آیسوسل چیست و چطور کیفیت عکس‌های گلکسی اس 5 را افزایش می‌دهد

در سال‌های اخیر دوربین گوشی‌های هوشمند از نظر کمی و کیفی بسیار پیشرفت کرده به طوری که حالا یکی از نقاط قوت گوشی‌های پرچم‌دار، دوربینشان است. تاکنون با دوربین‌های رزولوشن بالای نوکیا در گوشی‌های ویندوز فونی رده اول مثل لومیا 1520 روبرو شده‌ایم. ال‌جی جی 2 با لرزشگیر آپتیکال خود در کاهش نویز موفق ظاهر شده است. گلکسی اس 4 و گلکسی نوت 3 هر دو با بهره‌گیری از الگوریتم‌های کارآمد پردازش تصویر، عکس‌های با کیفیتی تحویل می‌دهند. آیفون با استفاده از فلش قدرتمند و همچنین حالت فیلم‌برداری سریع، موفق بوده و در نهایت سونی در اکسپریا زی 1 و زی 2 از حسگر بزرگ‌تر برای افزایش کیفیت بهره برده است.

سامسونگ برای افزایش کیفیت دوربین گلکسی اس 5 تکنولوژی نوینی به نام ISOCELL را مورد استفاده قرار داده که بنابر شایعات، در عمل هم موثر واقع شده است.

 در واقع حسگر ISOCELL سامسونگ نسبت به نور حساسیت بیشتری دارد و حتی در نور کم هم رنگ‌ها را با کیفیت بالاتری تشخیص می‌دهد. سامسونگ این تکنولوژی را به عنوان یک پله‌ی دیگر در تکامل حسگرهای BSI قلمداد کرده است.

یک عامل کلیدی در تخمین کیفیت حسگر دوربین، مقداری نوری است که توسط یک پیکسل آن دریافت می‌شود. هر چه نور جذب و ثبت شده بیشتر باشد، عکس به محیط واقعی شبیه‌تر است و به عبارتی رنگ‌ها با دقت بیشتری تشخیص داده شده‌اند. بنابراین مشخص است که چرا پیکسل‌های بزرگ‌تر، در مجموع کیفیت عکس را افزایش می‌دهند. البته توجه کنید که تنها عامل اندازه‌ی پیکسل‌ها نیست چرا که در این صورت HTC One باید بهترین محصول بازار در عرصه‌ی دوربین باشد.

در واقع اگر پیکسل‌ها بزرگ‌تر باشند، روی سطح یک حسگر تعداد کمتری پیکسل جا می‌شود. بنابراین رزولوشن کاهش می‌یابد، به عبارت دیگر دقت عکس و جزئیات آن کاهش می‌یابد.

سازندگان گوشی‌های هوشمند به افزایش تعداد پیکسل‌ها بیشتر علاقه‌مندند، در مقابل حساسیت پیکسل‌هاست که آسیب می‌بیند و کاهش می‌یابد. لذا طبیعی است که در نور کم کیفیت به شدت کاهش پیدا کند.

بنابراین به استثنای معروفمان برمی‌گردیم، HTC One، گوشی رده اولی که دوربین 4 مگاپیکسلی دارد و در نور کم هم خوب عمل می‌کند. اچ‌تی‌سی نام تکنولوژی دوربین این گوشی را اولتراپیکسل گذاشته تا به بزرگی پیکسل‌های حسگر آن اشاره‌ی کاملی کرده باشد.

بیشتر سازندگان از روش اچ‌تی‌سی اجتناب کرده‌اند. هزینه‌ی استفاده از یک حسگر غول‌آسا در گوشی‌های هوشمند زیاد است و از طرفی اندازه و به خصوص ضخامت گوشی محدودیت‌های زیادی ایجاد می‌کند. بنابراین سازندگان گوشی‌های هوشمند همواره در فکر بهینه کردن حسگر و افزایش بازدهی آن برای جذب نور بیشتر هستند. از بین بردن فاصله‌ی بین پیکسل‌ها و استفاده از نورپردازی پشتی یا Backside Illumination که به صورت مخفف BSI خوانده می‌شود، از راه‌های اصلی ارتقای بازدهی بوده است.

در روش BSI که مقابل روش FSI قرار می‌گیرد، سیستم‌هایی که به پیکسل‌ها متصل می‌شوند، در سمت پشتی قرار می‌گیرند. نور وارد حسگر می‌شود و ماده‌ی فتو-دیودی آن را جذب کرده و به صورت سیگنال ضعیف الکتریکی به مدارات انتقال می‌دهد. منظور از فتودیود ماده‌ای حساس به نور است که با جذب نور، سیگنال الکتریکی ضعیف ایجاد می‌کند.

