Cichy przełom w smartfonach. Czym są aparaty LOFIC?

Gdy robisz zdjęcie swoim smartfonem, zapewne oczekujesz, by uwieczniony obraz nie wyglądał gorzej od tego, co widzą twoje oczy. Problem jednak w tym, że matryce aparatów działają inaczej niż nasze oczy i - mimo dekad rozwoju - pod wieloma względami wciąż im ustępują. 

Jeszcze do niedawna największą piętą achillesową aparatów cyfrowych była niska rozpiętość tonalna. Gdy któregoś słonecznego dnia spacerowałem po mieście, bez problemu byłem w stanie dostrzec dokładną pozycję słońca, kolor nieba i wygląd mijanych samochodów, ale mój Galaxy S z 2010 roku widział jedynie to:

Obraz ten drastycznie odstaje od tego, co widziały moje oczy. Zdecydowanie lepiej z oddaniem widzianej przeze mnie rzeczywistości poradził sobie wydany 15 lat później Galaxy S25 Ultra: 

Ten jakościowy przeskok wynika w dużej mierze ze sprytnych programowych sztuczek. Aby uzyskać wyższą rozpiętość tonalną, telefon wykonał w krótkich odstępach serię zdjęć z różnymi ustawieniami ekspozycji. Po ich połączeniu powstał obraz, na którym szczegóły zachowały się zarówno w ciemnych, jak i jasnych partiach. 

Tak działąją wieloklatkowe algorytmy HDR

Technologia ta, znana jako HDR, stanowi fundament dzisiejszej fotografii cyfrowej, ale nie jest wolna od wad. Łączenie wielu klatek sprawia chociażby, że:

• poruszające się obiekty mogą po sfotografowaniu zostać rozmyte lub zdublowane;
• na sfotografowanym oświetleniu LED mogą pojawić się czarne pasy. 

Oprogramowanie dzisiejszych smartfonów stara się niwelować i te problemy, np. stosując algorytmy wyostrzające lub rejestrując obraz przez kilka sekund i automatycznie wybierając najstabilniejsze klatki. Cały proces w dalszym ciągu sprowadza się jednak do walki ze sprzętowymi ograniczeniami aparatu. A gdyby tych ograniczeń po prostu nie było? 

Aparaty LOFIC, czyli wysoka rozpiętość tonalna bez wieloklatkowego HDR-u

Matryca aparatu zbudowana jest ze światłoczułych pikseli, z których każdy ma określoną pojemność. Gdy światła jest za dużo, piksel się przepełnia, a nadmiar ładunku elektrycznego zostaje utracony. Efektem jest całkowicie biały piksel bez żadnych detali. 

W matrycy typu LOFIC (Lateral Overflow Integration Capacitor) obok każdego piksela (lub grupy pikseli) znajduje się dodatkowy kondensator. Gdy główna fotodioda zaczyna się przepełniać, nadmiar elektronów nie jest usuwany, lecz jest odprowadzany bocznym kanałem bezpośrednio do kondensatora. Dzięki temu sensor zbiera informacje o świetle z dwóch źródeł jednocześnie: z samej fotodiody (dla ciemnych i średnich partii obrazu) oraz z dodatkowego kondensatora (dla najjaśniejszych punktów). Następnie procesor obrazu łączy te dane w jeden plik o ogromnej rozpiętości tonalnej. 

Porównanie obrazu z matrycy IMX778 oraz IMX908 z technologią LOFIC

Co istotne, rejestracja całego zakresu dynamiki odbywa się w ramach jednej ekspozycji. Nie ma opóźnienia czasowego między przechwytywaniem świateł i cieni, co umożliwia fotografowanie nawet szybko poruszających się obiektów czy oświetlenia LED. 

LOFIC przechodzi z kamer przemysłowych do smartfonów

Prace nad technologią LOFIC były prowadzone w Japonii już w pierwszej dekadzie XXI wieku. Początkowo rozwijano ją jednak głównie z myślą o systemach monitoringu (gdzie pozwala chociażby na identyfikację twarzy w bardzo kontrastowym oświetleniu) czy systemach wizyjnych w motoryzacji (gdzie kluczowe jest, by kamera nie "oślepła" po wyjeździe z ciemnego tunelu w pełne słońce). 

Pokaz możliwości technologii TheiaCel z kondensatorami LOFIC (fot. OmniVision)

Aktualnie trwa ekspansja matryc LOFIC na rynek elektroniki konsumenckiej. Wszystko dzięki miniaturyzacji i rozwojowi procesów produkcyjnych, które pozwoliły na upchnięcie dodatkowych kondensatorów w miniaturowych matrycach bez drastycznego zmniejszania samych pikseli. 

W marcu 2024 roku firma OmniVision oficjalnie zaprezentowała sensor OV50K40, będący pierwszą na świecie matrycą LOFIC do smartfonów. Niedługo później wylądowała ona na pokładzie niedostępnego w Europie modelu Honor Magic 6 Ultimate. 

Technologia kwitnie i jeszcze doskonalsze matryce LOFIC zdążyły w ostatnim czasie trafić do modeli Xiaomi 17 Ultra, Huawei Pura 90 Pro Max czy Motorola razr 70 Ultra. Każda z tych marek chętnie chwali się możliwościami nowej technologii w materiałach promocyjnych. 

Witryna promocyjna Xiaomi 17 Ultra

Na razie sensory LOFIC zarezerwowane są dla garstki urządzeń premium, ale zapewne z czasem będą stawać się coraz powszechniejsze.