Mobilkamera

Slik virker mobilkameraet

Kamera i mobiltelefoner er et teknologisk under som ikke slutter å overraske.

P30-linse.
P30-linse. (Foto: Huawei)

Kamera i mobiltelefoner er et teknologisk under som ikke slutter å overraske.

En kamerasensor består av millioner av individuelle lyssensorer, eller piksler (picture element), som vi kaller dem. Det er en grov betegnelse som vi bruker både om punkter som fanger lys i kameraer, eller som sender ut lys, slik de gjør i skjermer.

En kamerapiksel gir fra seg en spenning som varierer med hvor mange fotoner den fanger opp. I selve sensoren skjer det en kvantereaksjon. Når lyset – det vil si de masseløse fotonene – treffer sensormaterialet, som regel silisium, slår de løs elektroner. Hvor mange som slås løs bestemmer den såkalte kvanteeffektiviteten. Jo høyere den er, jo færre fotoner trengs det per elektron.

De knøttsmå lyssensorene har også noe vi ikke vil ha. De genererer kontinuerlig egenstøy. Når det er lite lys utenfra, blir stadig mer av det samlede signalet fra pikselet bestående av støykomponenten. Derfor er forholdet mellom selve det nyttige signalet og støyen viktig. Løsningen er større piksler som fanger mer lys, materialer med lavere egenstøy, men i økende grad signalprosessorer som analyserer signalene og prøver å redusere virkingen av egenstøyen.

De første kamerasensorene som kom, var såkalte CCD-sensorer. I dag er de helt borte, til fordel for CMOS-sensorer som er basert på samme teknologi vi bruker i prosessorer og andre brikker.

Gråtoner

Det eneste en kamerapiksel gjør er å generere en spenning som varierer analogt med lysstyrken. For å gi mening må signalet oversettes til det digitale området, og det gjøres i 16 bits oppløsning. For å skape et fargebilde legges det fargefiltre oppå hvert piksel.

Fordelen med plastlinser er at de kan injeksjonsstøpes i metallformer. Det er billig og resultatet blir bra

SENSORSTØRRELSE: Den nye 108 megapiksel-sensoren Samsung utvikler er fysisk større enn noen annen mobilkamera-sensor. Men den er langt unna de som sitter i kameraer, og ikke minst de med såkalt fullformat-sensor.

Det vanlige er å legge dem på i et såkalt Bayer-mønster. Det er et mønster som legger på et rødt, et blått og to grønne fargefiltre på grupper av fire piksler. Det er to grønne fordi øyet er så følsomt for denne fargen.

Ut fra informasjonen fra alle de små fargepunktene kan signalprosessoren regne ut hver enkelt piksels gråtone og fargeverdi ved å interpolere mellom og ta hensyn til hvor mye av lyset hvert enkelt filter absorberer. Til slutt settes alt sammen til et komplett fargebilde.

Mer og mer

Det kan argumenteres for at rundt 12 MP er godt nok for å lage gode bilder. Men forbrukere liker høye verdier. Derfor har vi fått en trend mot stadig flere piksler. I år finner vi 48 MP på mange modeller langt ned i prisklassene.

Det høres kanskje ikke så lurt ut med tanke på fysikken. Flere piksler på et sensorområde, som ikke blir mye større gir færre fotoner til hver individuell sensor, uten at egenstøyen reduseres. Derfor slår man sammen fire og fire av dem elektrisk med såkalt pikselsamling. I praksis oppfører de seg som en piksel som er fire ganger større. Det er jo en tynn stripe mellom hver sensor hvor lyset ikke gjør nytte for seg, men det løser man med mikrolinser. De ligger over sensoren og sørger for at det lyset som ellers ville gått tapt fokuseres inn i pikselet.

Et høyt pikselantall har et par uomtvistelige fordeler. For det første kan de ta svært høyoppløselige bilder når lysforholdene er gode. Og når de er det kan man zoome i bildet ved å så å si klippe seg inn mot midten og ende opp med et 12 MP bilde uten å miste oppløsning.

Det neste oppløsningshoppet som er under oppseiling, er 108 MP. Men her er også sensoren mye større enn det som er vanlig i dag. Denne Isocell Bright HMX – som Samsung nå lager og som Xiaomi er i ferd med å lansere i en mobil – vil også gjøre pikselsamling, men da ender vi opp med et 27 MP bilde. Den kan også produsere 6K video med 30 bilder i sekundet.

En fordel med mange piksler er rett og slett datamengden. Jo flere signalprøver man har jo bedre kan man få frem et nøyaktig bilde når det skaleres ned til håndterbar størrelse. Dette er prinsippet med oversampling som vi også har med lydopptak.

Sensorer med veldig mange piksler, slik som dagens utgaver med 48 MP og neste års 108 MP, kan slå sammen fire og fire piksler med såkalt pikselbinning. Da får man i stedet for fire små sensorer på 0,8 mikrometer en større på 1,6 mikrometer. Det gjør at signal/støy-forholdet blir mye bedre når det er lite lys.

Pikselstørrelse

Hvor stort en piksel må være for å kunne hente ut nok støyfri informasjon har endret seg gjennom tiden mobilkameraet har eksistert. Et typisk 2 MP kamera fra 2005 hadde en sensor på 3,6 mikrometer kvadrat. Det er et tall som er typisk for dagens systemkameraer med svære sensorbrikker, men også med langt flere piksler.

