Panasonic: micro splitter per non sprecare luce e pensionare il filtro Bayer

Panasonic: micro splitter per non sprecare luce e pensionare il filtro Bayer

di Roberto Colombo, pubblicata il

“Panasonic annuncia una tecnologia alternativa al filtro Bayer per leggere i colori di un'immagine: micro splitter separano la luce i base alla lunghezza d'onda e non ne bloccano nessuna componente, come invece avviene con la matrice Bayer”

Fatta eccezione per i sensori Foveon e per quelli monocromatici, la maggioranza dei CMOS e dei CCD montati sulle fotocamere, dalle compatte alle medio formato, passando per reflex e mirrorless, utilizza un filtro a matrice colorata Bayer per poter 'leggere' i colori delle immagini. Abbiamo dedicato un approfondimento al filtro Bayer e al suo creatore, recentemente scomparso, sulle pagine di Fotografi Digitali, a questo indirizzo.


Un sensore con filtro colore Bayer

Il filtro Bayer è una soluzione molto intelligente per permettere ai sensori (che 'vedono' in bianco e nero) di ricostruire le informazioni sui colori della scena tramite il processo di demosaicing, ma porta con sé un difetto intrinseco: la matrice colorata posta di fronte al sensore va a fermare alcune lunghezze d'onda della luce, bloccando per ogni pixel una quantità che oscilla tra il 50% e il 70% della luce incidente. Da tempo i produttori sono alla ricerca di una via per ovviare a questo problema, Sigma ad esempio si è affidata alla tecnologia Foveon.

In ambito video Panasonic e Sony hanno trovato una soluzione alternativa dividendo il flusso luminoso in base alle lunghezze d'onda tramite prismi o specchi dicroici e indirizzando i flussi separati verso 3 sensori (CCD o CMOS) ognuno deputato a costruire la componente di un colore (rosso, blu e verde) dell'immagine finale. Ora Panasonic promette di portare lo stesso approccio a livello microscopico sul sensore, sostituendo i pixel colorati del filtro Bayer con dei micro-splitter per separare il flusso luminoso in base alle proprietà ottiche date dalla lunghezza d'onda. Panasonic detiene sulla tecnologia 21 brevetti in Giappone e 16 brevetti a livello mondiale e la tecnologia è stata spiegata in dettaglio sulla versione online di Nature Photonics pubblicata un paio di giorni fa.

I vantaggi della tecnologia, stando alle dichiarazioni di Panasonic, sono una maggiore sensibilità, molto utile nelle condizioni di scarsa illuminazione, oltre che una riproduzione più fedele dei colori. Le informazioni sui colori, infatti, non vengono ricavate per filtraggio delle lunghezze d'onda, ma per diffrazione, senza 'sprecare' fotoni. Alla base del sistema ci sono complicati calcoli sul comportamento delle differenti frequenze della luce a contatto con i materiali, calcoli che hanno permesso a Panasonic di simulare in modo preciso i percorsi dei raggi diffratti: da un lato per costruire in modo funzionale lo strato di micro splitters, dall'altro per ricostruire poi l'immagine nelle componenti colore.

Uno dei vantaggi di questa tecnica è quello di poter costruire i micro splitter con materiali inorganici e tecniche standard, senza richiedere quindi l'accesso a tecnologie particolari e abbreviando così l'eventuale entrata in produzione della nuova generazione di sensori. Attualmente non ci sono previsioni sul momento di ricaduta commerciale della nuova tecnologia. è interessante però vedere come la ricerca di alternative al filtro Bayer sia uno dei terreni di sfida per il futuro della fotografia digitale.


Commenti (9)

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Commento # 1 di: mentalray pubblicato il 05 Febbraio 2013, 10:50
Molto interessante, in effetti se il filtro bayer si ciuccia un 50/70% di luce per forza di cose ne risente la sensibilità intrinseca. Non ho ancora capito invece come funzionano i sensori a retroilluminazione.
Commento # 2 di: Roberto Colombo pubblicato il 05 Febbraio 2013, 11:00
I sensori CMOS Back-Illuminated sono uguali agli altri, ma hanno una struttura ribaltata rispetto a quelli convenzionali con la circuiteria sotto la superficie sensibile: trovi uno schema in questa notizia -> http://www.fotografidigitali.it/new...cmos_25448.html
Commento # 3 di: demon77 pubblicato il 05 Febbraio 2013, 11:26
Notevole.
Questa è indubbiamente una evoluzione importante, vuol dire rendere più sensibili e performanti TUTTI i sensori con vantaggi diretti anche sui più piccoli quali compatte e cellulari.

