​Panasonic predstavuje prevratnú technológiu fotografického snímača CMOS na organickej báze

Panasonic predstavuje prevratnú technológiu fotografického snímača CMOS na organickej báze

Nová technológia výrazne zvyšuje možnosti dynamického rozsahu digitálnych fotoaparátov a kamier, čo sa prejaví okrem iného nevídaným výkonom nových prístrojov v slabom svetle.

Bratislava, 8. februára 2015 - Spoločnosť Panasonic dnes oznámila, že dokončila vývoj novej technológie digitálnych obrazových snímačov. Hoci zachovávajú základnú architektúru CMOS, dochádza u nich k úplne inému spôsobu zachytenia svetla pomocou organickej svetlocitlivej vrstvy (anglicky „organic photoconductive film“, odtiaľ skratka OPF). Výsledkom je až stonásobne väčší dynamický rozsah v porovnaní s bežnými súčasnými snímačmi. *1

Najdôležitejšia vlastnosť OPF technológie spočíva v tom, že vďaka nej obe hlavné funkcie CMOS snímača - teda prevod svetelných lúčov na elektrický signál a následné spracovanie tohto signálu - prebiehajú oddelene. Vďaka tomu dokáže fotoaparát zachytiť podstatne viac obrazových informácií v jasoch i tieňoch. Zároveň snímač nového typu umožní výrazne zvýšiť citlivosť pri zachovaní vysokej obrazovej kvality, čo znamená možnosť fotografovania rýchleho pohybu krátkym expozičným časom aj v mimoriadne slabom svetle.

Výrazne posilnený dynamický rozsah okrem iného znamená sýtejšie farby a vernejšie zobrazenie jednotlivých odtieňov aj vo výrazne kontrastných scénach (napr. v protisvetle alebo v ateliérovom nasvietení). Vďaka novej technológii navyše nie je nutné pri výrazných kontrastoch používať viacnásobnú expozíciu, čo príde vhod predovšetkým pri rýchlych akčných záberoch a pri fotografovaní objektov v pohybe. Snímač sa teda hodí prakticky v akejkoľvek fotografickej situácii.

*1 Spoločnosť Panasonic použila organicý svetlocitlivý film (OPF), ktorý vyvynula spoločnosť FUJIFILM Corporation.

Najväčšie výhody novej technológie:

1. Širší uhol pre zachytenie svetla (60 stupňov), vyššia citlivosť, sýtejšie farby a celkovo vyšší výkon snímača vďaka oddeleniu základných funkcií - prevod svetelných lúčov na elektrický signál a následné spracovanie tohto signálu.

2. Až stonásobný dynamický rozsah v porovnaní s konvenčnými CMOS snímačmi, pritom rovnaké fyzické rozmery.

Technológie, ktoré nové riešenie spoločnosti Panasonic využíva:

1. Nový typ CMOS snímača s technológiou organickej svetlocitlivej vrstvy (OPF), vďaka ktorej je možné oddeliť obe hlavné funkcie CMOS snímača (prevod svetelných lúčov na elektrický signál a následné spracovanie tohto signálu).

2. Technológia Dual-Sensitivity Pixel čiže dvojaké nastavenia citlivosti jednotlivých pixelov, kedy každá svetlocitlivá bunka zachytáva oddelene jasy aj tiene. Výsledkom je predovšetkým vyšší dynamický rozsah, teda schopnosť zachytiť kompletné obrazové informácie aj pri výrazných jasových rozdieloch v zábere.

3. Kapacitná technológia redukcie šumu, ktorá umožňuje úspešne eliminovať šum vznikajúci vplyvom elektromagnetického náboja na snímači. Technológia vylepšuje odstup signálu od šumu a umožňuje tak kvalitnejšie fotografovanie pri nedostatku svetla.

V súvislosti s novou technológiou je spoločnosť Panasonic držiteľom 58 japonských a 44 zahraničných patentov.

Spoločnosť Panasonic nové technológie sčasti predstaví na medzinárodnej vedeckej konferencii ISSCC (International Solid-State Circuit Conference) 2016 v dňoch 31. januára - 4. februára 2016 v San Franciscu.

Technické informácie

1. Snímač s technológiou organickej svetlocitlivej vrstvy (OPF), vďaka ktorej je možné oddeliť obe hlavné funkcie CMOS snímača (prevod svetelných lúčov na elektrický signál a následné spracovanie tohto signálu)

Bežný obrazový snímač tvorí kremíková fotodióda zachytávajúce svetelné lúče, ďalej kovové kontakty a mikrošošovky. Spomínaná fotodióda zaisťuje tak prevod svetelných lúčov na elektrický signál, ako aj spracovanie tohto signálu. U snímača s technológiou OPF sa však o prevod svetla na signál nestará kremíková fotodióda, ale organická svetlocitlivá vrstva, a signál potom spracováva elektronika umiestnená pod touto vrstvou. Oba procesy prebiehajú v podstate nezávisle na sebe, čo znamená nasledujúce funkcie a vlastnosti:

Rozšírenie uhla pre zachytenie svetla na 60 stupňov a verné farebné podanie.

Miesto kremíkovej fotodiódy je snímač vybavený organickou svetlocitlivou vrstvou (OPF) s vysokým koeficientom absorpcie svetla, ktorá je navyše veľmi tenká (len 0,5 mikrónu). Je teda štyrikrát až šesťkrát tenšia ako bežné fotodiódy, ktoré majú hrúbku minimálne 2 - 3 mikróny. Dokážu preto zachytiť svetlo len v uhle cca 30-40 stupňov. Tenšia organická svetlocitlivá vrstva je na tom podstatne lepšie, zachytí svetlo v uhle až 60 stupňov, čo okrem iného znamená presnejšie farebné podanie bez skreslenia a prekrývania jednotlivých odtieňov. Toto riešenie navyše umožňuje zmeny vo výrobe objektívov, resp. ich zmenšenie.

