Organiska sensorer ger större dynamiskt omfång
Panasonic presenterar en ny sensorteknik för snabba videosensorer med global slutare. Tekniken är byggd runt ett tunt organiskt ljuskänsligt lager. Den nya tekniken ger bland annat drastiskt bättre dynamiskt omfång.
För några år sedan, 2013, annonserade Panasonic ett samarbete med Fujifilm kring utveckling av ny sensorteknik. Nu meddelar Panasonic att man fått fram en färdig teknik för CMOS-sensorer där där den ljuskänsliga delen är ett tunt organiskt lager istället för ljuskänsligt kisel. Det Panasonic framför allt framhåller är att tekniken kan lagra tio gånger mer laddning för varje pixel, vilket innebär drygt tre steg bättre omfång. Men notera att det är tre steg bättre omfång än andra CMOS-sensorer med global slutare. Inte tre steg bättre än sådana CMOS-sensorer vi har i stillbildskameror. Hittills har ett stort problem med global slutare varit just att pixlarna inte kan hålla lika mycket laddning vilket inneburit ett lägre dynamiskt omfång.
Den nya tekniken har fler fördelar, det ger en tunnare sensor som är mycket mindre känslig för att ljuset träffar sensorytan i vinkel. Dessutom får man en större användbar pixelyta än med en konventionell design (vid ett givet antal pixlar). Man uppskattar att pixlarna tack vare detta kan infånga ungefär 1,2 gånger mer ljus. Nu behövs ju en fördubbling för att få ett helt steg mer ljus, men 20 procent mer är ändå en fördel.
Global slutare är ju framför allt bra för video där du helt slipper problem som att saker i rörelse blir krökta eller förvridna, det vi ofta kallar jello-effekt. I en normal sensor läser du ut sensorn rad för rad eller kolumn för kolumn vilket innebär att du får en tidsskillnad mellan när utläsningen börjar längs en sida och innan utläsningen hunnit fram till andra sidan. Men på sikt kan den här typen av extremt snabb utläsning även ge andra fördelar. Panasonic nämner att de redan nu kan göra flera utläsningar i snabb följd med lite olika exponering och utifrån det räkna både i vilken riktning ett motiv rör sig genom bilden, men också hur snabbt det rör sig. Det här låter extremt intressant för sensorbaserad autofokus som ju har problem just med rörliga motiv.
Vi pratade om den nya tekniken med Joakim Bengtsson, en välkänd Fotosidan-medlem som sedan många år arbetar med bildteknik.
FS: Fujifilm och Panasonic säger att deras nya sensor med organisk teknik kan ge tio gånger mer omfång än andra sensorer med global slutare, vad innebär det rent praktiskt?
JB: Hittills har ju sensorer med globala slutare varit vanligast inom broadcastvideo, och har väl som bäst haft ett omfång på sisådär elva steg. Tio gånger mer omfång är ju ungefär 3,3 steg ytterligare, så runt 14 stegs omfång. Ungefär som bra stillbildssensorer har idag.
FS: Så i nuläget är det här kanske i huvudsak en tekniklösning för videovärlden. Men den organiska tekniken som Fujifilm tagit fram, vad ger den för möjligheter för stillbildskameror?
JB: Det riktigt spännande är just att man tydligen lyckats lösa många av de rent praktiska problemen kring organisk teknik. Den ger en massa intressanta möjligheter att bygga sensorer på nya sätt.
FS: Har du några exempel?
JB: En ganska enkel lösning är att bara ersätta kiselfotodioderna, alltså de ljuskänsliga delarna i dagens sensorer, med en ljuskänslig film. Då behåller vi bayer-filtren som idag, men får 100 procent yttäckning av det ljuskänsliga materialet, alltså en mer effektiv sensoryta än idag. En annan lösning som är lite krångligare att tillverka är att ha vad man skulle kunna kalla en smalbandsljukänslig organisk film där olika pixlar reagerar för olika ljus. Dels får vi en effektivare yta än idag, men framför allt behöver vi inte längre bayer-filtret. Dessutom slipper vi crosstalk, alltså informationsläckage mellan pixlarna. En tredje och tillverkningsmässigt krångligare lösning är att jobba med flera lager av organisk film. Man kan göra på många olika sätt, men enklast är nog att ha ett bottenlager där alla pixlar är känsliga för grönt ljus och ovanpå det ett andralager med omväxlande röda och blå pixlar. Då måste man hantera svårigheter som att leda ned signal från det röd-blåa lagret genom det gröna till den underliggande kiselplattan plus att man behöver genomskinliga mellanlager för laddningsinmatning. Krångligt, men det skulle bli en mycket effektiv sensor.
FS: Du nämnde att det finns praktiska problem med organisk sensorteknik, vad rör det sig om?
