ما هو مستشعر الكاميرا المكدس وكيف يعمل؟

تحتوي معظم الهواتف الذكية على جزيرة كاميرا أكثر سمكًا من باقي أجسامها. ومع ذلك ، حتى عند حساب هذا النتوء الإضافي ، فإنهم أرق ويلتقطون الصور ومقاطع الفيديو التي تبدو أفضل من نظرائهم قبل بضع سنوات.

في السنوات الأولى من التصوير الفوتوغرافي أثناء التنقل ، كانت هناك حاجة إلى أدوات أكثر سمكًا: هل تتذكر كاميرات التوجيه والتصوير من العقد الأول من القرن الحادي والعشرين؟ في الوقت الحاضر ، يتم تعبئة كل شيء في أجهزة بسمك نصف بوصة وأحيانًا أقل. أجهزة استشعار الصور المكدسة هي التي تجعل هذا ممكنًا.

فهم التصوير الرقمي

ال الفرق بين الكاميرات التناظرية والرقمية هو أن الأول يستخدم فيلمًا مصنوعًا من مادة حساسة للصور لتسجيل الصور ، بينما يحتوي الثاني على مستشعر إلكتروني. في هذا المستشعر ، كل بكسل (النقاط الفردية التي تشكل صورة رقمية) هو معلومات الإضاءة التي تم التقاطها بواسطة جزء صغير جدًا من المستشعر (جزء لكل بكسل في الصورة).

هناك اثنان أنواع مجسات الكاميرا الرقمية، CCD (اختصار لـ Charge-Coupled Device) و CMOS (أشباه موصلات أكسيد المعادن التكميلية). تستخدم جميع كاميرات الهواتف الذكية الحديثة الأخير ، لذلك هذه هي التقنية التي سنشرحها أدناه.

يتكون مستشعر CMOS من عدة عناصر. يعتبر الثنائي الضوئي هو الأهم: فهو يولد إشارة كهربائية عندما يستقبل الضوء. يتم تخزين هذه الإشارة بواسطة ملف الترانزستور بجوار الثنائي الضوئي مباشرة ، والذي يترجم الإشارة إلى معلومات رقمية ويرسلها إلى دائرة إلكترونية.

هذه الدائرة مسؤولة عن تفسير تلك البيانات وتمريرها ، جنبًا إلى جنب مع مليارات البكسل الأخرى ، إلى معالج إشارة الصورة (ISP) الذي ينشئ الصورة النهائية.

الأيام الأولى لكاميرات الهاتف

حتى عام 2008 ، واجهت مستشعرات CMOS مشكلة خطيرة: فالأسلاك اللازمة لإرسال معلومات البكسل إلى مزود خدمة الإنترنت تمر بين الثنائي الضوئي والعدسة ، مما يحجب بعض الضوء. تم استخدام نفس البنية لأجهزة استشعار CCD ، والتي كانت أكثر حساسية للضوء ، ولكن بالنسبة لـ CMOS ، كان هذا يعني صورًا أغمق وأكثر ضجيجًا وضبابية.

تم حل ذلك بفكرة بسيطة: تحريك الثنائي الضوئي فوق الأسلاك بحيث يتلقى مزيدًا من الضوء ، وبالتالي تحسين جودة الصورة. وهذا ما يسمى مستشعر إضاءة الجانب الخلفي (BSI) ، على عكس المستشعرات السابقة التي كانت مضاءة من الجانب الأمامي.

لوضع الأمور في سياقها ، كان iPhone 4 ، الذي بدأ سمعة Apple في التصوير الفوتوغرافي للهواتف الذكية ، من بين الهواتف الأولى التي تستخدم هذا النوع من أجهزة الاستشعار. في هذه الأيام ، تستخدم جميع كاميرات الهواتف الذكية تقريبًا مستشعرات BSI.