I dag har mikrolinseteknologi gjort at pikslene fanger mer lys, men med typiske mål på 1,1 µm, og 0,8 µm på de mest høyoppløste, er det likevel smått med fotoner i forhold til for snart 15 år siden. På tross av det har bildekvaliteten økt. Det er et resultat av bedre materialteknologi med forbedret signal- til støyforhold, men også programvare som blir stadig bedre til å kompensere for sensorens egenstøy.

Les også

Programvaren

Selv om kamerasensorene i mobilene blir fysisk større, og det blir flere i samme telefon som kan samarbeide, er det en del fysiske grenser ute og går. Derfor vil smartere programvare komme til unnsetning. Spesielt de nye mobilprosessorene som kan kjøre kunstig intelligens på brikken utnyttes til å fjerne støy og forbedre bildene. Og til å gi kameraene helt nye funksjoner. Dette er en utvikling som bare er i starten.

Optikken

Det er lett å glemme optikkens rolle når man snakker om alle megapikslene, men den er selvfølgelig umåtelig viktig. I mange mobilkameraer har den en nesten umulig rolle. Den skal fange mest mulig lys og levere bildet inn på sensoren uten at det forvrenges optisk.

Det er ikke lett, og det krever mange linseelementer. Vanligvis mellom fire og syv over hver sensor. Jo flere elementer, jo bedre kan man kompensere for ulike optiske feil, som ofte kalles aberrasjon.

I mobilkameraer brukes så å si alltid optikk basert på plast. Glasslinser – som i hvert fall teoretisk er bedre – må slipes til og det er lett å tenke seg at det å slipe syv linser til hver sensor, som det er tre til fire av i moderne mobiler, ville blitt ekstremt kostbart. Tidligere har de vært brukt glass, men i en av mange linser og da presstøpt og ikke slipt.

Fordelen med plastlinser er at de kan injeksjonsstøpes i metallformer. Det er billig, og resultatet blir bra.

Avstanden fra sensoren til linsene bestemmer egenskapene til en telelinse bestemmer egenskapene til en telelinse i mobilkameraet. For å få 2X eller 3X forstørrelse har man som regel brukt en mindre sensor med færre piksler. Tidligere i år introduserte Huawei P30 Pro, som har priskoplinse som vist på figuren. Ved å snu sensoren 90 grader og benyttet et prisme som vender lyset 90 grader, får man mer plass til linsene og kan ha 5X forstørrelse.

Optisk tap

Både glass- og plastlinser har et lystap. Hver gang lyset skal gå gjennom en overflate spres en del av det. Uten å gjøre noe ville fem prosent av lyset tapes hver gang det gikk gjennom en overflate og med opptil 14 overflater ville det blitt lite igjen til sensoren. Derfor blir linsene belagt med et antirefleksbelegg som reduserer tapet til en halv prosent per flate. Det er til å leve med.

Les også

Det er i senter av linsen tapene er minst. Jo lenger ut man kommer jo større blir tapene. I et godt mobilkamera kan tapet i periferien ligge mellom 30 og 40 prosent og kan komme opp i over 50 prosent. Likevel er det mulig å kompensere for det i programvare.

Egentlig går ikke lyset tapt. Det blir til strølys, altså fotoner på avveie, som helst ikke bør være der. Heldigvis har smart design bidratt til å redusere problemet med strølys både i optikken og i huset som holder linseelementene fast.

I et 12 MP kamera, som er vanlig i mange toppmobiler hjelper det ikke å bygge en kostbar linse som oppløser mye mer. Dessuten kan forvrengninger som kommer fra optikken enkelt kompenseres for i programvare, så å si uten tap.

Over hver sensor sitter det opptil syv plastlinser. Det trengs for at lyset skal falle riktig inn på sensoren, og for å gi den riktige brennvidden. Bildet viser to gjennomskårne linser fra et Zeiss mobilkamera til en Nokia-telefon.

Optimalisert produksjon

Det er nesten utrolig at noe så smått som et mobilkamera kan være så presist. Linseelementene støpes opptil 16 av gangen i en form der det ferdige produktet ser ut som et lite tre av klar plast hvor linseelementene er «fruktene».

Linsene kuttes fra treet og får et antirefleksbelegg. Så monteres de inn en liten sylinder, enten manuelt, eller i maskiner. Sylinderen er en såkalt voice coil, altså lik en spole vi finner i høyttalere, som brukes til å føre linsene fram og tilbake når kameraet fokuserer.

AI og array

Fremover er det flere trender som vil utfordre de tradisjonelle kameraprodusentene. Vi har bare sett starten på hva AI kan gjøre med bilder. Sensorene vil også blir større og teknologi som pikselsamling og flere kameraer som samarbeider om bildet vil bidra. Det kan også være at flere produsenter vil gjøre som Nokia og lansere kameraer med fem eller flere like sensorer som samarbeider om å ta bildet. Utfordringen er at det er ekstremt prosessorkrevende å sy sammen slike bilder, men alle vet jo hvor prosessorkapasiteten i mobiler er på vei. 

Kilde: Innovasjonssjef i Carl Zeiss AG, diplomingeniør Oliver Schindelbeck.

Les også

Kommentarer (15)

Kommentarer (15)

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå