Organiczny sensor o niesamowitej dynamice - wspólne dzieło Fujifilm i Panasonic

Ponad 5 lat temu wspominałem o organicznym sensorze, nad którym prace prowadził Fujifilm. Wtedy hasło organiczny sensor wiązało się z nadzieją na lepszą jakość obrazu z niewielkich matryc. Lata minęły, a my przekonaliśmy się, że i bez tej technologii da się wywindować jakość z niewielkich matryc, tu mam na myśli szczególnie smartfony, na znacznie wyższy poziom.

Nie oznacza to jednak, że Fujifilm odłożył na bok pomysł wykorzystania organicznej struktury w warstwie, która dokonuje konwersji światła na sygnał elektryczny. Trzeba było jednak poczekać te pięć lat, przydała się także współpraca z Panasonic, który niedawno przyznał się, że odkopuje swój dział sensorów.

A w międzyczasie

W międzyczasie Fujifilm dopracował swoją technologię sensorów X-Trans CMOS, której III generacja trafiła do najnowszego Fujifilm X-Pro2, pojawi się również w następcy modelu X-T1. Te sensory z nieregularnie rozmieszczonymi pikselami o danej barwie, dają bardzo przyjemnie wybarwione zdjęcia i świetnie radzą sobie podczas pracy z wysokim ISO. Sprawiają za to problemy testującym. Ostatnio DXO Labs, dla wielu punkt odniesienia w przypadku testów sensorów, przyznał się, że nie dysponuje odpowiednią procedurą, która oceniłaby jakość sensorów X-Trans CMOS.

Fujifilm X70 - świetny kompakt z sensorem APS-C wykonanym w technologii X-Trans CMOS II

Organiczny sensor - model 2016

Panasonic i Fujifilm, który prawdopodobnie już szykuje się do produkcji organicznych sensorów budując nowe zakłady produkcyjne, od pewnego czasu dawały do zrozumienia, że koniec prac nad sensorem jest bliski.

W tym tandemie Panasonic zajął się opracowaniem całej matrycy wraz z technologią umożliwiającą znaczne zwiększenie zakresu dynamicznego w porównaniu z obecnie stosowanymi powszechnie sensorami. Fujifilm dostarczył technologię organicznej warstwy fotoprzewodzącej (Organic Photoconductive Film, OPF). Technologia Fujifilm pomogła nie tylko uzyskać szeroki zakres dynamiczny, dała również możliwość wprowadzenia migawki globalnej o lepszych niż dotychczas parametrach pracy.

Dlaczego organiczny sensor?

W nowym organicznym sensorze CMOS, kluczową rolę, która stawia go ponad dotychczasowymi technologiami, odgrywają:

• bardzo szeroki zakres dynamiczny, 123 dB, co stanowi wartość 100 razy lepszą niż w dotychczasowych sensorach CMOS Panasonica,
• poprawiona zdolność zbierania przez piksel promieni światła padających pod dużym kątem na powierzchnię światłoczułą - tutaj przeciwstawiane są konstrukcje BSI CMOS, w których maksymalny kąt padania wynosi 30 do 40 stopni, w organicznym sensorze jest to 60 stopni,
• usprawniona migawka globalna, wyeliminowano degradację jakości obrazu przy silnym sygnale, teraz może być on nawet 10 razy mocniejszy bez zgubnego wpływu na dynamiczny obraz,
• poprawa użytecznej czułości o około 1,2x w porównaniu z dotychczasową technologią,
• zdolność do wykonywania wielokrotnych ujęć, o zmiennej czułości przy każdej ekspozycji,
• lepsza praca przy słabym sygnale, dzięki zminimalizowaniu szumów

Te zalety to konsekwencja zmienionej konstrukcji piksela, a na to wpływ ma technologia Fujifilm. W organicznym sensorze warstwa konwersji sygnału świetlnego na elektryczny jest znacznie cieńsza, ale też dużo szersza niż w sensorach BSI-CMOS. Wykorzystane zostały także technologie wcześniej znane, ale trudne do zaimplementowania w tradycyjnej konstrukcji pikselu.

