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 κάθε σενάριο που μπορεί να φανταστεί.
Υπάρχει ολόκληρη λίστα με ταινίες που έχουν τραβηχτεί με smartphone και πολλές εκθέσεις φωτογραφίας και διαγωνισμοί βασίζονται επίσης στο smartphone ως κύριο εργαλείο.
Τι είναι, όμως, αυτό που κάνει τα smartphone αρκετά καλά, ακόμη και για επαγγελματίες φωτογράφους και κινηματογραφιστές; Εδώ εξηγείται τι είναι ο αισθητήρας CMOS και τι ακριβώς είναι ο σχεδιασμός τρανζίστορ-pixel διπλής στρώσης.
Πρώτα, όμως, μια σύντομη αναδρομή.
Η πρώτη πατέντα για ένα τηλέφωνο με κάμερα χρονολογείται από το 1994, όταν τέσσερις υπάλληλοι της Nokia αποφάσισαν να δημιουργήσουν ένα τηλέφωνο με ενσωματωμένη κάμερα μέσα. Περιέργως, το πρώτο τηλέφωνο με κάμερα δεν κατασκευάστηκε από τη Nokia. Ήταν ένα ιαπωνικό Kyocera VP-210, με το όνομα Visual Phone, που κυκλοφόρησε τον Μάιο του 1999. Μέσα στα επόμενα 25 χρόνια έχουμε αισθητήρες smartphone 1 ιντσών, στοιβαγμένους αισθητήρες, σχέδια εικονοστοιχείων τρανζίστορ διπλής στρώσης και πολλά ακόμη.
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.
Αισθητήρας CMOS
Αυτή η τεχνολογία επινοήθηκε πολύ πίσω το 1968 και η συντομογραφία σημαίνει Συμπληρωματικός Ημιαγωγός Οξειδίου Μετάλλου. Ακούγεται αρκετά περίπλοκο αλλά ουσιαστικά έχει να κάνει με φωτοδιόδους που πιάνουν το φως και το μετατρέπουν σε ηλεκτρικό σήμα, και με τρανζίστορ που στη συνέχεια ενισχύουν αυτό το σήμα.
Αυτοί ονομάζονται επίσης APS, ή αισθητήρες ενεργών εικονοστοιχείων, 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 από το φως 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.
Οι πρώτοι αισθητήρες CMOS είχαν το μεταλλικό τους κύκλωμα ανάμεσα στη φωτοδίοδο και τον φακό, εμποδίζοντας το φως και κάνοντας την εικόνα πιο σκοτεινή. Αυτοί ήταν γνωστοί ως αισθητήρες FSI (μπροστινής πλευράς φωτισμού).
Η επόμενη γενιά αισθητήρων CMOS μετέφερε τη φωτοδίοδο πάνω από την καλωδίωση και δίπλα στον φακό, συλλαμβάνοντας το φως, επιτρέποντας έτσι να συλληφθεί περισσότερο φως από τη δίοδο. Αυτό το σχέδιο είναι γνωστό ως BSI (οπίσθιος φωτισμός). Ένα από τα πρώτα τηλέφωνα που διέθεσαν αυτόν τον τύπο αισθητήρα ήταν το iPhone 4.
Ο στοιβαγμένος αισθητήρας CMOS
Γύρω στο 2008, ο Taku Umebayashi, ο οποίος ήταν 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 σε μέγεθος. Όσο μικρότερη είναι η φωτοδίοδος, τόσο λιγότερο φως μπορεί να συλλάβει, με αποτέλεσμα τη μειωμένη ευαισθησία χαμηλού φωτισμού και επίσης περισσότερο θόρυβο από το κύκλωμα γύρω από αυτό.
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 Εφεύρεση του 2016 από τον Πρωθυπουργό της Ιαπωνίας και το μετάλλιο του 2020 με βραβείο Purple Ribbon για την εφεύρεσή του.
Τη στιγμή που ο στοιβαγμένος αισθητήρας CMOS εισήλθε στη μαζική παραγωγή, υπήρχαν κυριολεκτικά μηδενικοί πελάτες για την τεχνολογία. Ήταν ένα τεράστιο στοίχημα και η Sony αποφάσισε να βάλει τον στοιβαγμένο αισθητήρα CMOS στη σειρά smartphone Xperia Z για να τον διαδώσει. Το ρίσκο απέδωσε και λίγο αργότερα οι κατασκευαστές smartphone αναγνώρισαν την ανωτερότητα της τεχνολογίας. Σήμερα τα περισσότερα smartphones (συμπεριλαμβανομένων όλων των iPhones) φιλοξενούν τους αισθητήρες εικόνας Sony. Η Sony είναι ο απόλυτος ηγέτης στο μερίδιο αγοράς όταν πρόκειται για αισθητήρες CMOS, με ένα επιβλητικό 42% (δεδομένα από το 2022), με τη Samsung να είναι πολύ πίσω με 19%.
Ο σχεδιασμός τρανζίστορ-pixel διπλής στρώσης
Μόλις πέρυσι ήρθε και ο κινητός αισθητήρας τρανζίστορ-pixel διπλής στρώσης. Οι στοιβαγμένοι αισθητήρες CMOS ήταν καλοί, αλλά το τμήμα του τρανζίστορ που ενίσχυε το σήμα εξακολουθούσε να αποτελεί μέρος της φωτοδιόδου, περιορίζοντας την επιφάνεια που συλλαμβάνει το φως.
Το 2021, η Sony Semiconductors ανακοίνωσε άλλη μια σημαντική ανακάλυψη στον τομέα 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 τη σύλληψη του φωτός και βελτιώνοντας τα λεπτά 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 2-Layer Transistor Pixel είναι η πρώτη στον κόσμο τεχνολογία αισθητήρων εικόνας στοιβαγμένης CMOS με δομή pixel που διαχωρίζει φωτοδίοδοι και τρανζίστορ pixel σε διαφορετικά στρώματα υποστρώματος, σε αντίθεση με το συμβατικό στυλ του δύο στο ίδιο υπόστρωμα. Αυτή η νέα δομή διπλασιάζει περίπου το επίπεδο σήματος κορεσμού σε σχέση με τους συμβατικούς αισθητήρες εικόνας, διευρύνει 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 ναυαρχίδες (σειρά Xiaomi 14, OnePlus 12) κάτω από τη νέα σειρά αισθητήρων Sony LYTIA.
Όπως λένε οι 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 τηλέφωνα ναυαρχίδες αλλά και μεσαίας κατηγορίας.