Aparat RX100 II został wyposażony w matrycę, która ma takie same gabaryty, jak ta użyta w poprzednim modelu. Nadal mamy sensor o rozmiarze 1" (nie jest to rozmiar geometryczny, tylko wielkość lampy analizującej, popularnego widikona z początków ery telewizji) i rozdzielczości 20 milionów punktów światłoczułych (tzw. senseli).

Jednak matryce te różnią się technologią wykonania. Otóż sensor testowanego modelu uzyskuje się poprzez odwrócenie struktury fotodiod (stąd nazwa technologii: BSI – back side illumination), przez co światło pada od strony warstw półprzewodnika, eliminując tym samym efekt przesłanianie obszarów aktywnych przez warstwy kontaktów (metalizacji) oraz skracając drogę, jaką muszą przebyć fotony do obszaru aktywnego. Takie działanie powoduje, że do fotodiody dociera więcej fotonów, co przekłada się na większy gromadzony w senselach ładunek elektryczny. Należy więc uznać, że w tych samych warunkach ten sam strumień światła zamieniony zostanie na większy ładunek w fotodiodach matrycy wyprodukowanej w technologii BSI niż FSI. Oznacza to, że matryca BSI z definicji wyróżnia się lepszą relacją użytecznego sygnału do szumu (SNR – signal to noise ratio), który jest wartością stałą i charakterystyczną dla konkretnego zastosowanego układu elektronicznego.

Spójrzmy na schematyczne rysunki pokazujące struktury FSI oraz BSI – dane mają za zadanie obrazować jedynie różnice między technologiami.

Opis warstw: 1 – warstwa mikrosoczewek i filtrów kolorów podstawowych, 2 – transparentna warstwa wraz z metalizacją (kontakty), 3 – warstwa złączy (półprzewodnikowa), 4 – substrat (podłoże krzemowe).

Odwrócenie struktury FSI tak, by światło padało bezpośrednio na warstwę półprzewodników, a dzięki temu 100-procentowe wypełnienie aktywnej powierzchni fotodiodami oznacza, że stosowanie mikrosoczewek dla koncentracji strumienia światła w celu pozyskania wysokiej efektywności kwantowej nie jest już tak istotne. W uproszczeniu: matryce BSI po prostu „łapią światło” całą swoją powierzchnią. Z drugiej jednak strony naraża to bardziej matrycę na przedostawanie się ładunków elektrycznych pomiędzy sąsiadującymi fotodiodami (tzw. cross-talk lub X-talk). Umieszczenie aktywnej powierzchni fotodiody jako pierwszej warstwy pozwala na rejestrację fotonów o stosunkowo niskiej energii (słabej penetracji krzemu) – tym samym matryce BSI z definicji charakteryzują się dużo lepszą czułością na światło z czerwonej części widma (o długości większej od 600 nm).

Spójrzmy na wykres efektywności kwantowej (QE – z ang. quantum efficiency), który obrazowo porównuje 3 konstrukcje matryc CMOS (wyższe wartości oznaczają lepszą jakość).

Spoglądając na środkową część widma (okolice 550 nm, czyli kolor zielony), widzimy wyraźnie, że w porównaniu do FSI z mikrosoczewkami „goła” matryca BSI jest efektywniejsza o około 15%, natomiast dla FSI bez soczewek – aż o 50%! Druga ważna informacja to stosunkowo płaska charakterystyka dla zakresu 400–800 nm. Potencjalnie zatem – w przeciwieństwie do matryc FSI, gdzie każdy z senseli charakteryzuje się innym SNR (najlepsze wartości dla senseli G, a R oraz B – gorsze) – matryca BSI odznacza się lepszą separacją sygnału od szumu niezależnie od długości fali świetlnej.

