Globalna migawka w sensorze - nadchodzi nowy trend w fotografii?

W ostatnich dniach świat technologii foto dowiedział się o dwóch wersjach rozwiązania, które może stać się trendem (technologicznym) w najbliższych latach. Oba, zarówno pomysł Sony jak i Panasonic, mają związek z technologią globalnej migawki. To rozwiązanie pozwoliłoby zastąpić migawkę mechaniczną (w pewnym sensie nawet całkowicie), a już na pewno pozwala wyeliminować znany nam od lat problem tak zwanego rolling shutter.

By zrozumieć dlaczego opisane dalej rozwiązania są tak istotne, warto zrozumieć czym jest migawka. W zasadzie, każdy chyba amator fotografii wie, że migawka mechaniczna to element aparatu (czasem obiektywu), który blokuje docierające do elementu światłoczułego światło. Przez większość czasu migawka w korpusie jest zamknięta, a otwiera się tylko na ściśle określony czas, by pozwolić na rejestrację obrazu.

W instrukcjach obsługi podawany jest parametr o nazwie: czas synchronizacji z lampą błyskową. To maksymalny czas naświetlania, przy którym otwarta maksymalnie migawka odsłania całą powierzchnię sensora w danej chwili. Przy krótszych czasach naświetlania otwarta całkowicie migawka jest jedynie niewielką szczeliną, która przesuwa się wzdłuż kadru w trakcie ekspozycji.

Moduł migawki mechanicznej z aparatu marki Nikon

Gdy na rynku pojawiły się aparaty cyfrowe, pojawiła się też technologia migawki elektronicznej, która umożliwia szybkie rejestrowanie obrazu i pracę aparatu w trybie podglądu na żywo. Migawka mechaniczna, która zwykle też jest stosowana w aparatach cyfrowych, w tym czasie jest stale otwarta.

Migawka elektroniczna to element sensora, który w uproszczeniu służy włączaniu lub wyłączaniu procedury rejestracji obrazu przez piksele. Migawka mechaniczna jest elementem z materiału (najczęściej są to cienkie blaszki), migawka elektroniczna to zestaw tranzystorów, które współtworzą strukturę pikseli matrycy. Jest aktywowana przez sygnał elektryczny i nie zasłania matrycy tak jak migawka mechaniczna, jedynie blokuje proces konwersji światła.

Migawka elektroniczna - nie widać jej, ale na pewno gdzieś tam jest w sensorze (tutaj układ z Nikon D850)

Migawka elektroniczna, oprócz posiadania zalety polegającej na wysokiej odporności na zmęczenie materiału (mechaniczna migawka jest dużo mniej odporna), jest w stanie dużo szybciej się otwierać (czyli włączać i wyłączać). Dzięki temu nowoczesne aparaty cyfrowe są w stanie uzyskać czas otwarcia migawki nawet tak krótki jak 1/32000 sekundy (co wcale nie oznacza, że nadaje się to do chwytania szybkich obiektów, o czym piszę niżej wspominając o wadzie). Migawka mechaniczna ma to zwykle minimalnie 1/4000, 1/8000 sekundy.

Migawka elektroniczna jest także bezgłośna, bo nikt przecież nie usłyszy przepływających elektronów w strukturze sensora, a trzask lamelek migawki mechanicznej raczej tak. Skutek, stosując migawkę elektroniczną możemy być dyskretni.

Jest też jedna solidna wada migawki elektronicznej. Te stosowane obecnie w aparatach cyfrowych proces otwarcia i zamknięcia realizują w sposób zwany rolling shutter. I tak jak migawka mechaniczna przy bardzo krótkim czasie otwarcia wymaga specjalnego błysku (wielokrotnego), by prawidłowo naświetlić kadr, tak migawka elektroniczna podczas rejestracji szybko poruszających się obiektów pokazuje je albo zniekształcone (wygięte, wydłużone), albo wręcz pofragmentowane (jak w przypadku śmigła samolotu).

