Panasonic představuje jako první na světě*¹ převratnou technologii fotografického snímače CMOS na organické bázi
Nová technologie výrazně zvyšuje možnosti dynamického rozsahu digitálních fotoaparátů a kamer, což se projeví mimo jiné nevídaným výkonem nových přístrojů ve slabém světle
Ósaka, Japonsko – Společnost Panasonic dnes oznámila, že dokončila vývoj nové technologie digitálních obrazových snímačů s posíleným dynamickým rozsahem (1). Ač zachovávají základní architekturu CMOS, dochází u nich ke zcela jinému způsobu zachycení světla pomocí organické světločivé vrstvy (anglicky organic photoconductive film, odtud zkratka OPF). *2 Výsledkem je až stonásobně větší reálný dynamický rozsah (2) v porovnání s běžnými současnými snímači.
Nejdůležitější vlastnost OPF technologie spočívá v tom, že díky ní obě hlavní funkce CMOS snímače – tedy převod světelných paprsků na elektrický signál a následné zpracování tohoto signálu – probíhají odděleně. Díky tomu dokáže fotoaparát zachytit podstatně více obrazových informací v jasech i stínech. Zároveň snímač nového typu umožní výrazně zvýšit citlivost při zachování vysoké obrazové kvality, což znamená možnost fotografování rychlý pohyb krátkým expozičním časem i v mimořádně slabém světle.
Výrazně posílený dynamický rozsah mimo jiné znamená sytější barvy a věrnější zobrazení jednotlivých odstínů i ve výrazně kontrastních scénách (např. v protisvětle nebo v ateliérovém nasvícení). Díky nové technologii navíc není nutné při výrazných kontrastech používat vícenásobnou expozici, což přijde vhod především při rychlých akčních záběrech a při fotografování objektů v pohybu. Snímač se tedy hodí prakticky v jakékoli fotografické situaci.
Největší výhody nové technologie:
1. Širší úhel pro zachycení světla (60 stupňů), vyšší citlivost, sytější barvy a celkově vyšší výkon snímače díky oddělení základních funkcí – převod světelných paprsků na elektrický signál a následné zpracování tohoto signálu.
2. Až stonásobný dynamický rozsah v porovnání s konvenčními CMOS snímači *3, přitom stejné fyzické rozměry.
Technologie, které nové řešení společnosti Panasonic využívá:
1. Nový typ CMOS snímače s technologií organické světločivé vrstvy (OPF), díky níž lze oddělit obě hlavní funkce CMOS snímače (převod světelných paprsků na elektrický signál a následné zpracování tohoto signálu).
2. Technologie Dual-Sensitivity Pixel neboli dvojí nastavení citlivosti jednotlivých pixelů, kdy každá světločivá buňka zachytává odděleně jasy i stíny. Výsledkem je především vyšší dynamický rozsah, tedy schopnost zachytit kompletní obrazové informace i při výrazných jasových rozdílech v záběru.
3. Kapacitní technologie redukce šumu, která umožňuje úspěšně eliminovat šum vznikající vlivem elektromagnetického náboje na snímači. Technologie vylepšuje odstup signálu od šumu (3) a umožňuje tak kvalitnější fotografování při nedostatku světla.
V souvislosti s novou technologií je společnost Panasonic držitelem 58 japonských a 44 zahraničních patentů.
Společnost Panasonic nové technologie zčásti představí na mezinárodní vědecké konferenci ISSCC (International Solid-State Circuit Conference) 2016 ve dnech 31. ledna – 4. února 2016 v San Francisku.
___________________________________________________________________
Poznámky v textu:
*1: K 3. únoru 2016, podle údajů společnosti Panasonic.
*2: Využíváme organickou světločivou vrstvu (OPF) vyvinutou společností FUJIFILM Corporation.
*3: V porovnání s křemíkovým CMOS snímačem Panasonic.
___________________________________________________________________
1. Technické informace
Snímač s technologií organické světločivé vrstvy (OPF), díky níž lze oddělit obě hlavní funkce CMOS snímače (převod světelných paprsků na elektrický signál a následné zpracování tohoto signálu).
