Naskladané senzory umožňujú tenkým smartfónom so skvelými fotoaparátmi, ale bola dlhá cesta, aby boli dostatočne dobré na každodenné používanie
Väčšina smartfónov má ostrovček fotoaparátu hrubší ako zvyšok ich tela. Aj keď spočítame ten ďalší náraz, sú tenšie a robia fotky a videá, ktoré vyzerajú lepšie ako ich kolegovia pred niekoľkými rokmi.
V prvých rokoch fotografovania na cestách boli potrebné ešte hrubšie prístroje: pamätáte si fotoaparáty typu point-and-shoot z roku 2000? V dnešnej dobe je všetko zabalené v zariadeniach tenkých pol palca, niekedy aj menej. Umožňujú to stohované obrazové snímače.
Pochopenie digitálnej fotografie
The rozdiel medzi analógovými a digitálnymi fotoaparátmi je, že prvý používa film vyrobený z fotocitlivého materiálu na zaznamenávanie obrázkov, zatiaľ čo druhý má elektronický snímač. V tomto senzore je každý pixel (jednotlivé body, ktoré tvoria digitálny obraz) svetelnou informáciou zachytenou veľmi malou časťou senzora (jeden pre každý pixel na fotografii).
Existujú dva typy snímačov digitálnych fotoaparátov, CCD (skratka pre Charge-Coupled Device) a CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Všetky moderné fotoaparáty smartfónov používajú ten druhý, takže to je technológia, ktorú vysvetlíme nižšie.
CMOS snímač sa skladá z niekoľkých prvkov. Fotodióda je najdôležitejšia: generuje elektrický signál, keď prijíma svetlo. Tento signál je uložený a tranzistor hneď vedľa fotodiódy, ktorá prevádza signál na digitálnu informáciu a posiela ju do elektronického obvodu.
Tento obvod je zodpovedný za interpretáciu týchto údajov a ich odovzdanie spolu s miliardami ďalších pixelov do obrazového signálového procesora (ISP), ktorý vytvára konečný obrázok.
Počiatky telefónnych fotoaparátov
Až do roku 2008 mali snímače CMOS vážny problém: kabeláž potrebná na odosielanie informácií o pixeloch ISP prechádzala medzi fotodiódou a šošovkou a blokovala časť svetla. Rovnaká štruktúra bola použitá pre CCD snímače, ktoré boli citlivejšie na svetlo, no pre CMOS to znamenalo tmavšie, hlučnejšie a rozmazanejšie fotografie.
To bolo vyriešené jednoduchým nápadom: posunutím fotodiódy nad drôty tak, aby prijímala viac svetla, čím sa zlepšila kvalita obrazu. Nazýva sa to snímač BSI (Back-Side Illuminated), na rozdiel od predchádzajúcich, ktoré boli podsvietené prednou stranou.
Aby sme to dali do kontextu, iPhone 4, ktorý odštartoval reputáciu spoločnosti Apple vo fotografovaní smartfónov, bol medzi prvými telefónmi, ktoré používali tento typ snímača. V súčasnosti prakticky všetky fotoaparáty smartfónov používajú snímače BSI.
Naskladané snímače zlepšujú kvalitu fotografie a zmenšujú veľkosť
Dokonca aj po odstránení drôtu boli stále body na zlepšenie v snímačoch CMOS. Jedným z nich bol obvod zodpovedný za spracovanie informácií o tranzistore. Omotala sa okolo fotodiódy. Kvôli tomu asi polovica svetla, ktoré dosiahlo každý pixel, skončila v časti snímača, ktorá nezachytila žiadne svetlo.
V roku 2012 bol vytvorený prvý stohovaný CMOS snímač. Namiesto ovinutia okolo fotodiódy je obvod umiestnený pod ňou. Keďže (čiastočne) zaberá miesto substrátu používaného na štrukturálnu tuhosť, nie je tu žiadna pridaná hrúbka. V skutočnosti odvtedy vylepšenia v procese stohovania od spoločnosti Sony a iných výrobcov, ktorí túto technológiu prijali, viedli k tenším senzorom, ktoré umožnili tenšie telefóny.
A čo ešte viac stohovania?
Presunutím obvodu pod fotodiódu by si človek myslel, že vrchnú vrstvu zaberá iba časť zachytávajúca svetlo, však? Nesprávne.
Pamätáte si tranzistor? Nachádza sa hneď vedľa fotodiódy, čím zaberá ešte vzácnejší priestor na zachytávanie svetla. Riešenie? Viac stohovania!
Inžinieri to robili už predtým. V roku 2017 spoločnosť Sony oznámila snímač fotoaparátu s pamäťou RAM medzi fotodiódou a obvodom, ktorý umožňuje super spomalené videá s rýchlosťou 960 FPS. Išlo o aplikáciu rovnakej myšlienky na časť existujúceho snímača.
Teraz je fotodióda konečne v najvyššej časti snímača a iba fotodióda. To efektívne zdvojnásobí signál, ktorý môže fotodióda zachytiť a tranzistor môže uložiť.
Najbezprostrednejším efektom je dvojnásobok svetelných informácií, na ktorých musí každý pixel pracovať. A ako vo všetkom vo fotografii, viac svetla znamená detailnejšie obrázky.
Keďže však tranzistor zároveň zdvojnásobuje svoju kapacitu, dokáže lepšie previesť elektrické signály z fotodiódy na digitálne informácie. Jednou z možných aplikácií je zníženie obrazového šumu a ďalšie zlepšenie vzhľadu fotografií.
Skladané senzory pre lepšiu budúcnosť
Zatiaľ čo jednovrstvové senzory – fotodióda a tranzistor v jednej vrstve, obvody pod ňou – existujú už nejaký čas, dvojvrstvové (jedna vrstva pre každú časť) sú stále akousi novinkou. Väčšinou sa používajú v profesionálnych fotoaparátoch, pričom prvý mobilný telefón s takýmto snímačom, Sony Xperia 1 V, vydaný v máji 2023.
To znamená, že technológia je stále v plienkach. Spolu s niekoľkými ďalšími vylepšeniami, ktoré boli doteraz vykonané v mobilnej fotografii, naskladaných senzory znamenajú, že fotoaparáty smartfónov sú na ceste k svetlejšej budúcnosti – alebo by sme mali povedať svetlejšej obrázok?