در تصویر زیر سه فتودیود سیلیکونی و یک فتودیود ژرمانیومی (دیود پایینی) نشان داده شده است:

در روش FSI بخشی از نور وارد شده از سمت جلو، توسط سیم‌ها به دام می‌افتد و لذا حسگرهای FSI در نور کم، کارایی پایین‌تری نسبت به حسگرهای BSI دارند.

به تصویر زیر توجه کنید و خودتان قضاوت نمایید:

تکنولوژی BSI تا جایی پیشرفت کرده که بازدهی حسگر را افزایش می‌دهد اما یک مشکل اساسی دیگر، تداخل است، اینجاست که ISOCELL متولد می‌شود که در ادامه به آن می‌پردازیم.

دو مشکل بزرگ در تبدیل نور محیط به جریان ضعیف الکتریکی وجود دارد. کار یک فتودیود یا دیود نوری این است که نور را به سیگنال قابل پردازش تبدیل کند ولیکن دو پدیده‌ی تداخل و اشباع شدن پیکسل‌ها، سد راه عملکرد درست و واقعی فتودیود می‌شوند.

با کوچک‌تر شدن پیکسل‌ها، ظرفیت نگه‌داری شارژ آنها هم کاهش می‌یابد و به عبارت ساده‌تر، با جذب نور زیاد، زودتر اشباع می‌شوند. نتیجه این است که گستره‌ی دینامیکی پیکسل‌ها کمتر می‌شود.

توجه کنید که منظور از گستره‌ی یا محدوده‌ی دینامیکی، نسبت شدت روشنایی روشن‌ترین نقاط تصویر به تاریک‌ترین نقاط آن است.

مشکل جدی دوم تداخل یا Crosstalk نام دارد و به دیودهای نوری و مداراتشان مربوط می‌شود. نوع اول تداخل به تداخل نور معروف است. این نوع تداخل باعث می‌شود که نوری که قرار است توسط یک فتودیود جذب شده و سپس به جریان الکتریکی تبدیل شود، توسط فتودیود همسایه به جریان ضعیف الکتریکی تبدیل شود. مثلاً اگر قرار باشد که نور توسط یک پیکسل سبز جذب شود، تعدادی از فتون‌های آن به پیکسل‌های آبی و قرمز اطراف نشت کرده و سیگنال ضعیفی ایجاد می‌کنند. بنابراین در حالی که ممکن است منظره کاملاً سبز باشد، درصد کمی از آن به آبی یا قرمز متمایل می‌شود. نتیجه‌ی نهایی این است که تصویر با کمی نویز و گاهی درخشندگی در نقاط خاص همراه خواهد بود.

نوع دیگر تداخل زمانی اتفاق می‌افتد که یک پیکسل نور زیادی جذب می‌کند. در واقع نور بیش از حد، فتودیود را یک رنگ اصلی اشباع می‌کند و نتیجه وقوع پدیده‌ای به نام تداخل الکترونیکی است به این صورت که جریان الکتریکی یا به عبارت دیگر سیگنال الکتریکی مربوط به یک دیود، بیش از حد زیاد می‌شود و نشت می‌کند و سیگنال الکتریکی فتودیودهای اطرافت را تقویت می‌نماید.

هر دو پدیده‌ی تداخل نور و تداخل الکترونیکی در تصویر زیر نمایش داده شده است:

توجه کنید که نمی‌توان پدیده‌ی تداخل را به کلی از بین برد، اما می‌توان با استفاده از روش‌های خاص، آن را کاهش داد.

یک حسگر تصویر ایده‌آل، قادر به جذب نور کافی برای بازسازی درست تصویر است. طیف نور قابل جذب کاملاً گسترده است و گستره‌ی دینامیکی هم بالاست. چنین حسگری یک حسگر دقیق محسوب می‌شود و از تداخل تا جایی که ممکن باشد، اجتناب می‌کند.

تکنولوژی آیزوسل در واقع تکامل تکنولوژی‌های موجود برای رفع مشکلات ذکر شده است. در درجه‌ی اول، آیزوسل با ایزوله کردن هر یک از پیکسل‌ها به وسیله‌ی یک حصار فیزیکی، مشکل تداخل را تا حد زیادی حل می‌کند. به همین علت در نام آن از کلمه‌ی ISO استفاده شده است. حصار فیزیکی مانع حرکت فتون‌ها به سمت سلول‌های اطراف می‌شود و آنها را در فتودیودی که مکان درستشان است، به دام می‌اندازد تا به درستی جذب شوند.