تعمل المستشعرات المكدسة على تحسين جودة الصورة وتقليل الحجم

حتى بعد إزالة السلك ، لا تزال هناك نقاط لتحسين مستشعرات CMOS. كان أحدها الدوائر المسؤولة عن معالجة معلومات الترانزستور. ملفوفة حول الثنائي الضوئي. وبسبب ذلك ، انتهى المطاف بحوالي نصف الضوء الذي يصل إلى كل بكسل في جزء من المستشعر لم يلتقط أي ضوء.

في عام 2012 ، تم إنشاء أول مستشعر CMOS مكدس. بدلاً من الالتفاف حول الثنائي الضوئي ، توضع الدائرة تحته. نظرًا لأنه (جزئيًا) يحل محل الركيزة المستخدمة للصلابة الهيكلية ، فلا يوجد سمك إضافي. في الواقع ، منذ ذلك الحين ، أدت التحسينات في عملية التكديس ، من قبل شركة Sony والشركات المصنعة الأخرى التي تبنت هذه التقنية ، إلى ظهور مستشعرات أرق ، مما مكن الهواتف الأرق.

ماذا عن المزيد من التراص؟

من خلال تحريك الدائرة أسفل الثنائي الضوئي ، قد يعتقد المرء أن الطبقة العليا ستشغلها فقط الجزء الملتقط للضوء ، أليس كذلك؟ خطأ.

تذكر الترانزستور؟ إنه يقع بجوار الثنائي الضوئي مباشرةً ، مما يأخذ مساحة أكثر قيمة لالتقاط الضوء. الحل؟ المزيد من التراص!

لقد فعلها المهندسون من قبل. في عام 2017 ، أعلنت شركة Sony عن مستشعر كاميرا مزود بذاكرة وصول عشوائي (RAM) بين الثنائي الضوئي والدائرة ، مما يتيح مقاطع فيديو فائقة الحركة بطيئة 960 إطارًا في الثانية. كان الأمر يتعلق بتطبيق نفس الفكرة على جزء من المستشعر الحالي.

الآن ، أصبح الثنائي الضوئي أخيرًا في الجزء العلوي من المستشعر ، وفي الثنائي الضوئي فقط. هذا يضاعف بشكل فعال الإشارة التي يمكن أن يلتقطها الثنائي الضوئي ويمكن أن يخزنها الترانزستور.

التأثير الفوري هو مضاعفة معلومات الضوء التي يجب أن يعمل عليها كل بكسل. وكما هو الحال مع كل شيء في التصوير الفوتوغرافي ، يعني المزيد من الإضاءة صورًا أكثر تفصيلاً.

ومع ذلك ، نظرًا لأن الترانزستور يضاعف سعته أيضًا ، فيمكنه ترجمة الإشارات الكهربائية بشكل أفضل من الثنائي الضوئي إلى معلومات رقمية. أحد التطبيقات الممكنة لذلك هو تقليل تشويش الصورة ، وزيادة تحسين مظهر الصور.

مجسات مكدسة لمستقبل أكثر إشراقًا

في حين أن المستشعرات المفردة المكدسة - الثنائي الضوئي والترانزستور في طبقة واحدة ، والدوائر الموجودة تحتها - كانت موجودة لبعض الوقت ، إلا أن المستشعرات المزدوجة المكدسة (طبقة واحدة لكل جزء) لا تزال جديدة إلى حد ما. يتم استخدامها في الغالب في الكاميرات الاحترافية ، مع أول هاتف محمول مزود بمثل هذا المستشعر ، Sony Xperia 1 V ، والذي تم إصداره في مايو 2023.

هذا يعني أن التكنولوجيا لا تزال في مهدها. جنبا إلى جنب مع العديد من التحسينات الأخرى التي تم إجراؤها في التصوير الفوتوغرافي المحمول حتى الآن ، مكدسة تعني المستشعرات أن كاميرات الهواتف الذكية في طريقها إلى مستقبل أكثر إشراقًا - أو ينبغي أن نقول أكثر إشراقًا صورة؟