Sensores empilhados permitem smartphones finos com ótimas câmeras, mas foi um longo caminho para torná-los bons o suficiente para o uso diário
A maioria dos smartphones possui uma ilha de câmera mais espessa que o resto do corpo. No entanto, mesmo contando com essa protuberância adicional, eles são mais finos e tiram fotos e vídeos com uma aparência melhor do que seus colegas de alguns anos atrás.
Nos primeiros anos da fotografia em movimento, eram necessários dispositivos ainda mais grossos: lembra-se das câmeras point-and-shoot dos anos 2000? Hoje em dia, tudo é embalado em aparelhos com meia polegada de espessura, às vezes até menos. Os sensores de imagem empilhados são o que torna isso possível.
Entendendo a Fotografia Digital
O diferença entre câmeras analógicas e digitais é que a primeira utiliza um filme feito de material fotossensível para registrar as imagens, enquanto a segunda possui um sensor eletrônico. Nesse sensor, cada pixel (pontos individuais que formam uma imagem digital) é uma informação de iluminação capturada por uma parte muito pequena do sensor (um para cada pixel da foto).
existem dois tipos de sensores de câmera digital, CCD (um acrônimo para Charge-Coupled Device) e CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Todas as câmeras de smartphones modernos usam o último, então essa é a tecnologia que explicaremos abaixo.
Um sensor CMOS consiste em alguns elementos. O fotodiodo é o mais importante: gera um sinal elétrico quando recebe luz. Esse sinal é armazenado por um transistor logo ao lado do fotodiodo, que traduz o sinal em informação digital e a envia para um circuito eletrônico.
Esse circuito é responsável por interpretar esses dados e passá-los, juntamente com os bilhões de outros pixels, para o processador de sinal de imagem (ISP) que cria a imagem final.
Os primeiros dias das câmeras do telefone
Até 2008, os sensores CMOS tinham um problema sério: a fiação necessária para enviar informações de pixel ao ISP passava entre o fotodiodo e a lente, bloqueando parte da luz. A mesma estrutura foi usada para sensores CCD, que eram mais sensíveis à luz, mas para CMOS, isso significava fotos mais escuras, ruidosas e borradas.
Isso foi resolvido com uma ideia simples: mover o fotodiodo acima dos fios para que ele receba mais luz, melhorando assim a qualidade da imagem. Isso é chamado de sensor Back-Side Illuminated (BSI), em oposição aos anteriores que eram Front-Side Illuminated.
Para contextualizar, o iPhone 4, que deu início à reputação da Apple na fotografia de smartphones, foi um dos primeiros telefones a usar esse tipo de sensor. Atualmente, praticamente todas as câmeras de smartphones usam sensores BSI.
Sensores empilhados melhoram a qualidade da foto e reduzem o tamanho
Mesmo após retirar o fio, ainda havia pontos a melhorar nos sensores CMOS. Um deles era o circuito responsável por processar as informações do transistor. Ele envolveu o fotodiodo. Com isso, cerca de metade da luz que chegava a cada pixel acabava em uma parte do sensor que não captava luz alguma.
Em 2012, foi criado o primeiro sensor CMOS empilhado. Em vez de envolver o fotodiodo, o circuito é colocado abaixo dele. Uma vez que (parcialmente) substitui um substrato usado para rigidez estrutural, não há acréscimo de espessura. Aliás, desde então, melhorias no processo de empilhamento, tanto da Sony quanto de outros fabricantes que adotaram a tecnologia, resultaram em sensores mais finos, que possibilitaram celulares mais finos.
Que tal empilhar ainda mais?
Ao mover o circuito abaixo do fotodiodo, alguém poderia pensar que a camada superior seria ocupada apenas pela parte de captura de luz, certo? Errado.
Lembra do transistor? Ele fica ao lado do fotodiodo, ocupando ainda mais espaço precioso para a captura de luz. A solução? Mais empilhamento!
Engenheiros já haviam feito isso antes. Em 2017, a Sony anunciou um sensor de câmera com RAM entre o fotodiodo e o circuito, permitindo vídeos em super câmera lenta de 960FPS. Era uma questão de aplicar a mesma ideia a uma parte do sensor existente.
Agora, o fotodiodo está finalmente na parte mais alta do sensor, e apenas o fotodiodo. Isso efetivamente dobra o sinal que o fotodiodo pode capturar e o transistor pode armazenar.
O efeito mais imediato é o dobro da informação de luz que cada pixel precisa trabalhar. E, como tudo na fotografia, mais luz significa fotos mais detalhadas.
No entanto, como o transistor também dobra sua capacidade, ele pode traduzir melhor os sinais elétricos do fotodiodo em informações digitais. Uma das possíveis aplicações disso é reduzir o ruído da imagem, melhorando ainda mais a aparência das fotos.
Sensores empilhados para um futuro melhor
Enquanto os sensores de pilha única - fotodiodo e transistor em uma camada, circuitos abaixo dela - já existem há algum tempo, os de pilha dupla (uma camada para cada parte) ainda são um tanto novos. Eles são usados principalmente em câmeras profissionais, com o primeiro celular a apresentar esse sensor, o Sony Xperia 1 V, lançado em maio de 2023.
Isso significa que a tecnologia ainda está em sua infância. Juntamente com várias outras melhorias que foram feitas na fotografia móvel até agora, empilhadas sensores significam que as câmeras dos smartphones estão no caminho para um futuro mais brilhante - ou deveríamos dizer um futuro mais brilhante foto?