Mi auguro che questa cosa verrà usata in modo saggio..
ma temo non sarà cosi.. salteranno fuori quei maledetti parassiti dell'ufficio marketing e invece di cellulari con 5 mpx di alta qualità avremo i cellulari con 16 mpx...
Commento # 4 di: lucusta pubblicato il 05 Febbraio 2013, 11:56
il costo di un discriminatore a rifrazione credo che difficilmente possa essere "assorbito" addirittura da una pro da decine di miliaia di euro, vederlo sui cellulari quando non mettono nemmeno lenti decenti credo che ci vorrano un paio di lusti...
il bayer e' solo un filtro colorato, qui si parla di un reticolo di difrazione che deve discriminare luce per singolo subpixel per qualche milione di pixel...

il reticolo di diffrazione di uno spettrofotometro costa circa 500 euro, ed e' usato per ottenere un solo flusso di luce monocromatica (discriminando sulla singola lunghezza d'onda); qui si parla di una triplice disciminazione per qualche milione di volte.

la cosa piu' economica che riesco ad immaginare e' una lente che focalizza su un reticolo fisso con la luce discriminata ripresa da 3 singoli CMOS... non proprio roba dozzinale....ha, roba che comunque gia' esiste sul mercato: il discriminatore e' un prisma e la video camera dovrebbe essere o sony o panasonic.

altra soluzione e' quella di usare una lente focalizzatrice, un reticolo, specchi mappati che riflettono sullo stesso CMOS.
in pratica sugli specchi e' eseguita la stessa mappa del filtro bayer, solo annerita per i colori non interessati, in modo da non riflettere luce; uno specchio per colore che collimano sullo stesso CMOS in mappa bayer o similare (cosi' si usa anche lo stesso algoritmo di ricostruzione).
Commento # 5 di: demon77 pubblicato il 05 Febbraio 2013, 12:09
Ma.. il bello della notizia è il fatto che si è trovato il modo di implementare il suddetto sistema a livello microscopico direttamente sul sensore.. Con conseguente revisione pesante del costo rispetto alle attuali tecnologie..
altrimenti che senso può avere la notizia?
Commento # 6 di: AleLinuxBSD pubblicato il 05 Febbraio 2013, 13:26
Interessante, in questo modo è come dire che viene guadagnato 1/2-2/3 di stop, gratis.
Situazione di cui si avantaggierebbero in modo considerevole soprattutto i sensori più piccoli, che soffrono più di altri, ad alti Iso.
Suppongo che l'uscita commerciale di questa soluzione avverrà sulle mirrorless.
Da vedere però sia i prezzi sia la resa effettiva sul campo.
Commento # 7 di: lucusta pubblicato il 05 Febbraio 2013, 15:58
gratis non direi proprio...
per quanto riguarda il micro color splitter, come illustrato nell'immagine:
1) non si ha una singola lente per sub-pixel, come sopra illustrato, ma una sola grande lente.
2) si, si puo' fare, in microtecnologia, utilizzando un layer con difrazione nulla (un semplice vetrino al quarzo) con sopra applicato un substrato con difrazione tale da poter scindere le lunghezze d'onda interessate e splittarle sui sub-pixel... ma certo che il bayer costa meno.
Commento # 8 di: Chelidon pubblicato il 05 Febbraio 2013, 22:29
Originariamente inviato da: lucusta
il costo di un discriminatore a rifrazione credo che difficilmente possa essere "assorbito" addirittura da una pro da decine di miliaia di euro, vederlo sui cellulari quando non mettono nemmeno lenti decenti credo che ci vorrano un paio di lusti...
discrimi.. de che? L'hai detto te dopo si basano su banali reticoli di diffrazione (di rifrazione non c'è nemmeno l'ombra). Se fosse come dici, le tecnologie più nuove verrebbero adottate prima sui sensori grandi e invece è IL CONTRARIO: vedi sensori BSI su reflex o piuttosto su compatte e cellulari? Di solito paradossalmente è proprio il contrario: i sensori piccoli dovrebbero avere un divario di qualità enorme in proporzione alla superficie e invece non è così esagerato, proprio perché sono i primi a usufruire delle tecnologie più avanzate dato che sono molto più richiesti commercialmente e si ritorna subito degli investimenti.