Diagram pokazuje wszystko

Poniższy schemat pokazuje różnice pomiędzy najpopularniejszą obecnie technologią sensorów, stosowaną w kompaktach i smartfonach, a nowym organicznym sensorem.

Warstwa organiczna (OPF) ma grubość 0,5 um, cztery do sześciu razy mniejszą niż w standardowym sensorze BSI CMOS. Dzięki wysokiemu współczynnikowi absorpcji sygnału, mniejsza grubość nie wpływa negatywnie na parametry robocze sensora, a nawet pozwala je znacząco poprawić.

Sygnał jest kolekcjonowany w dwóch oddzielnych komórkach dla każdego piksela (Dual-Sensitivity Pixel Technology). Jedna jest zoptymalizowana dla rejestracji sygnału z ciemnych obiektów, a druga z jasnych. Połączenie sygnału z obu komórek daje wspomnianą 100-krotną poprawę zakresu dynamicznego.

Co my będziemy z tego mieli?

Po wprowadzeniu organicznego sensora do aparatów cyfrowych można spodziewać się przede wszystkim korzyści związanych z lepszym ich zachowaniem w bardzo kontrastowych warunkach oświetleniowych, przy bardzo silnym jak i słabym oświetleniu oraz lepsze odwzorowanie barw przy tradycyjnym układzie filtrów przed pikselami.

Z takimi, trudnymi dla sensora warunkami oświetleniowymi, mamy do czynienia w większości przypadków. Staramy się ratować ginące detale stosując techniki takie jak HDR (mniejsza o to, jak w danym przypadku jest realizowana), doświetlając scenę światłem sztucznym (co również nie jest idealnym rozwiązaniem, a wręcz przeciwnie). W przypadku aparatów w smartfonach, które nie mają zbyt silnego źródła dodatkowego światła, kamer, które muszą mieć dobre światło, by rejestrować dynamiczny obraz, nadzieje jakie daje organiczny sensor, są nie do zignorowania.

Zresztą nie tylko niewielkie sensory mogą czerpać korzyści z nowej technologii, ale również konstrukcje o większym rozmiarze piksela, gdyż zawsze można coś poprawić.

Z kolei globalna elektroniczna migawka, to zbawienie dla filmujących. Dla osób, które nie są zaznajomione z tym rozwiązaniem, technologia działa dokładnie tak jak wynika z jej nazwy. Taka migawka nie przesłania kadru sekwencyjnie (tak zwany rolling shutter), a czyni to całościowo (czyli globalnie). Poniższa ilustracja pokazuje jak wygląda obraz szybko obracającego się wentylatora zarejestrowany tradycyjnym sensorem oraz matrycą organiczną.

Globalna migawka nie jest technologią nowatorską (jednak nie stosuje się jej w produktach konsumenckich), niemniej technologia organicznej warstwy światłoczułej pozwoliła poprawić parametry jej pracy poprzez uproszczenie konstrukcji.

Inną, o znaczeniu przede wszystkim artystycznym i estetycznym, zaletą sensora organicznego jest zdolność wielokrotnego naświetlania kadru ze zmienną czułością przy każdej ekspozycji. W efekcie szybko poruszający się motyw będzie uchwycony w kilku pozycjach, a każdy kolejny obraz będzie lepiej naświetlony. Daje to złudzenie ruchu i pozwala określić jego kierunek.

Co dalej?

Technologie sensorów dla aparatów i kamer cyfrowych rozwijają się w różnych kierunkach. Sony udoskonala swoją technologię układów warstwowych, Sigma nie chce przestać myśleć o konstrukcjach typu Foveon, a zarażony tą ideą wydaje się również Canon. Fujifilm dotychczas kładło nacisk na układy X-Trans CMOS, a Panasonic wydawał się wiernym starym rozwiązaniom.

Czy teraz sytuacja się zmieni? Do jakich aparatów trafi technologia sensora organicznego? I czy w ogóle trafi? A jeśli tak to kiedy? To pytania, na które z niecierpliwością wyglądamy odpowiedzi. Już od wielu lat.

Źródło: Fujifilm, Panasonic