13 Mpix sensor QuantumFilm dla smartfonów gotowy - omówienie technologii

Słyszeliście kiedyś o firmie InVisage, którą wspierają między innymi fundusze inwestycyjne Intela i Nokii? Jeśli nie, to zapoznajcie się z tym newsem. Jej sensor Quantum13 (lub jego udoskonaleni następcy) może odegrać ważną rolę w branży aparatów cyfrowych. Quantum13 wykorzystuje technologię Quantum Film, co można przetłumaczyć (choć to nie końca precyzyjnie oddając istotę problemu) jako kwantowa klisza. Układ jest już gotowy do masowej produkcji.

Sensor Quantum13 o rozdzielczości 13 Mpix i rozmiarze piksela 1,1 um, jest przeznaczony dla smartfonów. Wystarczy jeden fakt by uznać go za wart uwagi - moduł aparatu ze wspomnianym sensorem ma tylko 4 mm grubości. A moduł aparatu to właśnie jeden z podzespołów, który determinuje maksymalną grubość smartfona.

To nie wszystko. Produkt InVisage ma też inne zalety:

• eliminuje problem rolling shutter poprzez zastosowanie globalnej migawki elektronicznej - smartfonowe zdjęcia i filmy bardzo szybko poruszających się obiektów nie będą wykrzywione, nie będzie też problemu galaretowatego obrazu przy szybkim ruszaniu smartfonem na boki,
• ma lepszą dynamikę niż inne sensory o podobnym rozmiarze – oznacza to, że sceny z bardzo dużymi kontrastami będą lepiej odwzorowane i to bez potrzeby stosowania trybu HDR, który ponownie nie jest dobry dla szybko poruszających się obiektów,
• w razie potrzeby oferuje sprzętowy HDR - jako tryb QuantumCinema dla rejestracji obrazu
• lepiej radzi sobie w słabym oświetleniu, wedle danych producenta ma około 20% lepszą wydajność kwantową niż porównywalne sensory CMOS - to oznacza, że smartfony jeszcze lepiej poradzą sobie w słabym oświetleniu,
• minimalizuje efekt przesłuchu pomiędzy pikselami (cross-talk) - a to w skrócie pozwala uniknąć wad odwzorowania obrazu, błędów w kolorystyce itp.,
• pozwala na sprzętową zmianę rozmiaru sensora - czyli nie zmieniamy programowo rozmiaru piksela poprzez sumowanie sygnału z kilku pikseli, ale fizycznie przypisujemy jednemu pikselowi większą część sensora,
• dobrze radzi sobie w świetle podczerwonym,
• konstrukcja jest zgodna z procesem CMOS - czyli będzie łatwy do wdrożenia na szeroką skalę.

Dobrze słyszeć, że produkt InVisage jest już tak zaawansowany, choć trzeba zwrócić uwagę, że doprowadzenie technologii QuantumFilm do obecnego stanu zajęło znacznie więcej czasu niż planowano. Wedle optymistycznych zapowiedzi InVisage z 2010 roku już cztery lata temu miała ruszyć masowa produkcja.

Jednak dopiero w czerwcu tego roku oficjalnie otworzono fab QFAB3 na Tajwanie, gdzie są produkowane układy Quantum13, na bazie wafli krzemowych dostarczonych przez pobliskie zakłady TSMC.

Może to i lepiej. Więcej czasu oznacza, że InVisage prawdopodobnie dopracowało technologię QuantumFilm, którego lista zalet jest przecież imponująca. No właśnie, cóż to jest to QuantumFilm? Zobaczmy.

Wyjaśnienie technologii
(na podstawie informacji InVisage)

W skrócie, QuantumFilm to cieniutka (grubość 0,4 um) światłoczuła warstwa materiału złożonego z kropek kwantowych. Pełni ona tę samą rolę co znacznie grubsza warstwa krzemu (przeciętnie około 3 um grubości) w tradycyjnych sensorach CMOS - dokonuje konwersji światła na elektrony, które gromadzone są w każdym z pikseli, a potem „tłumaczone” na sygnał cyfrowy, co pozwala zapisać zdjęcie jako plik.

QuantumFilm w tym przypadku nie jest warstwą fizycznie podzieloną na piksele - jest nanoszona jako jednolita warstwa

Warstwa QuantumFilm umieszczona jest pomiędzy płaszczyzną z filtrami barwnymi (zwykle w układzie Bayera), a częścią sensora z elektroniką, która akumuluje sygnał.

Kluczowa w technologii jest niewielka grubość tej warstwy. Im grubsza warstwa tym większa szansa, że wygenerowany elektron trafi do studni potencjału (miejsce gdzie gromadzi się sygnał w pikselu) dla sąsiedniego piksela, a to jest źródłem wspomnianego przesłuchu, czyli zafałszowaniem rzeczywistego obrazu. W przypadku QuantumFilm mamy znacznie mniejszy taki efekt, co pozwala przeznaczyć większą część piksela na studnię potencjału.

Obraz lecącej piłki rejestrowany przez tradycyjną konstrukcję (po lewej) i sensor z Quantum film (po prawej)

W idealnym przypadku powinna ona zajmować całą przestrzeń piksela, lecz w obecnych kontrukcjach CMOS znajduje się tam również dodatkowa elektronika, która przeciwdziała przesłuchowi (izolując piksele). A im większa część, która może akumulować sygnał, to tym większa dynamika sensora, tym lepsza praca przy słabym sygnale i podniesionej czułości.

Demonstracja podczas konferencji w Chinach - na dole smartfon z Quantum13

Druga konsekwencja to możliwość ciaśniejszego rozlokowania mikrosoczewek, które nie muszą tak dobrze ogniskować światła wpadającego do piksela. Cała powierzchnia piksela pod warstwą filtrów jest w tym przypadku światłoczuła.

Na wstępie nazwałem technologię QuantumFilm, kwantową kliszą. Jak widać, jest to duże uproszczenie, ale jedna cecha QuantumFilm sprawia, że takie porównanie ma sens.

Otóż, QuantumFilm reaguje nieliniowo w momencie, gdy piksel wystawiony jest na bardzo silne światło, które sprawia, że jest on bliski saturacji. Odpowiedź na sygnał staje się wtedy słabsza, a to oznacza, że matryca QuantumFilm może nie prześwietlać się przy znacznie silniejszym sygnale niż podobnej skali układ CMOS. Wszystko wyjaśnia poniższe wideo.

Takie zachowanie, zwane kompresją świateł jest charakterystyczne dla tradycyjnej kliszy analogowej. Domyślnie sensor Quantum13 pracuje w reżimie podstawowym, czyli sygnał z nieliniowej części nie jest uwzględniany przy generowaniu obrazu. Jednak w trybie QuantumCinema można wykorzystać tę nadmiarową informację, co jeszcze bardziej poprawia dynamikę obrazu.

Demonstracyjne wideo robi wrażenie. Lecz bez dobrego punktu odniesienia, a takim będzie porównanie wykonane przez niezależnych od InVisage testerów, trudno stwierdzić na ile smartfon z QuantumFilm byłby lepszy niż obecne topowe konstrukcje.

Źródło: InVisage, Yesky