Ciekawostka: Canon i 2 Mpix sensor pełnoklatkowy - piksele 16x większe niż w EOS R

Canon niejednokrotnie chwalił się swoimi niezwykłymi sensorami. Pamiętacie zapewne wielki jak mała pizza sensor (to przenośnia, ale dobrze oddająca rozmiar aktywnej powierzchni układu), sensor typu APS-H o rozdzielczości 120 Mpix. W swoim portfolio ta firma, która może pochwalić się niezależnością w produkcji matryc do aparatów cyfrowych, ma tez sensor o rozdzielczości jedynie 2 Mpix. Znamy go z projektu kamery Canon ME20F-SH, ale dopiero teraz układ możemy kupić niezależnie i teoretycznie zastosować jako element własnych urządzeń.

Dlaczego tylko 2 Mpix

Co w tych 2 Mpix niezwykłego? Wspomniałem, że 2 Mpix sensor Canona może znaleźć zastosowanie w astronomii. I to nie takiej amatorskiej, ale w pełni profesjonalnej. Oznacza to, że musi mieć duże piksele, by zapewnić wysokć jakość obrazu uzyskiwanego w słabym oświetleniu. Nie oznacza to jedynie obrazu bez szumów, które zobaczy ludzkie oko na ekranie komputera. Oznacza to obraz, w którym szumy są bardzo małe dla algorytmów analizy obrazu, na tyle małe, że błąd pomiaru nadaje uzyskanym obserwacjom wartość przydatną w nauce (niekoniecznie w fotometrii, ale na przykład w precyzyjnej astrometrii).

Jak pamiętacie kamera Canon ME20F-SH osiąga ISO ponad 4 000 000. Spróbujmy jednak porównać ten układ z tym do czego przyzwyczaił nas obecny rynek fotografii konsumenckiej.

Superczuła pełna klatka Canona

By zapewnić duży rozmiar piksela Canon umieścił te 2 Mpix na układzie CMOS o rozmiarze zbliżonym do pełnej klatki. W praktyce mamy dwa warianty sensora, jeden o wymiarach 36,48 x 20,52 mm (pełna klatka to z założenia 36 x 24 mm), drugi jeszcze większy o wymiarach 41,04 x 24,32 mm. Mają one oznaczenia odpowiednio 35MMFHDXSM oraz 35MMFHDXSCA.

Rozdzielczośc pierwszego sensora to 2000 x 1128 pikseli (daje on obraz monochromatyczny), a drugiego to 2160 x 1280 pikseli (daje obraz RGB, czyli w praktyce mniej dokładny, ale od razu mamy kolory). Jak widać uzyskiwane obrazy mają proporcje 16:9, czyli po drobnym przycięciu dostaniemy z tych sensorów wideo FullHD lub w kolorowym układzie wideo 6:4 (1920 x 1280, branża nadzoru) lub 1:1 (1280 x 1280, branża przemysłowa) - a to jedno z zakładanych zastosowań sensorów Canon.

Sensor 35MMFHDXSCA

Sensor 35MMFHDXSM

Sensorów szybkich, bo przy pełnej rozdzielczości zdolnych wygenerować 98 kl/s, a przy rozdzielczości 1080p 115 kl/s. W malutkiej już rozdzielczości 360p klatkaż wzrasta do 300 kl/s. Sensorów, które nie tylko mają wysoką czułość, ale też mogą pracować przy bardzo długich czasach naświetlania. Mówiąc inaczej prąd ciemny (ważny przyczynek do rejestrowanego w pikseli sygnału), czyli szum własny sensora (wyrażony w generowanych elektronach), wprowadzany podczas długiej ekspozycji jest tu bardzo niewielki w stosunku do liczby generowanych przez padające światło elektronów.

Rozmiar piksela - porównanie z konsumenckimi konstrukcjami

Piksele w obu przypadkach mają wymiar (długość jednej z krawędzi przy założeniu, że piksel jest kwadratowy) 19 um (mikrometrów). W porównaniu z typowo naukowymi sensorami nie jest to szczególnie wielki rozmiar, ale też nie są to małe piksele. Porównajmy to z rozmiarami pikseli w znanych nam aparatach cyfrowych.

Nowiutki pełnoklatkowy Canon EOS R ma 30 Mpix rozdzielczość sensora. Dużo więcej niż opisywany układ, co przekłada się na piksele o wymiarach 5,36 um. Idźmy dalej. Sony A7S II z 12 Mpix pełnoklatkowym sensorem kreowany na mistrza pracy w słabym oświetleniu, ma piksele o wymiarach 8,32 um. Tej samej rozdzielczości sensor w Samsungu Galaxy S9, który przecież jest jednym z lepszych smartfonów do fotografowania w słabym oświetleniu, ma piksele o wymiarze jedynie 1,4 um. To oczywiście konsekwencja zastosowania tyciego w porównaniu z pełną klatką sensora typu 1/2,55 cala.

Cofnijmy się w czasie. Canon EOS 1D z 2001 roku miał sensor typu APS-H (przekątna 1,26 raza mniejsza niż pełnej klatki) z 4 Mpix, w których rozmiar piksela sięgał aż 11,57 um. Podobną liczbę Mpix miał legendarny kompakt Canon Powershot G3 sprzed 15 lat, ale w nim piksele miały rozmiar jedynie 3,12 um. W swoim czasie ten aparat był dla mnie źródłem świetnej jakości żdjęć (nie jest, bo już nie działa - uszkodzenie mechaniczne). Rozmiar sensora G3 był podobny do rozmiaru sensora w dzisiejszym Huawei P20 Pro, tyle że w tym smartfonie mamy aż 40 Mpix (piksele dla poprawy obrazu łączone są czwórkami).

Sam rozmiar piksela to jednak nie wszystko

Te porównania pokazują jak duże są piksele we wspomnianym 2 Mpix układzie Canon, co przekłada się na jego ogromną przydatność przy pracy z bardzo słabymi źródłami światła (w oświetleniu, które można potraktować prawie jak ciemność). Oczywiście nie tylko piksele decydują o parametrach sensora, ale też zastosowana elektronika, warunki pracy i sama konstrukcja pojedynczego piksela. Duży jego rozmiar to też duży problem, by skutecznie odczytywać cały zgromadzony w nim ładunek. Canon musiał opracować technikę sterowania gradientem pola elektrycznego w każdym z pikseli, by równomiernie odczytywać sygnał.

Dlatego pierwszy lepszy sensor pełnoklatkowy, który miałby 2 Mpix umieszczony w aparacie typu Canon EOS R nie oznacza, że będzie on tak zdolny jak układ dedykowany, ale też na pewno szumy na wysokich czułościach ISO uległyby diametralnej minimalizacji.

Marzyłby się wam taki aparat, a może smartfon, który ma jedynie 2 Mpix rozdzielczość, ale stosunkowo duży sensor (jak w Huawei P20 Pro) i świetnie radzi sobie przy wysokich czułościach czy w nocy? Bez sztuczek (skądinąd bardzo skutecznych z perspektywy konsumenta) zaprzęgających algorytmy AI i im podobne.

Szkopuł w tym, że rozdzielczość dynamiczna obrazu, niskie szumy, nie są jedynymi parametrami dla nas istotnymi. Przy fotografiach codziennych liczy się też uzyskiwana liniowa rozdzielczość obrazu, a na tę ma wpływ zagęszczenie pikseli. Większe niż to jakie daje 2 Mpix matryca. Niewątpliwie istnieje jakiś złoty środek, na przykład 4 Mpix jak w Canonie Powershot G3? Tylko czy na pewno?

Źródło: Canon, inf. własna