Ciekawostką wartą odnotowania jest pewna konsekwencja braku wymogu stosowania mikrosoczewek w matrycach BSI. Okazuje się, że dzięki temu możliwe staje się tworzenie elastycznych matryc – potencjalnie zatem w przyszłości możemy spodziewać się nie płaskich, ale eliptycznych matryc, przez co znaczącemu uproszczeniu ulec mogłaby konstrukcja optyki (korygowanie dystorsji).

Producent chwali się, że aparat RX100 II wyposażony jest w komercyjnie pierwszą dostępną tak dużą matrycę BSI. I faktycznie – za wyjątkiem zastosowań naukowych i specjalnych – do tej pory ta technologia oferowana była jedynie w matrycach nie większych niż 1/1.7". Popularnym stwierdzeniem jest, że właśnie w matrycach o małych rozmiarach, gdzie pogoń za coraz wyższą rozdzielczością zmusza producentów do ograniczania wielkości senseli, technologia BSI zdecydowanie poprawi jakość obrazu – w przeciwieństwie do matryc lustrzanek APS-C czy pełnoklatkowych, które, jak wiemy, radzą sobie z szumem zdecydowanie lepiej i które BSI… nie potrzebują. Jaka jest prawda?

Okazuje się, że w teorii różnica między FSI a BSI wygląda prozaicznie. Ot – zamieńmy kolejność nakładania warstw struktury krzemowej tudzież odwróćmy już wykonaną strukturę. W praktyce jednak nie jest to już tak proste. W pierwszym wypadku producent musi stawić czoło technologicznym problemom związanym z „odwrotnym” wykonywaniem złączy, w drugim zaś musi w jakiś sposób usunąć najniższą warstwę – czyli podłoże. Można to zrobić poprzez wytrawienie (jednak uzyskanie w tym procesie dużych powierzchni o niskiej chropowatości jest bardzo trudne), można też w tym celu stosować metodę FIB (z ang. focused ion beam) umożliwiającą zdejmowanie pojedynczych atomów (długotrwała metoda słabo sprawdzająca się w masowej produkcji). Można też wykonać układ FSI na podłożu szklanym (transparentnym) – wtedy nie ma potrzeby usuwania substratu, ale traci się na transmisji drogi optycznej.

Jaką drogę obrało Sony? Trudno odgadnąć. Może serwis chipworks.com któregoś dnia przedstawi analizę sensora i wskaże konkretne cechy użytej technologii? Tymczasem ten opis ma jedynie za zadanie uzmysłowić, jak trudno jest matrycę „odwrócić”. I faktycznie – inżynierowie zmierzyć się muszą się z wieloma problemami, które objawiają się tendencją do… obniżania zamiast zwiększania SNR w matrycach BSI. Jedną z przyczyn stanowi wspomniany wcześniej X-talk. Nie możemy też zapominać o wymogu ułożenia na strukturze krzemu filtrów kolorów podstawowych oraz ewentualnie mikrosoczewek (które w matrycach BSI pełnią bardziej rolę ograniczania X-talk niż zwiększania sprawności kwantowej). Manipulowanie waflem krzemu wymaga zastosowania specjalnych znaczników, by owe filtry (mikrosoczewki) znalazły się dokładnie nad odpowiadającymi im fotodiodami. Może to też powodować problemy z utrzymaniem symetrii siatki pikseli. Wszystko to prowadzi do jednego wniosku – prościej zastosować BSI dla małych matryc niż dla dużych.

Jak poradziło sobie Sony z tymi problemami technologicznymi? Jaki zysk z architektury BSI możemy dostrzec w aparacie RX100 II? Spójrzmy na analizy zaprezentowane poniżej.

Szumy

Pomiar szumów matrycy wykonujemy na zdjęciach tablicy Kodak Q-14, korzystając z programu Imatest. Poniżej prezentujemy uzyskane przez nas wyniki.

