Gestapelde sensoren maken dunne smartphones met geweldige camera's mogelijk, maar het is een lange weg geweest om ze goed genoeg te maken voor dagelijks gebruik
De meeste smartphones hebben een camera-eiland dat dikker is dan de rest van hun lichaam. Maar zelfs als je die extra hobbel meetelt, zijn ze dunner en maken ze foto's en video's die er beter uitzien dan hun tegenhangers een paar jaar geleden.
In de eerste jaren van de on-the-go fotografie waren er nog dikkere gadgets nodig: herinnert u zich de point-and-shoot camera's uit de jaren 2000 nog? Tegenwoordig zit alles verpakt in apparaten van een halve centimeter dun, soms nog minder. Gestapelde beeldsensoren maken dit mogelijk.
Digitale fotografie begrijpen
De verschil tussen analoge en digitale camera's is dat de eerste een film gebruikt die is gemaakt van fotogevoelig materiaal om foto's op te nemen, terwijl de laatste een elektronische sensor heeft. In die sensor is elke pixel (afzonderlijke punten die een digitaal beeld vormen) lichtinformatie die wordt vastgelegd door een heel klein deel van de sensor (één voor elke pixel in de foto).
Er zijn er twee soorten digitale camerasensoren, CCD (een acroniem voor Charge-Coupled Device) en CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Alle moderne smartphonecamera's gebruiken de laatste, dus dat is de technologie die we hieronder zullen uitleggen.
Een CMOS-sensor bestaat uit een aantal elementen. De fotodiode is de belangrijkste: deze genereert een elektrisch signaal als er licht op valt. Dat signaal wordt opgeslagen door een transistor vlak naast de fotodiode, die het signaal omzet in digitale informatie en het naar een elektronisch circuit stuurt.
Dat circuit is verantwoordelijk voor het interpreteren van die gegevens en het doorgeven ervan, samen met de miljarden andere pixels, aan de Image Signal Processor (ISP) die het uiteindelijke beeld creëert.
De vroege dagen van telefooncamera's
Tot 2008 hadden CMOS-sensoren een serieus probleem: de bedrading die nodig was om pixelinformatie naar de ISP te sturen, ging tussen de fotodiode en de lens door, waardoor een deel van het licht werd geblokkeerd. Dezelfde structuur werd gebruikt voor CCD-sensoren, die lichtgevoeliger waren, maar voor CMOS betekende dat donkerdere, meer ruis en wazigere foto's.
Dat is opgelost met een simpel idee: de fotodiode boven de draden plaatsen zodat deze meer licht opvangt en zo de beeldkwaliteit verbetert. Dat wordt een Back-Side Illuminated (BSI) -sensor genoemd, in tegenstelling tot eerdere die Front-Side Illuminated waren.
Om de zaken in context te plaatsen: de iPhone 4, waarmee Apple's reputatie op het gebied van smartphonefotografie begon, was een van de eerste telefoons die dit type sensor gebruikte. Tegenwoordig gebruiken vrijwel alle smartphonecamera's BSI-sensoren.
Gestapelde sensoren verbeteren de fotokwaliteit en verkleinen de grootte
Zelfs na het verwijderen van de draad waren er nog verbeterpunten in CMOS-sensoren. Een daarvan was het circuit dat verantwoordelijk was voor het verwerken van de transistorinformatie. Het wikkelde zich om de fotodiode. Daardoor kwam ongeveer de helft van het licht dat elke pixel bereikte in een deel van de sensor terecht dat geen licht opving.
In 2012 werd de eerste gestapelde CMOS-sensor gemaakt. In plaats van rond de fotodiode te wikkelen, wordt het circuit eronder geplaatst. Omdat het (gedeeltelijk) de plaats inneemt van een substraat dat wordt gebruikt voor structurele stijfheid, is er geen extra dikte. Sindsdien hebben verbeteringen in het stapelproces, zowel door Sony als door andere fabrikanten die de technologie hebben overgenomen, geleid tot dunnere sensoren, waardoor dunnere telefoons mogelijk zijn geworden.
Hoe zit het met nog meer stapelen?
Door het circuit onder de fotodiode te verplaatsen, zou je denken dat de bovenste laag alleen wordt ingenomen door het lichtvangende deel, toch? Fout.
Herinner je je de transistor nog? Het zit pal naast de fotodiode en neemt nog meer kostbare lichtopvangruimte in beslag. De oplossing? Meer stapelen!
Ingenieurs hadden het eerder gedaan. In 2017 kondigde Sony een camerasensor aan met RAM tussen de fotodiode en het circuit, waardoor 960 FPS super slow-motion video's mogelijk zijn. Het was een kwestie van hetzelfde idee toepassen op een onderdeel van de bestaande sensor.
Nu bevindt de fotodiode zich eindelijk in het bovenste deel van de sensor, en alleen de fotodiode. Dit verdubbelt effectief het signaal dat de fotodiode kan opvangen en de transistor kan opslaan.
Het meest directe effect is een verdubbeling van de lichtinformatie waaraan elke pixel moet werken. En, zoals met alles in de fotografie, betekent meer licht meer gedetailleerde foto's.
Omdat de transistor echter ook zijn capaciteit verdubbelt, kan hij de elektrische signalen van de fotodiode beter vertalen naar digitale informatie. Een van de mogelijke toepassingen hiervan is het verminderen van beeldruis, waardoor het uiterlijk van foto's verder wordt verbeterd.
Gestapelde sensoren voor een betere toekomst
Terwijl enkelvoudig gestapelde sensoren - fotodiode en transistor in één laag, circuits eronder - al een tijdje bestaan, zijn dubbel gestapelde sensoren (één laag voor elk onderdeel) nog enigszins nieuw. Ze worden meestal gebruikt in professionele camera's, met de eerste mobiele telefoon met een dergelijke sensor, de Sony Xperia 1 V, uitgebracht in mei 2023.
Dat betekent dat de technologie nog in de kinderschoenen staat. Samen met verschillende andere verbeteringen die tot nu toe zijn aangebracht in mobiele fotografie, gestapeld sensoren zorgen ervoor dat smartphonecamera's op weg zijn naar een betere toekomst, of moeten we zeggen een betere afbeelding?