La cosa diviene ovvia se pensi che i sensori più grandi hanno rese più basse e ne vendono moltissimi di meno (i pro sono 4 gatti rispetto al consumer), invece che di quelli minuscoli che si mettono in ogni dispositivo. Secondo te è più facile ammortizzare i costi di R&D, per qualcosa che ha un target-price alto e lo vendi a pochi estimatori, o qualcosa che ne vendi a miliardi e in continuazione, perché richiesto da una varietà di innumerevoli dispositivi?!

Originariamente inviato da: lucusta
il reticolo di diffrazione di uno spettrofotometro costa circa 500 euro, ed e' usato per ottenere un solo flusso di luce monocromatica (discriminando sulla singola lunghezza d'onda); qui si parla di una triplice disciminazione per qualche milione di volte.
Quello che dici costa 500€ è un oggetto MACROSCOPICO (non lo fanno con tecniche litografiche e nemmeno in milioni di pezzi) che deve essere maneggiato e venduto in pochi esemplari a una nicchia di mercato (uno spettrofotometro, chi non ce l'ha?! Nicchia a dir poco, poi ovvio che sei costretto a comprare al prezzo che ti dicono). Secondo, un monocromatore mica deve per forza darti un flusso monocromatico se vai a prendere un [U]intervallo angolare[/U] puoi replicare tranquillamente le bande rosso, verde, blu. Ovvio che avranno implementato la cosa opportunamente con microlenti e così via, non penso facciano brevetti a caso..

Originariamente inviato da: lucusta
altra soluzione e' quella di usare una lente focalizzatrice, un reticolo, specchi mappati che riflettono sullo stesso CMOS.
in pratica sugli specchi e' eseguita la stessa mappa del filtro bayer, solo annerita per i colori non interessati, in modo da non riflettere luce; uno specchio per colore che collimano sullo stesso CMOS in mappa bayer o similare (cosi' si usa anche lo stesso algoritmo di ricostruzione).
Questo ti sembra più semplice ed economico!!? Senza contare che oltre alla complessità esagerata, gli specchi non sono ideali e a quel punto guadagni poca sensibilità rispetto al bayer a fronte di una grande complessità e difficoltà di realizzazione (la tecnologia lontanamente simile che mi viene in mente è quella dei proiettori DLP e non sono certo a buon mercato). Quello che hai perso di vista è che quei reticoli di diffrazione sono ottenuti direttamente con le tecniche litografiche e [U]perciò impattano minimamente sui costi[/U]: il costo vero ce l'hai la prima volta quando devi aggiungere uno step sulla linea, poi sei a regime e l'investimento si diluisce con le economie di scala. Questo è il vantaggio dell'integrazione sui metodi macroscopici, come quelli appunto che descrivi con prismi e complicazioni varie esterne al sensore.
Commento # 9 di: acerbo pubblicato il 05 Febbraio 2013, 23:23
Originariamente inviato da: lucusta
il costo di un discriminatore a rifrazione credo che difficilmente possa essere "assorbito" addirittura da una pro da decine di miliaia di euro, vederlo sui cellulari quando non mettono nemmeno lenti decenti credo che ci vorrano un paio di lusti...
il bayer e' solo un filtro colorato, qui si parla di un reticolo di difrazione che deve discriminare luce per singolo subpixel per qualche milione di pixel...

il reticolo di diffrazione di uno spettrofotometro costa circa 500 euro, ed e' usato per ottenere un solo flusso di luce monocromatica (discriminando sulla singola lunghezza d'onda); qui si parla di una triplice disciminazione per qualche milione di volte.

la cosa piu' economica che riesco ad immaginare e' una lente che focalizza su un reticolo fisso con la luce discriminata ripresa da 3 singoli CMOS... non proprio roba dozzinale....ha, roba che comunque gia' esiste sul mercato: il discriminatore e' un prisma e la video camera dovrebbe essere o sony o panasonic.

altra soluzione e' quella di usare una lente focalizzatrice, un reticolo, specchi mappati che riflettono sullo stesso CMOS.
in pratica sugli specchi e' eseguita la stessa mappa del filtro bayer, solo annerita per i colori non interessati, in modo da non riflettere luce; uno specchio per colore che collimano sullo stesso CMOS in mappa bayer o similare (cosi' si usa anche lo stesso algoritmo di ricostruzione).


Io senza entrare nel dettaglio credo che se panasonic accende i riflettori su una tecnologia del genere vuol dire che è economicamente e comercialemente fattibile, altrimenti ne avremmo sentito parlare da soggetti tipo il MIT o qualche altro ente di ricerca che non ha i costi come priorità.
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