חיישנים מוערמים מאפשרים סמארטפונים דקים עם מצלמות מצוינות, אבל זה היה דרך ארוכה להפוך אותם לטובים מספיק לשימוש יומיומי
רוב הסמארטפונים כוללים אי מצלמה עבה יותר משאר גופם. עם זאת, אפילו אם סופרים את הבליטה הנוספת הזו, הם דקים יותר ומצלמים תמונות וסרטונים שנראים טוב יותר מאשר עמיתיהם לפני כמה שנים.
בשנים הראשונות של צילום תוך כדי תנועה, היה צורך בגאדג'טים עבים עוד יותר: זוכרים את מצלמות הצבע והצילום משנות ה-2000? כיום הכל ארוז במכשירים דק חצי סנטימטר, לפעמים אפילו פחות. חיישני תמונה מוערמים הם מה שמאפשר את זה.
הבנת צילום דיגיטלי
ה ההבדל בין מצלמות אנלוגיות ודיגיטליות הוא שהראשון משתמש בסרט העשוי מחומר רגיש לצילום כדי להקליט תמונות, בעוד שלאחרון יש חיישן אלקטרוני. בחיישן זה, כל פיקסל (נקודות בודדות היוצרות תמונה דיגיטלית) הוא מידע תאורה שנלכד על ידי חלק זעיר מאוד מהחיישן (אחד לכל פיקסל בתמונה).
יש שני סוגי חיישני מצלמה דיגיטלית, CCD (ראשי תיבות של Charge-Coupled Device) ו-CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). כל מצלמות הסמארטפונים המודרניות משתמשות באחרון, אז זו הטכנולוגיה שנסביר להלן.
חיישן CMOS מורכב מכמה אלמנטים. הפוטודיודה היא החשובה ביותר: היא מייצרת אות חשמלי כשהיא קולטת אור. האות הזה מאוחסן על ידי א טרָנזִיסטוֹר ממש ליד הפוטודיודה, שמתרגמת את האות למידע דיגיטלי ושולחת אותו למעגל אלקטרוני.
המעגל הזה אחראי על פירוש הנתונים והעברתם, יחד עם מיליארדי הפיקסלים האחרים, למעבד אותות תמונה (ISP) שיוצר את התמונה הסופית.
הימים הראשונים של מצלמות טלפון
עד 2008, לחיישני CMOS הייתה בעיה רצינית: החיווט הדרוש לשליחת מידע פיקסלים ל-ISP עבר בין הפוטודיודה לעדשה, וחוסם חלק מהאור. אותו מבנה שימש עבור חיישני CCD, שהיו רגישים יותר לאור, אבל עבור CMOS, פירוש הדבר היה תמונות כהות, רועשות ומטושטשות יותר.
זה נפתר ברעיון פשוט: הזזת הפוטודיודה מעל החוטים כך שהיא תקבל יותר אור, ולכן שיפור איכות התמונה. זה נקרא חיישן מואר בצד האחורי (BSI), בניגוד לקודמים שהיו מוארים בצד הקדמי.
כדי לשים את הדברים בהקשר, ה-iPhone 4, שהתחיל את המוניטין של אפל בצילום סמארטפונים, היה בין הטלפונים הראשונים שהשתמשו בחיישנים מסוג זה. כיום, כמעט כל מצלמות הסמארטפונים משתמשות בחיישני BSI.
חיישנים מוערמים משפרים את איכות הצילום ומקטינים את הגודל
גם לאחר הסרת החוט, עדיין היו נקודות לשיפור בחיישני CMOS. אחד מהם היה המעגל האחראי על עיבוד מידע הטרנזיסטור. זה עטוף את הפוטודיודה. בגלל זה, כמחצית מהאור שהגיע לכל פיקסל הגיע לחלק של החיישן שלא קלט שום אור.
בשנת 2012 נוצר חיישן ה-CMOS המוערם הראשון. במקום לעטוף את הפוטודיודה, המעגל ממוקם מתחתיה. מכיוון שהוא (חלקית) תופס את מקומו של מצע המשמש לקשיחות מבנית, אין תוספת עובי. למעשה, מאז, שיפורים בתהליך הערימה, הן על ידי סוני והן של יצרניות אחרות שאימצו את הטכנולוגיה, הביאו לחיישנים דקים יותר, שאפשרו טלפונים דקים יותר.
מה לגבי ערימה עוד יותר?
על ידי הזזת המעגל מתחת לפוטודיודה, אפשר היה לחשוב שהשכבה העליונה תהיה תפוסה אך ורק על ידי החלק לוכד האור, נכון? לא בסדר.
זוכרים את הטרנזיסטור? הוא יושב ממש ליד הפוטודיודה, ולוקח עוד יותר מרחב לכידת אור. הפתרון? עוד ערימה!
מהנדסים עשו זאת בעבר. בשנת 2017, סוני הכריזה על חיישן מצלמה עם זיכרון RAM בין הפוטודיודה למעגל, המאפשר סרטוני וידאו בהילוך איטי במיוחד של 960FPS. זה היה עניין של יישום אותו רעיון על חלק מהחיישן הקיים.
כעת, הפוטודיודה נמצאת סוף סוף בחלק העליון של החיישן, והפוטודיודה בלבד. זה למעשה מכפיל את האות שהפוטודיודה יכולה לתפוס והטרנזיסטור יכול לאחסן.
ההשפעה המיידית ביותר היא כפול מידע האור שעל כל פיקסל לעבוד עליו. וכמו בכל דבר בצילום, יותר אור פירושו תמונות מפורטות יותר.
עם זאת, מכיוון שהטרנזיסטור מכפיל גם את הקיבולת שלו, הוא יכול לתרגם טוב יותר את האותות החשמליים מהפוטודיודה למידע דיגיטלי. אחד מהיישומים האפשריים של זה הוא הפחתת רעשי התמונה, מה שמשפר עוד יותר את מראה התמונות.
חיישנים מוערמים לעתיד בהיר יותר
בעוד שחיישנים מוערמים בודדים - פוטודיודה וטרנזיסטור בשכבה אחת, מעגלים מתחתיה - קיימים כבר זמן מה, אלה עם ערימה כפולה (שכבה אחת לכל חלק) עדיין חדשים במקצת. הם משמשים בעיקר במצלמות מקצועיות, כאשר הטלפון הנייד הראשון כולל חיישן כזה, Sony Xperia 1 V, שיצא במאי 2023.
זה אומר שהטכנולוגיה עדיין בחיתוליה. יחד עם עוד כמה שיפורים שנעשו בצילום נייד עד כה, מוערמים חיישנים פירושם שמצלמות סמארטפונים נמצאות בדרך לעתיד בהיר יותר - או שמא נאמר עתיד בהיר יותר תְמוּנָה?