Snímač s technológiou OPF je cca 1,2x citlivejší než bežné CMOS snímače, čo znamená lepšiu prácu hlavne pri nedostatku svetla.

Tranzistory a kovové kontakty na každom pixeli, vyrobené pomocou vyspelej technológie spoločnosti Panasonic pre vývoj polovodičov, sú pokryté organickou svetlocitlivou vrstvou (OPF). U bežných snímačov je priestor pre zachytenie svetelných lúčov čiastočne obmedzený prítomnosťou kovových súčiastok, prípadne nutnosťou tieniť jednotlivé pixely tak, aby sa svetlo medzi fotodiódami neprelievalo. U vrstvy OPF táto nutnosť odpadá, na zachytenie lúčov teda slúži celá plocha snímača. Táto jedinečná štruktúra a vysoký výkon technológie OPF znamenajú, že je snímač s OPF cca 1,2x citlivejší než bežné CMOS snímače, čo znamená lepšiu prácu hlavne pri nedostatku svetla.

Organická svetlocitlivá vrstva (OPF) funguje úplne nezávisle na elektronike pre spracovanie elektrického signálu.

CMOS snímač s technológiou OPF má úplne špeciálnu konštrukciu - organická svetlocitlivá vrstva OPF, ktorá prevádza svetlo na elektrický signál, funguje úplne nezávisle na elektronike pre spracovanie tohto signálu. Vďaka tomu možno oveľa flexibilnejšie pracovať s najrôznejšími parametrami prevodu svetla na signál (napr. s vlnovou dĺžkou alebo citlivosťou).

U konvenčných CMOS snímačov je navyše potrebné umiestniť kremíkovú fotodiódu aj elektroniku (tranzistory a kondenzátory) do kremíkového substrátu v každom pixeli zvlášť, čo zmenšuje priestor pre elektronické komponenty. U snímačov s technológiou OPF sa kremíkové fotodiódy nepoužívajú, do kremíkového substrátu možno teda inštalovať elektroniku s vysokým výkonom (napr. pre rýchle sekvenčné snímanie).

Ak teda výrobcovia vybavia snímač s technológiou OPF výkonnejším kondenzátorom pre spracovanie signálu, dokáže snímač spracovať silnejší signál než bežné CMOS typy, čo opäť znamená posilnený dynamický rozsah (menšie riziko prepalov).

2. Technológia Dual-Sensitivity Pixel čiže dvojaké nastavenie citlivosti jednotlivých pixelov, kedy každá svetlocitlivá bunka zachytáva oddelene jasy aj tiene.

Výsledkom je predovšetkým vyšší dynamický rozsah, teda schopnosť zachytiť kompletné obrazové informácie aj pri výrazných jasových rozdieloch v zábere.

Nový snímač pracuje s technológiou zachytenie svetla pomocou svetlocitlivých buniek s dvojitou odlišnou citlivosťou. Každá z buniek (pixelov) je vybavená dvoma samostatnými elektródami na zachytenie svetla rôznej intenzity, dvoma kondenzátormi aj dvoma odlišnými filtrami pre redukciu šumu. Všetky hodnoty týchto funkcií možno nastaviť samostatne, čo znamená, že snímač dokáže zároveň na jedinej snímke zachovať kresbu ako v jasoch, tak aj v temných tieňoch (nedochádza k prepalom ani k utopeniu kresby). Inými slovami nevídaným spôsobom rastie dynamický rozsah snímača - až na stonásobok rozsahu bežných snímačov.

Bunka č. 1 - bunka s vysokou citlivosťou

Elektróda s vysokou citlivosťou + kondenzátor s nízkou kapacitou + kapacitný filter pre redukciu šumu

Bunka č. 2 - bunka pre signál s vysokou intenzitou

Elektróda s nízkou citlivosťou + kondenzátor s vysokou kapacitou + konvenčné filter pre redukciu šumu

Pomocou tejto technológie sa zvyšuje nielen dynamický rozsah snímača, ale aj jeho schopnosti pri zachytení či detekcii rýchleho pohybu.

3. Kapacitné technológia redukcie šumu, ktorá umožňuje úspešne eliminovať šum vznikajúci vplyvom elektromagnetického náboja na snímači. Technológia vylepšuje odstup signálu od šumu a umožňuje tak kvalitnejšie fotografovanie pri nedostatku svetla.

Konštrukčné riešenie CMOS snímača s technológiou OPF so sebou nesie jeden problém: organickú svetlocitlivú vrstvu so segmentom pre spracovanie elektrického signálu spája kovový drôt, takže sa elektromagnetický náboj v kondenzátore do istej miery akumuluje a výsledkom býva rast šumu. Kvôli riešenie tohto problému sme vyvinuli vlastné polovodičovú technológiu a zbrusu nový kapacitný systém redukcie šumu pomocou negatívne slučky pre každý pixel.

Spoločnosť Panasonic túto technológiu v budúcnosti použije okrem iného v bezpečnostných kamerách, v kamerách do automobilov, v televíznych kamerách, ale aj v bežných digitálnych fotoaparátoch, skrátka všade, kde je potrebné rýchle a presné zachytenie pohybu, prípadne detekčné funkcie.