ویدیوی زیر را تماشا کنید تا ببینید سامسونگ این تکنولوژی را چگونه توصیف کرده است:

آیسوسل نسبت به حسگرهای معمولی BSI در کاهش پدیده‌ی تداخل و حفظ ظرفیت کامل حسگر، حدود 30 درصد بهینه‌تر است. توجه کنید که کیفیت عکس‌ها در حد 30 درصد افزایش نمی‌یابد، در اصل آیسوسل رنگ‌ها را واقعی‌تر می‌کند چرا که هر یک از سلول‌های رنگی پیکسل ایزوله شده‌اند. افزایش کیفیت رنگ به بهبود شفافیت و طراوت عکس‌ها می‌انجامد.

آیسوسل یک واژه‌ی تجاری است که سامسونگ برای اشاره به پیکسل با نورپردازی پشتی سه بعدی (3D BSI) و ایزولاسیون شیار عمیق از سمت جلو (F-DTI) و گیت‌های انتقال عمودی (VGT)، از آن استفاده می‌کند.

اما به جزئیات ماجرا بپردازیم. FTD-I یا ایزولاسیون فتودیودها با ایجاد شیار عمیق، سطح مفیدی که قرار است فتودیود با استفاده از آن به جذب نور بپردازد را کاهش می‌دهد. بنابراین مطابق تصویر زیر، سطح مفید نسبت به حسگرهای معمولی BSI کاهش پیدا می‌کند.

اما تکنولوژی دیگری که مشکل کاهش سطح مفید را به کلی از بین برده، VTG نام دارد. سامسونگ در طراحی فتودیودها از یک گیت عمودی استفاده کرده که نسبت به گیت افقی که در حسگرهای BSI متداول است، موثرتر عمل می‌کند و چیدمان را در جهت افزایش ظرفیت جذب نور، بهینه می‌کند.

از منظر اعداد و ارقام، پدیده‌ی تداخل از 19 درصد در حسگرهای BSI به 12.5 درصد در آیسوسل کاهش می‌یابد. برای دستیابی به نسبت سیگنال به نویز روشنایی 10 یا به اختصار YSNR10 به 105 لوکس روشنایی نیاز است که نسبت به 150 لوکس حسگرهای BSI فوق‌العاده به نظر می‎رسد. ظرفیت یک فتودیود کامل هم از 5000 الکترون در یک حسگر BSI مشابه به 6200 الکترون در آیسوسل می‌رسد.

یک مزیت دیگر آیسوسل جذب بهتر نوری است که به صورت مایل تابیده شده و به عبارت ساده‌تر، زاویه‌ی دید وسیع‌تری دارد. در این صورت لنزهایی که نسبت کانونی کمتری دارند هم در نور کم، عکس‌های بهتری می‌گیرند. منظور از نسبت کانونی یا عدد F یا F-number، نسبت فاصله‌ی کانونی لنز به قطر دیافراگم است. بنابراین عدد کانونی کمتر، به معنی دیافراگم نسبتاً بازتر است و نوری که به صورت مایل تابیده می‌شود، بیشتر خواهد شد.

آیسوسل یک مزیت دیگر هم دارد، سازنده آزادی بیشتری در کاهش ارتقاع ماژول دوربین خواهد داشت، سطح آرایه‌ی پیکسل‌ها هم قابل افزایش خواهد بود. حسگر در بسته‌ای کوچک‌تر جا می‌شود و در ادامه هزینه‌های تولید کاهش می‌یابد.

قطعاً آیسوسل کیفیت کلی عکس‌ها را افزایش می‌دهد. افزایش کیفیت به صورت شفافیت بیشتر، گستره‌ی دینامیکی وسیع‌تر و بازسازی دقیق‌تر رنگ‌ها است. به عنوان مثال تصاویر زیر نمایشی از مزایای تکنولوژی ISOCELL در برابر تکنولوژی قدیمی BSI هستند، توجه کنید که عبارت F-DTI+VTG توضیح اختصاری تکنولوژی ISOCELL است:

در حال حاضر تکنولوژی آیسوسل در مرحله‌ی تولید، هزینه‌ی بالاتری نسبت به انواع مشابه BSI دارد ولیکن در ادامه با توسعه و پیشرفت آن، هزینه‌ها کاهش می‌یابد. به همین علت است که فعلاً در ابزارهای رده اول احتمال استفاده از این تکنولوژی وجود دارد و در دیگر ابزارهای معمولی‌تر، خبری از آن نیست.

فعلاً سامسونگ در گوشی رده اول گلکسی اس 5 از آیسوسل بهره می‌برد و به یک حسگر 16 مگاپیکسلی بسنده کرده است اما در آینده‌ی نزدیک در گلکسی نوت 4 و شاید گوشی‌های بیشتری شاهد استفاده از آیسوسل باشیم. به علاوه احتمال استفاده از لرزش‌گیر آپتیکال برای از بین بردن لرزش‌های لنز هم بیشتر خواهد بود چرا که آیسوسل در کاهش ابعاد ماژول دوربین موثر واقع می‌شود.