Organiczna matryca Panasonic ze sprzętowym filtrem bliskiej podczerwieni

Najnowsze dzieło działu Panasonic, który zajmuje się konstruowaniem sensorów, to układ z organiczną warstwą fotoelektrycznej konwersji, który ma oryginalną własność. Potrafi działać w dwóch trybach rejestracji światła. W trybie pierwszym działa jak zwykła matryca rejestrująca widzialne światło kolorowe, a w trybie drugim pełni rolę sensora uczulonego dodatkowo na bliską podczerwień.

Powyższe stwierdzenie to stuprocentowa prawda. Sensory CCDoraz CMOS stosowane w aparatach cyfrowych są uczulone na bliską podczerwień. Co gorsza, w czerwonym zakresie widma radzą sobie nie najgorzej, co wymusza stosowanie filtrów podczerwieni. Te filtry odcinają zakres światła podczerwonego i pozwalają na uzyskanie prawidłowej kolorystyki zdjęć. Nie należy ich mylić z nakręcanymi na obiektyw filtrami podczerwonymi, które z kolei przepuszczają wyłącznie światło podczerwone, a blokują światło widzialne. Dla ludzkiego oka mają one kolor czarny.

Zakres czułości typowego sensora CMOS - światło widzialne to zakres od około 380 do 720 nm.

Filtr podczerwieni w aparacie lub kamerze robi wiele dobrego, ale czasem właśnie chcielibyśmy się go pozbyć. Aparaty z sensorami bayerowskimi (z filtrami kolorów), które nie mają filtra IR, znane są miłośnikom astrofotografii. Przemysł posiłkuje się z kolei kamerami z mechanicznie umieszczanymi na torze światła filtrami IR.

Panasonic postanowił to uprościć, a pomocna w tym przypadku okazała się…

Na zmianę pomiędzy trybem kolorowym a podczerwonym odpowiada wspomniana technologia organiczna. Panasonic rozwija tę technologię już od dawna, tym razem wykorzystał ją nie tylko jako zastępstwo półprzewodnikowej warstwy konwersji, ale też by sprzętowo podbijać zakres czułości na kolory do bliskiej podczerwieni. Na życzenie użytkownika.

Sensor wyposażono w dwie organiczne warstwy, pierwszą wyłącznie dla światła widzialnego, drugą dla bliskiej podczerwieni. W każdej odbywa się konwersja sygnału świetlnego na elektryczny (fotoelektryczna), ale warstwa pierwsza działa zawsze, a drugą możemy włączać lub wyłączać zwiększając napięcie sterujące procesem konwersji.

Mówiąc bardziej strawnym językiem, sensor Panasonic dysponuje funkcją sprzętowego filtra IR. Czyli gdy filtr jest włączony, matryca działa tak jak klasyczny sensor bez filtra podczerwieni. Klasyczny sensor, czyli taki z matrycą filtrów Bayera. Taki wniosek płynie z diagramu dołączonego przez Panasonic.

A po jego wyłączeniu podobnie jak zwykła matryca z usuniętym filtrem podczerwieni. A nawet lepiej, gdyż czułość w zakresie podczerwieni jest w tym przypadku lepsza niż w pierwszym przypadku. Światło podczerwone jest dominujące w sygnale i otrzymujemy obraz podobny do obrazu widzianego za dnia, o rozdzielczości takiej samej jak w przypadku obrazu w świetle widzialnym.

Gdy filtr jest włączony sensor pracuje podobnie jak zwykła matryca w aparacie czy kamerze cyfrowej, widząc tylko światło z zakresu widzialnego. Powyższy schemat pokazuje piksel pracujący w trybie standardowym (po lewej) i w trybie zwiększonej czułości na bliską podczerwień (po prawej).

Panasonic zwraca uwagę także na inne zalety swojej konstrukcji, a mianowicie na możliwość zastosowania globalnej migawki, trybu szerokiego zakresu dynamicznego oraz na zmniejszone rozmiary w porównaniu z kamerami nadzoru z mechanicznie umieszczanym filtrem podczerwieni.

Proste przykłady zastosowania sensora Panasonic

Sensor Panasonic można wykorzystać w systemach nocnego widzenia (nie należy jednak mylić tego z noktowizją czy obrazowaniem termicznym), w narzędziach do inspekcji zawartości w przypadku materiałów, które przepuszczają światło podczerwone, ale są nieprzeźroczyste w świetle widzialnym. Jeszcze innym zastosowaniem jest maszynowe widzenie, które jest wrażliwe na szybko poruszające się obiekty w świetle spoza zakresu widzialnego (mowa o bliskiej podczerwieni).

Zastosowania przemysłowe to w przypadku tego sensora podstawowe cele, które przyświecały skonstruowaniu takiej matrycy. Wyobraźmy sobie jednak zwykły aparat cyfrowy, którym chcemy wykonać zdjęcia w podczerwieni. Wydłużając czas ekspozycji i stosując nakręcany filtr blokujący światło widzialne a przepuszczający światło podczerwone, możemy uzyskać zdjęcia, na których dominuje światło podczerwone. Można powiedzieć, że są to zdjęcia w podczerwieni, aczkolwiek używamy zwykłego aparatu, a nie specjalnego aparatu do zdjęć w podczerwieni.

Dopiero zastosowanie aparatu w wersji dla miłośników astrofotografii, który nie ma filtra podczerwieni przed sensorem, daje nadzieję na normalne zdjęcia w podczerwieni, choć nadal nie jest to typowa kamera na podczerwień (ma bowiem maskę Bayera). W przypadku zdjęć tradycyjnych zdjęcia z takiego aparatu mogą mieć rozregulowany balans bieli i przesunięte kolory, co w ekstremalnych przypadkach (dominujące źródła podczerwieni, np. światło żarowe) może utrudnić uzyskanie właściwej kolorystyki.

Gdyby taki aparat miał sensor z regulowaną czułością na podczerwień, którą można włączyć lub wyłączyć, nie musielibyśmy się niczym martwić. Do zdjęć nocnych włączalibyśmy tryb czuły na bliską podczerwień, do dziennych wyłączali.

Źródło: Panasonic, inf. własna