Do powyższych wykresów nie mamy zastrzeżeń. Wartość szumu zwiększa się równomiernie wraz z podnoszeniem wartości czułości ISO. Bliższe przyjrzenie się wskazuje, że powyżej ISO 3200 zaobserwować możemy pewne załamanie krzywych. To znak, że następuje programowa korekcja dwóch najwyższych czułości – mimo że powstają one na drodze programowej, nie jest to jedynie proste przemnożenie wartości pozyskanej z przetwornika. Dysproporcja między krzywą dla czerwonej i niebieskiej składowej wskazuje, że efektywność kwantowa w funkcji długości fali dla tej matrycy ma maksimum w okolicach środkowego zakresu (kolor zielony), a im dalej od niego będziemy (w obu kierunkach) – zaczyna ona spadać. Warto zwrócić też uwagę na opis osi OY – nawet najwyższa czułość dla kanału luminancji nie wychodzi poza poziom 4% – to wynik wyjątkowy, mogący z powodzeniem konkurować z najlepszymi matrycami pełnoklatkowymi (przypomnijmy, że aparat Nikon D600 dla czułości ISO 12800 notował wynik niewiele lepszy).

Ciekawie może wyglądać porównanie szumu kanału luminancji między aparatami Sony RX100, RX100 II oraz Canonem G1 X i Nikonem V1.

Szum wyznacza się dla 18% szarości, czyli środka zakresu przetwarzania matrycy. Matryca RX100 II wytwarza wyższe wartości sygnału tego samego oświetlenia, co powoduje wzrost SNR (relacja użytecznego sygnału do szumu) lub innymi słowy – spadek szumu. Tym samym powyższy wykres jest świetną ilustracją zysku z zastosowania architektury BSI w konstrukcji matrycy. Gdy porównamy zachowanie nowej matrycy Sony z produktami firm Nikon i Canon, jawi się zupełnie inny obraz. Szybkie przeliczenie wielkości pojedynczego sensela tych aparatów daje następujące wyniki:

• Sony RX100 – matryca 1", 20 MPix = 2.3 µm;
• Nikon V1 – matryca 1", 12 MPix = 3.1 µm;
• Canon G1 X – matryca 1.5", 14 MPix = 4.3 µm.

Pamiętajmy jednak, że zjawiskiem na zdjęciu powszechnie określanym jako szum nie są zakłócenia występujące w szarościach, ale to, co dzieje się w ciemnych partiach obrazu. To tam zaczynamy dostrzegać kolorową kaszkę, która niszczy detale. Przy takiej interpretacji musimy wskazać, że BSI daje zysk proporcjonalny do liczby fotonów; w głębokich cieniach światła jest mało, co przekłada się na mizerny zysk.

Aby ukazać, jak wartości wyznaczonego szumu przekładają się na obraz, prócz wykresów prezentujemy tabelkę z fragmentami zdjęć (w skali 1:1) pól nr 3 oraz nr 11 tablicy Kodak Q-14. W pierwszej tabelce znajdują się fotografie w formacie JPEG, w drugiej natomiast – w formacie RAW.

Na powyższych wycinkach doskonale widać różnice w jakości obrazu generowanego przez matryce aparatów RX100 i RX100 II. Nowa rejestruje zdecydowanie mniej niepożądanego szumu. Jednak w porównaniu do konkurecyjnych modeli, czyli Nikona V1 czy Canona G1 X, zanotować możemy zwiększony udział szumu w kanale chrominancji. Pamiętajmy, że G1 X posiada stosunkowo dużą matrycę przy rozsądnej gęstości pikseli (1.5" i 14 Mpix). Odmienna jest struktura szumu aparatu RX100 II – dominuje kanał czerwony, co może być powiązane z lepszą efektywnością kwantową matrycy BSI w obszarze czerwonego zakresu widma. Do wartości ISO 3200 szum nie tworzy skomplikowanych wzorów, będzie zatem łatwy do usunięcia bez zbytniego wpływu na widoczność detalu, którego dzięki rozdzielczości matrycy jest w RX100 II sporo.

Zakres tonalny

Zakres tonalny, będący miarą liczby rozróżnianych przejść tonalnych pomiędzy skrajnymi wartościami czerni i bieli, mówi nam, jak bardzo szum redukuje jakość zdjęcia, powodując posteryzację.

