόνια του φωτός και τα μετατρέπει σε ηλεκτρόνια ή ηλεκτρικά σήματα και τρανζίστορ που ενισχύουν αυτό το σήμα και το στέλνουν στο τσιπ ISP (επεξεργασία σήματος εικόνας) για περαιτέρω επεξεργασία.

Μέχρι εδώ καλά. Οι πρώτοι αισθητήρες CMOS είχαν τα μεταλλικά τους κυκλώματα ανάμεσα στη φωτοδίοδο και τον φακό, εμποδίζοντας το φως και κάνοντας την εικόνα πιο σκοτεινή. Αυτά ήταν γνωστά ως ISP (μπροστινός φωτισμός).

Η επόμενη γενιά αισθητήρων CMOS μετέφερε τη φωτοδίοδο πάνω από την καλωδίωση και δίπλα στον φακό, συλλαμβάνοντας το φως, επιτρέποντας να συλληφθεί περισσότερο φως από τη δίοδο. Αυτό το σχέδιο είναι γνωστό ως BSI (πίσω φωτισμός). Το iPhone 4 ήταν ένα από τα πρώτα τηλέφωνα με αυτόν τον τύπο αισθητήρα.

Εφεύρεση του στοιβαγμένου αισθητήρα CMOS

Γύρω στο 2008, ο Taku Umebayashi, μηχανικός στη Sony Semiconductor Solutions Corporation, αποφάσισε ότι μπορούσε να βελτιώσει αυτό το σχέδιο και άρχισε να εργάζεται σε έναν στοιβαγμένο αισθητήρα CMOS.

Η ιδέα ήταν να διαχωριστεί πλήρως το τμήμα του κυκλώματος από τη φωτοδίοδο. Πριν από αυτό, το κύκλωμα ήταν τυλιγμένο γύρω από τη φωτοδίοδο, καταλαμβάνοντας πολύτιμο χώρο και αναγκάζοντας τη φωτοδίοδο να είναι μικρότερη. Όσο μικρότερη είναι η φωτοδίοδος, τόσο λιγότερο φως μπορεί να συλλάβει, με αποτέλεσμα μειωμένη ευαισθησία στο χαμηλό φως και επίσης περισσότερο θόρυβο από τα κυκλώματα γύρω της.

Ο πρώτος εμπορικά διαθέσιμος στοιβαγμένος αισθητήρας CMOS παρουσιάστηκε από τη Sony το 2012 και έφερε επανάσταση στην ψηφιακή φωτογραφία. Ο Umebayashi έλαβε το Εθνικό Βραβείο Εφεύρεσης 2016 από τον Πρωθυπουργό της Ιαπωνίας και το μετάλλιο Purple Ribbon 2020 για την εφεύρεσή του.

Ένα άλλο διασκεδαστικό γεγονός είναι ότι τη στιγμή που ο στοιβαγμένος αισθητήρας CMOS τέθηκε σε μαζική παραγωγή, δεν υπήρχαν κυριολεκτικά πελάτες για αυτήν την τεχνολογία. Ήταν ένα τεράστιο στοίχημα και η Sony αποφάσισε να βάλει τον στοιβαγμένο αισθητήρα CMOS μέσα του Xperia Z γκάμα smartphone για να το διαδώσει.

Αυτό το στοίχημα απέδωσε. Λίγο μετά την κυκλοφορία του stacked CMOS, οι κατασκευαστές smartphone αναγνώρισαν την υπεροχή της τεχνολογίας και σήμερα τα περισσότερα smartphone (συμπεριλαμβανομένων όλων των iPhone) διαθέτουν αισθητήρες εικόνας Sony. Η Sony είναι ο απόλυτος ηγέτης όσον αφορά το μερίδιο αγοράς όσον αφορά τους αισθητήρες CMOS, με τεράστιο 42% (στοιχεία 2022), με τη Samsung πολύ πίσω στο 19%.

Σχέδιο τρανζίστορ-pixel διπλής στρώσης

Ένα άλλο τσιτάτο, ή θα έπρεπε να πούμε τσιτάτο, επινοήθηκε πέρυσι, και είναι διπλής στρώσης pixel-transistor κινητό αισθητήρα. Οι στοιβαγμένοι αισθητήρες CMOS ήταν καλοί, αλλά το τμήμα τρανζίστορ που ενίσχυε το σήμα εξακολουθούσε να αποτελεί μέρος της φωτοδιόδου, περιορίζοντας την επιφάνεια που συλλαμβάνει το φως.

Το 2021, η Sony Semiconductors ανακοίνωσε μια νέα ανακάλυψη στον τομέα του CMOS. Είναι ο πρώτος στον κόσμο αισθητήρας CMOS τρανζίστορ-pixel 2 επιπέδων. Οι μηχανικοί βρήκαν έναν τρόπο να μετακινήσουν το τμήμα του τρανζίστορ, ενισχύοντας το σήμα κάτω από τη φωτοδίοδο, αφήνοντας περισσότερη επιφάνεια για να συλλάβει το φως και βελτιώνοντας παραμέτρους όπως το δυναμικό εύρος, η χαμηλή ευαισθησία στο φως και η μείωση του θορύβου.

Ακολουθεί ένα απόσπασμα από τον ιστότοπο της Sony που εξηγεί την τεχνολογία: “Το εικονοστοιχείο τρανζίστορ 2 επιπέδων είναι η πρώτη στον κόσμο τεχνολογία αισθητήρων εικόνας στοιβαγμένης CMOS με δομή εικονοστοιχείων που διαχωρίζει τις φωτοδίοδοι και τα τρανζίστορ εικονοστοιχείων σε διαφορετικά στρώματα υποστρώματος, σε αντίθεση με το συμβατικό στυλ να υπάρχουν τα δύο στο ίδιο υπόστρωμα. Αυτή η νέα δομή έχει περίπου το διπλάσιο του επιπέδου σήματος κορεσμού σε σύγκριση με τους συμβατικούς αισθητήρες εικόνας, επεκτείνει το δυναμικό εύρος και μειώνει το θόρυβο.

Η τεχνολογία έφτασε στο Sony Xperia 1 Mark V (με την επωνυμία Exmor T) και στη συνέχεια σε πολλά άλλα τηλέφωνα ναυαρχίδα (σειρά Xiaomi 14, OnePlus 12) κάτω από τη νέα σειρά αισθητήρων Sony LYTIA.

συμπέρασμα

Όπως λένε ειδικοί στον τομέα της ψηφιακής φωτογραφίας, «το μέλλον είναι στοιβαγμένο!» » Αυτό σημαίνει ότι τα επόμενα χρόνια θα δούμε αυτήν την τεχνολογία σε όλο και περισσότερα κορυφαία (και μεσαίας κατηγορίας) τηλέφωνα. Τι συμβαίνει μετά? Μόνο ο χρόνος θα δείξει !

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *