Naskládané senzory umožňují tenkým smartphonům se skvělými fotoaparáty, ale byla dlouhá cesta k tomu, aby byly dostatečně dobré pro každodenní použití
Většina smartphonů má ostrůvek fotoaparátu tlustší než zbytek jejich těla. Nicméně, i když započítám ten další náraz, jsou tenčí a pořizují fotky a videa, které vypadají lépe než jejich protějšky před pár lety.
V prvních letech fotografování na cestách byly potřeba ještě tlustší vychytávky: pamatujete si na zaměřovací fotoaparáty z roku 2000? V dnešní době se vše balí do zařízení tenkých půl palce, někdy i méně. Složené obrazové snímače jsou tím, co to umožňuje.
Pochopení digitální fotografie
The rozdíl mezi analogovými a digitálními fotoaparáty spočívá v tom, že první používá k záznamu snímků film vyrobený z fotocitlivého materiálu, zatímco druhý má elektronický senzor. V tomto senzoru je každý pixel (jednotlivé body, které tvoří digitální obraz) světelnou informací zachycenou velmi malou částí senzoru (jeden pro každý pixel na fotografii).
Existují dva typy snímačů digitálních fotoaparátů, CCD (zkratka pro Charge-Coupled Device) a CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Všechny moderní fotoaparáty chytrých telefonů používají ten druhý, takže to je technologie, kterou vysvětlíme níže.
Snímač CMOS se skládá z několika prvků. Fotodioda je nejdůležitější: generuje elektrický signál, když přijímá světlo. Tento signál je uložen a tranzistor hned vedle fotodiody, která převádí signál na digitální informaci a posílá ji do elektronického obvodu.
Tento obvod je zodpovědný za interpretaci těchto dat a jejich předání, spolu s miliardami dalších pixelů, do obrazového signálového procesoru (ISP), který vytváří konečný obrázek.
Počátky fotoaparátů v telefonech
Až do roku 2008 měly snímače CMOS vážný problém: kabeláž potřebná k odesílání informací o pixelech do ISP procházela mezi fotodiodou a čočkou a blokovala část světla. Stejná struktura byla použita pro CCD snímače, které byly citlivější na světlo, ale pro CMOS to znamenalo tmavší, hlučnější a rozmazanější fotografie.
To bylo vyřešeno jednoduchým nápadem: přesunout fotodiodu nad dráty tak, aby přijímala více světla, čímž se zlepšila kvalita obrazu. To se nazývá snímač BSI (Back-Side Illuminated), na rozdíl od předchozích snímačů, které byly Front-Side Illuminated.
Abychom uvedli věci do souvislostí, iPhone 4, který odstartoval pověst Applu ve fotografování chytrými telefony, byl mezi prvními telefony, které tento typ snímače využívaly. V dnešní době prakticky všechny fotoaparáty smartphonů používají senzory BSI.
Naskládané snímače zlepšují kvalitu fotografií a zmenšují velikost
I po odstranění drátu bylo v CMOS snímačích stále co zlepšovat. Jedním z nich byl obvod zodpovědný za zpracování informací o tranzistoru. Obtočila se kolem fotodiody. Kvůli tomu asi polovina světla, které dosáhlo každého pixelu, skončila v části snímače, která nezachytila žádné světlo.
V roce 2012 byl vytvořen první skládaný CMOS snímač. Namísto ovinutí kolem fotodiody je obvod umístěn pod ní. Vzhledem k tomu, že (částečně) nahrazuje substrát používaný pro strukturální tuhost, není zde žádná přidaná tloušťka. Ve skutečnosti od té doby zlepšení v procesu stohování, jak od Sony, tak od dalších výrobců, kteří tuto technologii přijali, vedlo k tenčím senzorům, které umožnily tenčí telefony.
A co ještě více stohování?
Přesunutím obvodu pod fotodiodu by se dalo předpokládat, že horní vrstva bude obsazena pouze částí zachycující světlo, že? Špatně.
Pamatujete na tranzistor? Je umístěn hned vedle fotodiody a zabírá tak ještě cennější prostor pro zachycení světla. Řešení? Více stohování!
Inženýři to dělali už dříve. V roce 2017 společnost Sony oznámila kamerový senzor s RAM mezi fotodiodou a obvody, který umožňuje 960FPS super zpomalená videa. Šlo o aplikaci stejného nápadu na část stávajícího senzoru.
Nyní je fotodioda konečně v nejvyšší části snímače a pouze fotodioda. To efektivně zdvojnásobuje signál, který může fotodioda zachytit a tranzistor může uložit.
Nejokamžitějším efektem je dvojnásobek světelných informací, se kterými musí každý pixel pracovat. A jako u všeho ve fotografii platí, že více světla znamená detailnější snímky.
Protože však tranzistor také zdvojnásobuje svou kapacitu, může lépe převádět elektrické signály z fotodiody na digitální informace. Jednou z možných aplikací je snížení obrazového šumu a další vylepšení vzhledu fotografií.
Naskládané senzory pro lepší budoucnost
Zatímco jednovrstvé senzory – fotodioda a tranzistor v jedné vrstvě, obvody pod ní – existují již nějakou dobu, dvouvrstvé (jedna vrstva pro každou část) jsou stále poněkud nové. Většinou se používají v profesionálních fotoaparátech, přičemž první mobilní telefon s takovým senzorem, Sony Xperia 1 V, vydaný v květnu 2023.
To znamená, že technologie je stále v plenkách. Spolu s několika dalšími vylepšeními, která byla dosud provedena v mobilní fotografii, naskládané senzory znamenají, že fotoaparáty smartphonů jsou na cestě ke světlejší budoucnosti – nebo bychom měli říci jasnější obrázek?