Zakres tonalny wyznaczyliśmy w oparciu o serię zdjęć tablicy Kodak Q-14. Pomiarów dokonaliśmy na surowych plikach przekonwertowanych uprzednio do 48-bitowych TIFF-ów bez demozaikowania.

Z wykresu przedstawionego powyżej możemy odczytać, że dla trzech najniższych czułości liczba tonów przekracza 220, czyli 7.8-bitowy zapis danych. To stosunkowo dobry wyniki dający gwarancję wizualnie gładkich przejść tonalnych, bez widocznej posteryzacji. Dalsze zwiększanie czułości ISO powoduje powolną degradację zakresu tonalnego. Przy dwóch najwyższych czułościach (czyli ISO 6400 i 12800) wykres załamuje się, co jest kolejnym potwierdzeniem modyfikacji danych prowadzonych przez oprogramowanie aparatu.

Dynamika tonalna

Dynamikę tonalną wyznaczyliśmy w oparciu o serię zdjęć tablicy Kodak Q-13. Pomiarów wykonaliśmy na surowych plikach przekonwertowanych uprzednio do 48-bitowych TIFF-ów bez demozaikowania. Na wykresie przedstawiamy wartości zakresu tonalnego dla wysokiej, dobrej, średniej i niskiej jakości obrazu. Odpowiada to stosunkom sygnału do szumu na poziomie 10, 4, 2 i 1.

W zakresie czułości 200–3200 ISO dynamika spada liniowo w naturalny sposób, to znaczy każde zwiększenie czułości o 1 EV pozbawia nas 1 EV dynamiki. Przy niższych wartościach tendencja ta jest zakłócona przez stosowanie 12-bitowego przetwarzania, które skutecznie ogranicza sygnał. Wydaje się, że zastosowanie 14-bitowego przetwarzania umożliwiłoby uzyskanie jeszcze większych wartości dynamiki. Najwyższe czułości znów pokazują modyfikację danych.

Spójrzmy na porównanie wyników dynamiki dla obu matryc: FSI i BSI.

Na pierwszy rzut oka są one identyczne. Model RX100 oferuje czułości ISO od wartości 80. W wypadku RX100 II jest to ISO 160, co można wytłumaczyć większym zyskiem energetycznym matrycy i – jak podejrzewamy – niedopasowaniem układów kondycjonowania sygnału i kalibracji wejścia przetwornika ADC. Wydaje się, że modyfikacja matrycy to jedynie zastosowanie architektury BSI bez innych zmian w układzie elektronicznym. Wskazują na to podobne wartości dynamiki obu matryc dla odpowiadających sobie czułości, co wynika z podobnych poziomów czerni, jak i saturacji zastosowanych w obu matrycach. Zastosowanie zatem tego samego monochromatycznego źródła światła o stałym strumieniu, tych samych ustawień aparatów (przysłony oraz czasu otwarcia migawki) wymaga od matrycy BSI takiego podniesienia wartość ISO, by wyznaczana ekspozycja pozostała niezmieniona.

Podsumujmy – potencjał technologii BSI został wykorzystany połowicznie. Jednak czy to niedopatrzenie konstruktorów, potrzeba sztucznego pozycjonowania aparatu, brak presji ze strony konsumentów, czy też może jakieś nieznane nam techniczne przyczyny – tego nie możemy być pewni, a więc temat pozostanie w sferze domysłów.

Poniżej przedstawiamy pełne wykresy SNR wygenerowanie na podstawie wykonanych pomiarów dla wszystkich czułości aparatu:

0 na osi OX oznacza maksymalną wartość, którą aparat może zapisać w pliku RAW. Na prawej osi OY oznaczyliśmy miejsca dla kryteriów SNR= 10, 4, 2 i 1. Przy pomocy tego wykresu każdy może oszacować dostępną dynamikę dla wybranej przez siebie minimalnej użytecznej jakości. Wystarczy poprowadzić poziomą linię wzdłuż wybranego kryterium i odczytać wartość na osi OX, dla której linia ta przecina się z wykresem dla odpowiedniej czułości. Gdy np. uznamy za kryterium minimalnej użytecznej jakości 12 dB dla ISO 1600, widzimy, że dynamika sięga wartości 7.5 EV.