Im bliższy plan - tym większy efekt rolling shutter

Powodem jest wspomniany rolling shutter, czyli odczyt sekwencyjny obrazu linia po linii, a nie w całości. Mówiąc inaczej migawka elektroniczna w tradycyjnej cyfrówce nie otwiera i nie zamyka się jednocześnie dla wszystkich pikseli. Powoduje to powstanie przesunięcia w czasie pomiędzy odczytem poszczególnych partii obrazu i ostatecznie jego zniekształceniem.

By tak było, konieczne jest zastosowanie migawki globalnej. Ta technologia to żadna nowość, tylko że jej wdrożenie w konsumenckim produkcie wcale nie jest proste. Jednak co się odwlecze to nie uciecze.

Sony ogłosiło stworzenie sensora CMOS w technologii BSI (Sony nazywa ją Exmor), który dysponuje migawką globalną. Na razie jest to układ o rozdzielczości jedynie 1,46 megapiksela, ale można założyć, że da się to rozwiązanie w przyszłości skalować do większej rozdzielczości. Kluczowe jest tu zapewnienie równoległej pracy konwerterów analogowo-cyfrowych, które zamiast pracować dla każdej kolumny, teraz pracują dla każdego piksela. Układ Sony zapewnia 14-bitową precyzję konwersji sygnału. Zastosowano technologię warstwową, którą Sony od pewnego czasu skutecznie udoskonala, oraz połączenia miedziane pomiędzy pikselami.

Struktura sensora Sony

Obrazek ilustrujący zalety technologii - między innymi śmigła nie są zniekształcone

Układ Sony to pierwszy wysokiej czułości układ CMOS BSI, ale jest jeszcze doniesienie z obozu Panasonic.

Panasonic co prawda nie chwali się konkretnymi numerami produktu, a mówi o technologii, która zresztą rozwija już od kilku lat, lecz w jego informacji padają takie określenia jak 8K, układ 36 Mpix, 60 klatek/s, a to zawsze budzi emocje.

Uzyskanie takich parametrów roboczych sensora w połączeniu z globalną migawką elektroniczną towarzyszy wykorzystaniu technologii OPF CMOS. OPF to organiczna fotoprzewodząca warstwa zastosowana w sensorze CMOS, w którym element konwersyjny i elektronika są niezależne. Panasonic wspomina też o skutecznej redukcji szumów w pikselach i pracy przy silnym sygnale blisko poziomu saturacji. Migawka globalna realizowana jest przez sterowanie pracą warstwy OPF poprzez zmianę przyłożonego napięcia. Ten sam mechanizm, który blokuje dostęp światła, pozwala też symulować pracę filtra neutralnego (ND) i wpływać na czułość sensora.

Porównanie tradycyjnego sensora BSI (po lewej) i sensora z OPF

Zalety technologii Panasonic z wykorzystaniem OPF - w tym brak efektu rolling shutter

Panasonic obiecuje nam bardzo wiele i miejmy nadzieje, że choć odrobinę z tych dobrych rzeczy zobaczymy już niedługo w nowych Lumixach.

Oba rozwiązania były prezentowane w ostatnich dniach podczas konferencji International Solid-State Circuit Conference (ISSCC) w San Francisco.

Rozpowszechnianie technologii globalnej migawki elektronicznej może stać się kolejnym trendem w branży foto. Ciekawe czy producenci faktycznie zechcą podążać tą ścieżką, bo może ona wymagać nie tylko zmian w sensorach, ale też towarzyszących im układach przetwarzania obrazu. Wiemy też, że nie tylko Sony czy Panasonic ma na względzie technologię migawki globalnej. O jej zastosowaniu myślą też inni wielcy branży foto - może już w tym roku.

Globalna migawka stałaby się nie tylko remedium na problem zniekształceń dynamicznych obiektów na filmach, ale też przyczynkiem do powstania nowych sposobów rejestracji obrazu.

Źródło: Panasonic, Sony