تعد الهواتف الذكية اليوم قوية جدًا لدرجة أنها لم تتمكن من إطلاق جميع مهام أبولو إلى القمر فحسب، بل يمكنها أيضًا التقاط جميع الصور ومقاطع الفيديو من سطح القمر ونشرها على Instagram. بغض النظر عن تفخيم الشائعات، فإن التكنولوجيا التي تقف وراء كاميرات الهواتف الذكية الحديثة متقدمة جدًا، بدءًا من أجهزة الاستشعار وحتى جميع خوارزميات البرامج، بحيث يمكن للمرء استخدام الهاتف الذكي لالتقاط الصور والفيديو لكل سيناريو يمكن تخيله تقريبًا.
هناك قائمة شاملة من الأفلام التي تم تصويرها بالكامل باستخدام الهواتف الذكية، وتعتمد العديد من معارض ومسابقات التصوير الفوتوغرافي أيضًا على الهاتف الذكي كأداة أساسية للاختيار. لا تتميز هذه المعارض ببعض الأسماء المشهورة في الصناعة فحسب، بل إن المعروضات مذهلة للغاية.
ما الذي يجعل الهواتف الذكية جيدة بما فيه الكفاية، حتى بالنسبة للمصورين وصانعي الأفلام المحترفين؟ ما هو مستشعر CMOS، وما هو بالضبط تصميم ترانزستور-بكسل مزدوج الطبقة؟
تاريخ موجز لكاميرا الهاتف
أول هاتف مزود بكاميرا تجارية – شرح مستشعرات كاميرا الهاتف الذكي
لن نتحدث كثيرا عن التفاصيل التاريخية، ولكن من أجل السياق فقط، تعود أول براءة اختراع لهاتف مزود بكاميرا إلى عام 1994، عندما قرر أربعة من موظفي Nokia إنشاء هاتف مزود بكاميرا مدمجة بداخله.
ومن العجيب أن أول هاتف مزود بكاميرا لم يكن من صنع شركة نوكيا. لقد كان جهاز كيوسيرا VP-210 يابانيًا، أطلق عليه اسم الهاتف المرئي، وتم إصداره في مايو 1999. وعلى مدى السنوات الـ 25 التي تلت ذلك، تحركت الأمور بسرعة، والآن لدينا مستشعرات للهواتف الذكية مقاس 1 بوصة، وأجهزة استشعار مكدسة، وتصميمات بكسل ترانزستور مزدوجة الطبقة، و أكثر.
لكن ما لم يتغير هو التكنولوجيا الأساسية التي تلتقط الضوء وتحوله إلى إشارة كهربائية لتخزينه في ذاكرة هاتفك أو عرضه على الشاشة.
ما هو مستشعر CMOS؟
تم اختراع هذه التقنية في عام 1968، والاختصار يشير إلى أشباه الموصلات التكميلية لأكسيد المعدن. انها ليست معقدة كما يبدو. هناك ثنائيات ضوئية تلتقط الضوء وتحوله إلى إشارة كهربائية، وهناك ترانزستورات تعمل على تضخيم تلك الإشارة.
وتسمى هذه أيضًا بـ APS، أو مستشعرات البكسل النشط، لأن كل ثنائي ضوئي يحتوي على ترانزستور منفصل يعمل على تضخيم الإشارة بشكل فعال. إذن لدينا عدسة تركز الضوء، وصمام ثنائي ضوئي يلتقط الفوتونات من الضوء ويحولها إلى إلكترونات أو إشارات كهربائية، وترانزستورات تضخم تلك الإشارة وترسلها إلى شريحة ISP (معالجة إشارات الصورة) لمزيد من المعالجة.
كان تصميم CMOS الأول يمثل مشكلة – كما أوضحت مستشعرات كاميرا الهاتف الذكي
حتى الان جيدة جدا. كانت مستشعرات CMOS المبكرة تحتوي على دوائر معدنية بين الثنائي الضوئي والعدسة، مما يعيق الضوء ويجعل الصورة أكثر قتامة. كانت تُعرف باسم مستشعرات FSI (إضاءة الجانب الأمامي).
قام الجيل التالي من مستشعرات CMOS بتحريك الصمام الثنائي الضوئي فوق الأسلاك وبجوار العدسة، لالتقاط الضوء، مما يسمح بالتقاط المزيد من الضوء بواسطة الصمام الثنائي. يُعرف هذا التصميم باسم BSI (إضاءة الجانب الخلفي). أحد الهواتف الأولى التي تتميز بهذا النوع من المستشعرات هو iPhone 4.
اختراع مستشعر CMOS المكدس
في حوالي عام 2008، قرر تاكو أوميباياشي، الذي كان مهندسًا في شركة Sony Semiconductor Solutions Corporation، أنه يمكنه تحسين هذا التصميم وبدأ العمل على مستشعر CMOS مكدس.