Aby zobrazować praktyczny aspekt dynamiki tonalnej, jaki oferuje aparat, wykonaliśmy zdjęcia scenki testowej z czasem 30 s i 2 s przy czułości odpowiednio ISO 100 i ISO 1600. Fotografie zostały zrobione w formacie RAW i skorygowane o +4 EV i −4 EV w programie Adobe Lightroom 4 na domyślnych ustawieniach (wyłączone wszystkie panele modułu Develop za wyjątkiem „Camera Calibration”).

	0 EV	+4 EV
ISO 100
ISO 1600

	0 EV	−4 EV
ISO 100
ISO 1600

Na powyżej przedstawionych wycinkach naszą uwagę zwróciła zielona kropka. Poniżej przedstawiamy większy fragment obrazu dla czułości ISO 100 uzyskanego przez zwiększenie ekspozycji o +4 EV.

Podkreślamy, że widoczne punkty nie dają o sobie znać w sytuacji, gdy ekspozycja nie jest korygowana. To znak, że nie są to tzw. hot-piksele, a jedynie zakłócenia w odczytanych z matrycy danych. Źródłem tych defektów może być specyfika opisanego na początku tego rozdziału procesu technologicznego, w szczególności: usuwania warstwy substratu objawiającym się większą nierównomiernością pracy matrycy.

Prąd ciemny i szum termiczny (darki)

Standardowo zdjęcia w tym teście wykonujemy w formacie RAW. Wywołujemy je programem dcraw do postaci czarno-białej bez interpolacji. Uzyskane w ten sposób pliki TIFF konwertujemy do formatu GIF, dobierając zakres w taki sposób, aby najlepiej zobrazować generujący się na matrycy szum. Przy tworzeniu histogramów oś pozioma pokazuje zakres wartości od 0 do 400. Maksymalna wartość na osi pionowej wynosi 100 tysięcy zliczeń.

RAW
ISO	Dark Frame	Crop	Histogram
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800

Spójrzmy na analizę statystyczną przedstawionych powyżej darków.

Darki nie wykazują cech bandingu, a szum jest jednorodny. Należy odnotować zastosowanie stałego sygnału – o wartości 200 jednostek – dodawanego na wejściu przetwornika ADC. Nie ma więc śladu po brutalnym odcięciu wartości dokonanym na danych aparatu RX100.

Należy zwrócić uwagę na pojawiające się już od najniższych wartości ISO jasne punkty, ukazujące to samo zjawisko opisane przy okazji prezentacji scenki dynamiki tonalnej. Wystarczy otworzyć plik GIF dla ISO 100, by zobaczyć, że liczba jaśniejszych punktów w całym kadrze jest spora. Znak, że nadal do czynienia mamy z wczesną fazą implementacji BSI i minie jeszcze trochę czasu, zanim pojawią się matryce pełnoklatkowe tego typu, które można by było zaproponować profesjonalnym fotografom.

Bliższe przyjrzenie się plikom GIF dla wyższych czułości pokaże, że widocznie jaśniejszy staje się obszar przy prawej krawędzi kadru. To tzw. amplifier-glow, czyli docierające do matrycy promieniowanie z nagrzewającej się elektroniki aparatu. By dokładnie zobaczyć, z czym mamy do czynienia, wykonaliśmy zdjęcie przy czułości ISO 1600 i czasie ekspozycji 2 min bez dostępu światła, które przedstawiamy poniżej.

Szum termiczny w plikach JPEG

RAW
ISO	Dark Frame	Crop
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800