Běžný obrazový snímač tvoří křemíková fotodioda zachycující světelné paprsky, dále kovové kontakty a mikročočky. Zmíněná fotodioda zajišťuje jak převod světelných paprsků na elektrický signál, tak i zpracování tohoto signálu. U snímače s technologií OPF se ovšem o převod světla na signál nestará křemíková fotodioda, nýbrž organická světločivá vrstva, a signál pak zpracovává elektronika umístěná pod touto vrstvou. Oba procesy probíhají v podstatě nezávisle na sobě, což znamená následující funkce a vlastnosti:
Rozšíření úhlu pro zachycení světla na 60 stupňů a věrné barevné podání.
Místo křemíkové fotodiody je snímač vybaven organickou světločivou vrstvou (OPF) s vysokým koeficientem absorpce světla (4), která je navíc velmi tenká (jen 0,5 mikronu). Je tedy čtyřikrát až šestkrát tenčí než běžné fotodiody, které mají tloušťku minimálně 2 - 3 mikrony. Dokážou proto zachytit světlo jen v úhlu cca 30-40 stupňů. Tenčí organická světločivá vrstva je na tom podstatně lépe, zachytí světlo v úhlu až 60 stupňů, což mimo jiné znamená přesnější barevné podání bez zkreslení a překryvu jednotlivých odstínů. Toto řešení navíc umožňuje změny ve výrobě objektivů, resp. jejich zmenšení.
Snímač s technologií OPF je cca 1,2x citlivější než běžné CMOS snímače, což znamená lepší práci hlavně při nedostatku světla.
Tranzistory a kovové kontakty na každém pixelu, vyrobené pomocí vyspělé technologie společnosti Panasonic pro vývoj polovodičů, jsou pokryty organickou světločivou vrstvou (OPF). U běžných snímačů je prostor pro zachycení světelných paprsků částečně omezen přítomností kovových součástek, případně nutností stínit jednotlivé pixely tak, aby se světlo mezi fotodiodami nepřelévalo. U vrstvy OPF tato nutnost odpadá, k zachycení paprsků tedy slouží celá plocha snímače. Tato jedinečná struktura a vysoký výkon technologie OPF znamenají, že je snímač s OPF cca 1,2x citlivější než běžné CMOS snímače, což znamená lepší práci hlavně při nedostatku světla.
Průřez běžným CMOS snímačem typu BSI (vlevo) a snímačem s OPF (vpravo).
Organická světločivá vrstva (OPF) funguje zcela nezávisle na elektronice pro zpracování elektrického signálu.
CMOS snímač s technologií OPF má zcela speciální konstrukci – organická světločivá vrstva OPF, která převádí světlo na elektrický signál, funguje zcela nezávisle na elektronice pro zpracování tohoto signálu. Díky tomu lze mnohem flexibilněji pracovat s nejrůznějšími parametry převodu světla na signál (např. s vlnovou délkou nebo citlivostí).
U konvenčních CMOS snímačů je navíc zapotřebí umístit křemíkovou fotodiodu i elektroniku (tranzistory a kondenzátory) do křemíkového substrátu v každém pixelu zvlášť, což zmenšuje prostor pro elektronické komponenty. U snímačů s technologií OPF se křemíkové fotodiody nepoužívají, do křemíkového substrátu lze tedy instalovat elektroniku s vysokým výkonem (např. pro rychlé sekvenční snímání).
Pokud tedy výrobci vybaví snímač s technologií OPF výkonnějším kondenzátorem pro zpracování signálu, dokáže snímač zpracovat signál s vyšší saturační hodnotou (5) než běžné CMOS typy, což opět znamená posílený dynamický rozsah (menší riziko přepalů).
2. Technologie Dual-Sensitivity Pixel neboli dvojí nastavení citlivosti jednotlivých pixelů, kdy každá světločivá buňka zachytává odděleně jasy i stíny. Výsledkem je především vyšší dynamický rozsah, tedy schopnost zachytit kompletní obrazové informace i při výrazných jasových rozdílech v záběru.
Nový snímač pracuje s technologií zachycení světla pomocí světločivých buněk s dvojí odlišnou citlivostí. Každá z buněk (pixelů) je vybavena dvěma samostatnými elektrodami na zachycení světla různé intenzity, dvěma kondenzátory i dvěma odlišnými filtry pro redukci šumu. Všechny hodnoty těchto funkcí lze nastavit samostatně, což znamená, že snímač dokáže zároveň na jediném snímku zachovat kresbu jak v jasech, tak i v temných stínech (nedochází k přepalům ani k utopení kresby). Jinými slovy nevídaným způsobem roste dynamický rozsah snímače – až na stonásobek rozsahu běžných snímačů.
