Staplade sensorer möjliggör tunna smartphones med bra kameror, men det har varit en lång väg att göra dem tillräckligt bra för daglig användning
De flesta smartphones har en kameraö som är tjockare än resten av kroppen. Men även om man räknar med den extra stöten är de tunnare och tar foton och videor som ser bättre ut än sina motsvarigheter för några år sedan.
Under de första åren av fotografering på språng behövdes ännu tjockare prylar: minns du peka-och-skjut-kamerorna från 2000-talet? Nuförtiden är allt packat i enheter som är en halv tum tunna, ibland ännu mindre. Det är staplade bildsensorer som gör detta möjligt.
Förstå digital fotografering
De skillnaden mellan analoga och digitala kameror är att den förra använder en film gjord av ett fotokänsligt material för att spela in bilder, medan den senare har en elektronisk sensor. I den sensorn är varje pixel (enskilda punkter som bildar en digital bild) ljusinformation som fångas av en mycket liten del av sensorn (en för varje pixel på bilden).
Det finns två typer av digitalkamerasensorer, CCD (en akronym för Charge-Coupled Device) och CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Alla moderna smartphonekameror använder den senare, så det är tekniken vi kommer att förklara nedan.
En CMOS-sensor består av ett fåtal element. Fotodioden är den viktigaste: den genererar en elektrisk signal när den tar emot ljus. Den signalen lagras av en transistor precis bredvid fotodioden, som översätter signalen till digital information och skickar den till en elektronisk krets.
Den kretsen är ansvarig för att tolka denna data och skicka den, tillsammans med miljarder andra pixlar, till bildsignalprocessorn (ISP) som skapar den slutliga bilden.
Telefonkamerornas tidiga dagar
Fram till 2008 hade CMOS-sensorer ett allvarligt problem: ledningarna som behövdes för att skicka pixelinformation till Internetleverantören passerade mellan fotodioden och linsen, vilket blockerade en del av ljuset. Samma struktur användes för CCD-sensorer, som var mer ljuskänsliga, men för CMOS innebar det mörkare, brusigare och suddigare bilder.
Det löstes med en enkel idé: flytta fotodioden ovanför ledningarna så att den får mer ljus, vilket förbättrar bildkvaliteten. Det kallas en Back-Side Illuminated (BSI) sensor, till skillnad från tidigare som var Front-Side Illuminated.
För att sätta saker i ett sammanhang var iPhone 4, som startade Apples rykte inom smartphonefotografering, bland de första telefonerna som använde den här typen av sensorer. Nuförtiden använder praktiskt taget alla smartphonekameror BSI-sensorer.
Staplade sensorer förbättrar fotokvaliteten och minskar storleken
Även efter att ha tagit bort tråden fanns det fortfarande punkter att förbättra i CMOS-sensorer. En av dem var kretsen som ansvarade för att bearbeta transistorinformationen. Den lindades runt fotodioden. På grund av det hamnade ungefär hälften av ljuset som nådde varje pixel i en del av sensorn som inte fångade något ljus.
2012 skapades den första staplade CMOS-sensorn. Istället för att lindas runt fotodioden placeras kretsen under den. Eftersom det (delvis) ersätter ett substrat som används för strukturell styvhet, finns det ingen extra tjocklek. Faktum är att sedan dess har förbättringar i staplingsprocessen, både av Sony och andra tillverkare som anammat tekniken, resulterat i tunnare sensorer, vilket möjliggjorde tunnare telefoner.
Vad sägs om ännu mer stapling?
Genom att flytta kretsen under fotodioden skulle man kunna tro att det översta lagret skulle upptas enbart av den ljusfångande delen, eller hur? Fel.
Kommer du ihåg transistorn? Den sitter precis bredvid fotodioden och tar ännu mer värdefullt ljusfångande utrymme. Lösningen? Mer stapling!
Ingenjörer hade gjort det tidigare. 2017 tillkännagav Sony en kamerasensor med RAM mellan fotodioden och kretsen, vilket möjliggör superslow-motion-videor på 960 FPS. Det gällde att tillämpa samma idé på en del av den befintliga sensorn.
Nu är fotodioden äntligen i den översta delen av sensorn, och endast fotodioden. Detta fördubblar effektivt signalen fotodioden kan fånga och transistorn kan lagra.
Den mest omedelbara effekten är dubbelt så mycket ljusinformation som varje pixel måste arbeta med. Och som med allt inom fotografering betyder mer ljus mer detaljerade bilder.
Men eftersom transistorn också fördubblar sin kapacitet kan den bättre översätta de elektriska signalerna från fotodioden till digital information. En av de möjliga tillämpningarna av detta är att minska bildbrus, vilket ytterligare förbättrar hur foton ser ut.
Staplade sensorer för en ljusare framtid
Medan enkelstaplade sensorer - fotodiod och transistor i ett lager, kretsar under det - har funnits under en tid, är dubbelstaplade (ett lager för varje del) fortfarande något nytt. De används mest i professionella kameror, med den första mobiltelefonen med en sådan sensor, Sony Xperia 1 V, som släpptes i maj 2023.
Det betyder att tekniken fortfarande är i sin linda. Tillsammans med flera andra förbättringar som har gjorts inom mobilfotografering hittills, staplade sensorer betyder att smartphonekameror är på väg mot en ljusare framtid – eller ska vi säga en ljusare bild?
