Virnastatud andurid võimaldavad õhukesi nutitelefone suurepäraste kaameratega, kuid nende igapäevaseks kasutamiseks piisavalt headeks muutmiseks on olnud pikk tee
Enamikul nutitelefonidel on ülejäänud korpusest paksem kaamerasaar. Kuid isegi kui arvestada seda lisamuhku, on nad õhemad ning teevad fotosid ja videoid, mis näevad paremad välja kui nende paari aasta tagused kolleegid.
Esimestel liikvel pildistamise aastatel oli vaja veelgi paksemaid vidinaid: mäletate 2000. aastate suuna-ja-tulista kaameraid? Tänapäeval pakitakse kõike poole tolli õhukestesse seadmetesse, vahel ka vähem. Virnastatud pildiandurid teevad selle võimalikuks.
Digifotograafia mõistmine
The erinevus analoog- ja digitaalkaamerate vahel on see, et esimene kasutab piltide salvestamiseks fototundlikust materjalist filmi, teisel aga elektrooniline andur. Selles anduris on iga piksel (üksikud punktid, mis moodustavad digitaalse pildi) valgustusteavet, mille on salvestanud anduri väga väike osa (üks iga foto piksli kohta).
On kaks digikaamera andurite tüübid, CCD (akronüüm sõnadest Charge-Coupled Device) ja CMOS (täiendav metalloksiidpooljuht). Kõik kaasaegsed nutitelefonide kaamerad kasutavad viimast, nii et see on tehnoloogia, mida me allpool selgitame.
CMOS-andur koosneb mõnest elemendist. Fotodiood on kõige olulisem: valguse vastuvõtmisel genereerib see elektrisignaali. Selle signaali salvestab a transistor otse fotodioodi kõrval, mis teisendab signaali digitaalseks teabeks ja saadab selle elektroonilisse vooluringi.
See ahel vastutab nende andmete tõlgendamise ja edastamise eest koos miljardite teiste pikslitega pildisignaaliprotsessorile (ISP), mis loob lõpliku pildi.
Telefonikaamerate algusaeg
Kuni 2008. aastani oli CMOS-anduritel tõsine probleem: piksliteabe ISP-le saatmiseks vajalik juhtmestik liikus fotodioodi ja objektiivi vahelt, blokeerides osa valgusest. Sama struktuuri kasutati CCD-sensorite puhul, mis olid valgustundlikumad, kuid CMOS-i puhul tähendas see tumedamaid, mürarikkamaid ja hägusemaid fotosid.
See lahendati lihtsa ideega: liigutades fotodioodi juhtmete kohale, et see saaks rohkem valgust, parandades seega pildikvaliteeti. Seda nimetatakse tagumise külje valgustusega (BSI) anduriks, erinevalt eelmistest esikülje valgustusega anduritest.
Asjade konteksti seadmiseks oli iPhone 4, millest sai alguse Apple’i maine nutitelefonide fotograafia alal, üks esimesi telefone, mis seda tüüpi sensoreid kasutasid. Tänapäeval kasutavad peaaegu kõik nutitelefonide kaamerad BSI-andureid.
Virnastatud andurid parandavad foto kvaliteeti ja vähendavad suurust
Isegi pärast juhtme eemaldamist oli CMOS-andurites veel kohti, mida parandada. Üks neist oli transistori teabe töötlemise eest vastutav skeem. See keerdus ümber fotodioodi. Seetõttu sattus umbes pool iga pikslini jõudnud valgusest anduri ossa, mis ei püüdnud valgust.
2012. aastal loodi esimene virnastatud CMOS-sensor. Selle asemel, et fotodioodi ümber mähkida, asetatakse vooluahel selle alla. Kuna see (osaliselt) asendab konstruktsiooni jäikuse tagamiseks kasutatavat aluspinda, pole paksust lisatud. Tegelikult on sellest ajast peale virnastamisprotsessi täiustused nii Sony kui ka teiste tehnoloogia kasutusele võtnud tootjate poolt andnud õhemad andurid, mis võimaldasid õhemaid telefone.
Aga veelgi rohkem virnastamine?
Liigutades vooluringi fotodioodi alla, võiks arvata, et ülemise kihi hõivab ainult valgust püüdev osa, eks? Vale.
Kas mäletate transistorit? See asub otse fotodioodi kõrval, võttes veelgi väärtuslikumat valgust püüdva ruumi. Lahendus? Rohkem virnastamist!
Insenerid olid seda varem teinud. 2017. aastal kuulutas Sony välja kaameraanduri, millel on fotodioodi ja vooluringi vahel RAM, mis võimaldab 960 kaadrit sekundis üliaegluubis videoid. Tegemist oli sama idee rakendamisega olemasoleva anduri osale.
Nüüd on fotodiood lõpuks anduri ülemises osas ja ainult fotodiood. See kahekordistab tõhusalt signaali, mida fotodiood suudab püüda ja transistor salvestada.
Kõige vahetum efekt on kahekordne valgusteave, mida iga piksel peab töötama. Ja nagu iga fotograafia puhul, tähendab rohkem valgust detailsemaid pilte.
Kuna aga transistor kahekordistab oma võimsust, suudab see fotodioodilt tulevaid elektrisignaale paremini digitaalseks informatsiooniks tõlkida. Üks selle võimalikest rakendustest on pildimüra vähendamine, mis suurendab veelgi fotode välimust.
Virnastatud andurid helgema tuleviku jaoks
Kui ühes kihis olevad andurid – fotodiood ja transistor ühes kihis, vooluring selle all – on olnud olemas juba mõnda aega, siis kahekihilised (üks kiht iga osa kohta) on veel mõnevõrra uued. Neid kasutatakse enamasti professionaalsetes kaamerates, esimene sellise sensoriga mobiiltelefon, Sony Xperia 1 V, ilmus 2023. aasta mais.
See tähendab, et tehnoloogia on alles lapsekingades. Koos mitmete muude täiustustega, mis on seni mobiilifotograafias tehtud, virnastatud andurid tähendavad, et nutitelefonide kaamerad on teel helgema tuleviku poole – või peaksime ütlema helgema tuleviku poole pilt?