Buňka č. 1 – buňka s vysokou citlivostí
Elektroda s vysokou citlivostí + kondenzátor s nízkou kapacitou + kapacitní filtr pro redukci šumu
Buňka č. 2 – buňka pro signál s vysokou intenzitou
Elektroda s nízkou citlivostí + kondenzátor s vysokou kapacitou + konvenční filtr pro redukci šumu
Pomocí této technologie se zvyšuje nejen dynamický rozsah snímače, ale také jeho schopnosti při zachycení či detekci rychlého pohybu.
Struktura a funkce jednotlivých pixelů na OFP snímači
Díky speciální konstrukci snímače a technologii Dual-Sensitivity Pixel se navíc elektromagnetický náboj akumuluje v buňce pro signál s vysokou intenzitou a nízkou citlivostí, což účinně brání problémům způsobeným blikáním LED diod (6) a zářivek (7). Toto blikání způsobuje časté problémy na záznamu z průmyslových kamer, kamer v autech apod.
3. Kapacitní technologie redukce šumu, která umožňuje úspěšně eliminovat šum vznikající vlivem elektromagnetického náboje na snímači. Technologie vylepšuje odstup signálu od šumu a umožňuje tak kvalitnější fotografování při nedostatku světla.
Konstrukční řešení CMOS snímače s technologií OPF s sebou nese jeden problém: organickou světločivou vrstvu se segmentem pro zpracování elektrického signálu spojuje kovový drát, takže se elektromagnetický náboj v kondenzátoru do jisté míry akumuluje a výsledkem bývá růst šumu. Kvůli řešení tohoto problému jsme vyvinuli vlastní polovodičovou technologii a zbrusu nový kapacitní systém redukce šumu pomocí negativní smyčky pro každý pixel.
Společnost Panasonic tuto technologii v budoucnu použije mimo jiné v bezpečnostních kamerách, v kamerách do automobilů, v televizních kamerách, ale také v běžných digitálních fotoaparátech, zkrátka všude, kde je zapotřebí rychlé a přesné zachycení pohybu, případně detekční funkce.
Fotografie pořízená pomocí nové technologie s větším dynamickým rozsahem
Vysvětlivky technických termínů:
(1) Dynamický rozsah
Maximální rozsah mezi krajními jasovými hodnotami (jasy a stíny), které lze na fotografii obecně při použití dané technologie zobrazit.
(2) Reálný dynamický rozsah
Maximální rozsah mezi krajními jasovými hodnotami (jasy a stíny), které lze zobrazit na konkrétní fotografii v daných, reálných světelných podmínkách.
(3) Odstup signálu od šumu
Poměr obrazového signálu a šumu (v tomto případě digitálního šumu na snímači).
(4) Koeficient absorpce světla
Konstantní hodnota vyjadřující, kolik světla je absorbováno (pohlceno) určitým materiálem při dopadu.
(5) Saturační hodnota signálu
Maximální hodnota elektrického signálu, kterou lze zpracovat. Po překročení této hodnoty dochází k přepalům.
(6) Blikání LED diod
Jev, při němž frekvence mihotání LED diod (dopravních světel, světlometů, reklamních panelů apod.) interferuje s frekvencí signálu na snímači. Za určitých okolností tak může být obraz neúplný nebo poškozený.
(7) Blikání zářivek
Jev, při němž frekvence mihotání zářivek (dopravních světel, reklamních panelů apod.) interferuje s frekvencí signálu na snímači. Za určitých okolností tak může být obraz neúplný nebo poškozený.
# konec zprávy #
O společnosti Panasonic
Společnost Panasonic je světovým lídrem ve vývoji nejrůznějších elektronických technologií a řešení pro zákazníky ve spotřební elektronice, bydlení, automobilovém průmyslu, odvětví podnikových řešeních a odvětví výroby zařízení a přístrojů. Od svého založení v roce 1918 společnost expandovala do celého světa a nyní provozuje 468 dceřiných společností a 94 přidružených společností po celém světě a vykazuje konsolidované čisté tržby ve výši 7,715 trilionů jenů za rok končící k datu 31. března 2015. Je odhodlána prosazovat nové hodnoty prostřednictvím inovací napříč svých divizí a využívá vlastní technologie k vytvoření lepšího života a lepšího světa pro své zákazníky. O společnosti Panasonic se můžete dozvědět více na: http://www.panasonic.com/global.