JB: Kanske framför allt det uppenbara, de organiska delarna bryts ju ned vilket gör det svårt att få sensorer med bra livslängd och som är stabila under sin livslängd. Ungefär som problemen som funnits i skärmkalibratorer där de organiska färgfiltren i synnerhet i enklare modeller inte varit så stabila över tid. Det här innebär att man måste skydda de organiska skikten, både mot luft och mot uv-ljus. Och det är tillverkningstekniskt besvärligt att bygga de skydden. Men det finns tillverkningstekniska fördelar också, man slipper lägga in ljuskänsliga fotodioder i kiselplattan vilket gör att den delen blir mycket enklare att tillverka.
Här jämför Panasonic sin nya teknik (till höger) med en konventionell BSI-sensor (bakbelyst sensor). En tydlig skillnad är att själva den ljuskänsliga delen i pixeln bara behöver vara en halv mikrometer tjock, mot sisådär 2-3 mikrometer i en konventionell sensor, detta eftersom den ljusinfångade delen inte behöver sköta lagringen av laddningen. Det här gör sensorn mycket mer förlåtande för att ljus träffar sensorn i en vinkel. Notera också skyddslagret ("Protective Layer") ovanpå det organiska lagret, det är det här Joakim Bengtsson nämner som ett av de praktiska problemen med att tillverka organiska ljuskänsliga komponenter.
Läs mer
4 Kommentarer
Logga in för att kommentera
Den organiska sensorn har ju länge verkat intressant som ett alternativ.
Många hoppades på att den skulle sitta i X-PRO2. Ett önsketänkande.
Vi får se vad det blir av detta till slut. Kanske får vi inte ens se den i X-PRO3.
Det med begränsad livslängd låter ju som en stor nackdel.
Så det är ingen slump att alla sensortillverkarna tittar på alternativa vägar Nu är det ju lite intressant det är Fujifilm/Panasonic som är först ut med vad de hävdar är en färdig fungerande teknik (reservation: de har ju inte visat upp någon färdig sensor ännu), skall bli spännande att se vad till exempel Sony har på gång, de arbetar av allt att döma med liknande idéer.
Fuji Managers Takashi Ueno and Shusuke Kozaki have given the answer to fujilove.
Organic Sensor
“We don’t have any specific plans of incorporating an organic sensor into our products at the moment, but yes we are observing the progress of this technology.
As of today, there would be No benefits to using an organic sensor. Our X-Trans III sensor is superior to the currently available organic sensor.”
Men att de alls har lyckats (påstår att de lyckats :) med organisk teknik är ett oerhört spännande genombrott och öppnar som sagt upp för framtida lösningar som kan ge bättre prestanda även i stillbildssensorer. Men det kan ta tid. Det här är en teknik där man måste hantera en massa nya praktiska problem och vi bör hålla i minnet att stora sensorer för systemkameror är en försvinnande liten och ur ekonomiskt synpunkt pytteliten nisch. Om jag fick gissa så är det troligare att vi ser organiska sensorer i mobilkameror långt före vi ser dem i systemkameror. Där är volymerna otroligt mycket större och även små fördelar i form av tunnare sensorer, bättre hantering av infallsvinklar (som kan ge tunnare objektiv) ger mer omedelbara praktiska fördelar.
Det är nog inte så att sensorerna när de väl dyker upp får så speciellt begränsad livslängd. Däremot är en av flera svårigheter (designmässigt, tillverkningsmässigt) med den organiska tekniken just att se till så att livslängden inte blir begränsad. Jag tvivlar på att man släpper en sensor kommersiellt som inte har en teknisk livslängd som med råge överskrider den ekonomiska livslängden (dvs att du inte har någon praktisk kvalitetsmässig degradering alls under säg fem-sex-sju år eller så).
När vi pratade om den saken nämnde Joakim en verklig effektivitet på kanske som bäst 12-15 % eller så med dagens teknik om man ser till det ljus som faktiskt anländer från objektivet. Så det finns helt klart mer prestanda att gräva fram. Hela upplägget med bayer-teknik är ju ganska slösaktigt, du kastar ju lite förenklat bort två av tre färger i varje pixel (egentligen är det lite mer komplext, hälften av pixlarna är ju gröna eftersom det är de våglängderna vi vill fånga in mest av, men hur som helst är det en ineffektiv hantering).
Canon håller på med en annan teknik där man försöker utnyttja att olika våglängder absorberas mest på olika djup. Korta vågor, blått ljus, grundast, rött ljus djupast. Även i detta fallet vinner man att det filtreras bort mindre ljus i själva färgseendet. Grovt räknat filtrerar sida-vid-sida filtren i t.ex Bayer-filter bort två tredjedelar. Det finns andra sätt att filtrera för att få fram färginformation. CGW eller CBW t.ex. som filtrerar bort hälften. Ett krux är dock att RGB filtren ger möjlighet till ett sånt utomordentligt bra färgseende (även om inte alla kamera-märken utnyttjar det ;) ).
Ändå ser vi tydligt gränserna för det fysikaliskt maximala. Dvs, större sensorformat och större bländarvärden är den huvudsakliga vägen till mer ljuskänslighet.