كانت الفكرة هي فصل قسم الدائرة بالكامل عن الثنائي الضوئي. قبل ذلك، كانت الدائرة ملفوفة حول الصمام الثنائي الضوئي، مما يشغل مساحة ثمينة ويجبر الصمام الثنائي الضوئي على أن يكون أصغر حجمًا. كلما كان الصمام الثنائي الضوئي أصغر، قل الضوء الذي يمكنه التقاطه، مما يؤدي إلى انخفاض حساسية الإضاءة المنخفضة وكذلك المزيد من الضوضاء الصادرة عن الدائرة المحيطة به.
أول تصميم CMOS مكدس كانت شركة Sony رائدة فيه
طرحت شركة سوني أول مستشعر CMOS متراكب ومتوفر تجاريًا في عام 2012، وقد أحدث ثورة في التصوير الرقمي. حصل أوميباياشي على جائزة الاختراع الوطنية لعام 2016 من رئيس وزراء اليابان وميدالية 2020 مع جائزة الشريط الأرجواني لاختراعه.
لوحات جائزة رئيس الوزراء (جوائز الاختراع الوطنية لعام 2016) وزخرفة الميدالية بالشريط الأرجواني لعام 2020
والحقيقة الممتعة الأخرى هي أنه في الوقت الذي دخل فيه مستشعر CMOS المتراكب مرحلة الإنتاج الضخم، لم يكن هناك أي عملاء لهذه التقنية. لقد كانت مقامرة كبيرة، وقررت شركة Sony وضع مستشعر CMOS المكدس في مجموعة هواتفها الذكية Xperia Z في امر
لنشرها.
هذه المقامرة أتت أكلها. بعد فترة وجيزة من إطلاق CMOS المكدس، أدركت الشركات المصنعة للهواتف الذكية تفوق التكنولوجيا، وفي الوقت الحاضر تتميز معظم الهواتف الذكية (بما في ذلك جميع أجهزة iPhone) بأجهزة استشعار الصور من سوني. تعد شركة Sony هي الشركة الرائدة المطلقة في حصة السوق عندما يتعلق الأمر بأجهزة استشعار CMOS، بنسبة مذهلة تبلغ 42% (بيانات من عام 2022)، وتأتي سامسونج في المرتبة الثانية بفارق كبير بنسبة 19%.
تصميم ثنائي الطبقة الترانزستور بكسل
كلمة طنانة أخرى، أو ينبغي لنا أن نقول عبارة طنانة، تمت صياغتها في العام الماضي، وهي مستشعر الهاتف المحمول ثنائي الطبقة الترانزستور والبكسل. كانت مستشعرات CMOS المكدسة جيدة، لكن جزء الترانزستور الذي يضخم الإشارة كان لا يزال جزءًا من الثنائي الضوئي، مما يحد من السطح الذي يلتقط الضوء.
وفي عام 2021، أعلنت شركة Sony Semiconductors عن إنجاز جديد في مجال CMOS. إنه أول مستشعر CMOS بطبقتين ترانزستور وبكسل في العالم. وجد المهندسون طريقة لتحريك جزء الترانزستور، وتضخيم الإشارة تحت الثنائي الضوئي، وترك سطح أكبر لالتقاط الضوء، وتحسين النحافة مثل النطاق الديناميكي، وحساسية الضوء المنخفضة، وخفض الضوضاء.
تصميم مستشعر مكدس ثنائي الطبقات من الترانزستور والبكسل، سوني
فيما يلي مقتطف من موقع سوني الذي يشرح التقنية: “إن بكسل الترانزستور ثنائي الطبقة هو أول تقنية مستشعر صور CMOS مكدسة في العالم مع بنية بكسل تفصل بين الثنائيات الضوئية وترانزستورات البكسل على طبقات ركيزة مختلفة، على عكس النمط التقليدي الذي يحتوي على “اثنان على نفس الركيزة. يعمل هذا الهيكل الجديد على مضاعفة مستوى إشارة التشبع تقريبًا مقارنة بأجهزة استشعار الصورة التقليدية، وتوسيع النطاق الديناميكي، وتقليل الضوضاء.”
شقت التكنولوجيا طريقها إلى هاتف Sony Xperia 1 Mark V (يُطلق عليه اسم Exmor T) ثم إلى العديد من الهواتف الرئيسية الأخرى (سلسلة Xiaomi 14 وOnePlus 12) ضمن مجموعة مستشعرات Sony LYTIA التي أعيدت تسميتها.
وكما يقول الخبراء في مجال التصوير الرقمي، “المستقبل مكدس!” وهذا يعني أنه في السنوات القادمة، سنرى هذه التكنولوجيا داخل المزيد والمزيد من الهواتف الرائدة (والمتوسطة المدى). ماذا يأتي بعد ذلك؟ فقط الوقت كفيل بإثبات!
