JavaScript is currently disabled.Please enable it for a better experience of Jumi.

Hasselblad – mästare på bildkvalitet

Ständigt bättre bildkvalitet och nya funktioner som förenklar jobbet för kunderna, det vill säga yrkesfotograferna. Det är uppdraget för kameratillverkaren Hasselblads utvecklingsavdelning i Göteborg.

Byggd i moduler
En Hasselbladskamera består av fem delar. I mitten finns kamerahuset som är den sammanhållande enheten. På kamerahuset sitter avtryckaren, reglage för inställningar och informationsdisplayen.
Framför kamerahuset sitter ett objektiv med inbyggd slutare och bländare. Ovanpå kamerahuset finns sökaren som är rent optisk. Själva greppet på kamerahuset innehåller det laddningsbara litiumjonbatte­riet och baktill finns sensor­enheten som är fullspäckad med elektronik.

Bakstycket innehåller en stack med sex kort som har upp till 12 ledarlager. På det första kortet sitter sensorn i sin sockel. Kortet innehåller också delar av strömförsörjningen. För att minimera bruset är dessa linjära.

Därefter följer centerstacken som utgörs av tre kort. Den är hjärnan som sköter beräkningarna. Arbetet görs av två mindre och en större FPGA plus en tvåkärnig DSP.

Det går inte att adressera individuella bildpunkter i CCD-sensorer. Utläsningen görs en pixel i taget. För att öka takten är sensorn indelad i fyra sektioner med var sin utläsning. Datatakten är 18 eller 25 MHz
beroende på sensormodell vilket ger en total utläsningstid på 0,6 till 0,7 sekunder.

AD-omvandlingen görs med fyra stycken 14-bitars AD-omvandlare innan den första FPGA:an tar hand om den inledande linjäriseringen och korrektionen av bilddata. Antalet bitar ökar till 16. Det efterföljande dataflödet ligger runt 200 Mbyte per sekund.

I centerstacken finns också
ett flashminne med upp till
300 Mbyte kalibreringsdata som skapats under kalibreringen i produktionen.

Med hjälp av kalibreringsdata går det att korrigera för döda bildpunkter, justerar förstärkningen beroende på sensor och kompenserar för temperaturen. Arbetet görs av en biffig FPGA från Lattice med understöd av en tvåkärnig DSP från Analog Devices. Till sin hjälp har de ett RAM på 2 Gbyte.

Man brukar inte hitta stora FPGA:er i batteridrivna apparater eftersom de är så effekthungriga, men i den här tillämpningen är FPGA:erna och DSP:n bara aktiva när man läser ut bilden, större delen av tiden är de i viloläge.

– Vi har jobbat mycket med att försöka få ned strömförbrukningen när vi inte läser ut bilden, säger Niklas Granhage som är systemingenjör.

Bilden levereras som en så kallad Raw-fil, ett ”negativ” som sedan kan framkallas efter fotografens önskemål med lämpligt program i en Mac eller PC. Hasselblad har såklart ett eget program kallat Phocus men även Adobes Lightroom kan användas.

Kameran kan också leverera en färdig bild i jpeg-format. Denna är bara en fjärdedel så stor som Raw-filen beroende på begränsningar i kapaciteten hos FPGA:n.

Bilderna kan antingen sparas på ett flashkort eller läsas ut via Firewire.

På de bakre korten sitter en processor som hanterar kommunikationen med de övriga delarna i kameran och som också styr dataflödet.

– Vi funderade på embedded Linux men kör ett enkelt lågnivå-RTOS för att kunna återanvända mer av det vi hade, säger Niklas Granhage.

I centerstacken finns också större delen av kraftförsörjningen med switchade omvandlare. Digitaldelen är inte alls lika känslig som bildsensorn. n

För de flesta är Hasselbladaren en ouppnåelig dröm. Kameran ger visserligen bilder i absolut världsklass men kostar som en ny småbil.
– Våra kunder är proffs som lever på att fotografera bland annat mode, porträttbilder, bröllop, produkter, arkitektur och natur. Kameran är deras arbetsverktyg, säger Åke Wåssén som är utvecklingschef.

Hasselblad har ett anrikt förflutet och de flesta svenskar vet säkert att företagets kameror använts på månfärderna. Men övergången till digitaltekniken kunde ha tagit död på företaget trots att det var mycket tidigt ute, faktiskt kom den första egna digitala modellen redan på 90-talet.

Efter ett antal ägarbyten, neddragningar och omstruktureringar är företaget på väg att ta tillbaka förlorad mark. Större delen av utvecklingen och produktionen finns återigen i Göteborg, 115 personer jobbar här för att vara exakt. Och i december lånade statliga Industrifonden ut 73 miljoner kronor, pengar som ska användas utveckling av nya modeller.

I Göteborg utvecklas H-serien, den digitala efterträdaren till den klassiska mellanformatskameran med ett filmformat på 6x6 cm. Här finns också produktionen av alla kameror liksom service, ekonomi och direktion.

Den senaste modellen, H5D, lanserades hösten 2012 och började säljas för ganska precis ett år sedan.

– Det som styr oss är proffsens krav på funktioner och tillgängligheten på kretsar, säger Åke Wåssén.

För trots sitt pris innehåller kameran enbart standardkretsar, att göra asicar är för dyrt. Många funktioner är därför implementerade i processorer, FPGA:er och DSP:er.

Ett exempel är autofokussystemet. I motsats till amatörer vill yrkesfotografer inte överlåta särskilt många beslut till kameran. Det gäller såklart även var fokus­punkten ska ligga. En vanlig metod vid fotografering är att sikta på objektets ansikte, låta kameran fokusera och därefter hålla ned avtryckaren halvvägs för att låsa fokuspunkten. Sedan komponeras bilden genom att vrida lite på kameran så att objektet inte längre befinner sig i mitten.

Problemet är bara att fokusplanet är plant medan vridningen är en cirkelbåge. Så tippar man kameran nedåt hamnar fokusplanet bakom ansiktet som blir oskarpt.

Eftersom sensorn som används för fokuseringen är utvecklad för småbildskameror kan den inte hantera problemet.

Lösningen blev att bygga in tre gyron som kontinuerligt mäter vinkelhastigheten fram till exponeringen. Vet man också vad det är för objektiv på kameran samt avstånd till motivet går det att räkna ut fokusfelet och mycket snabbt justera fokus innan bilden tas.

– Det är ett typexempel på hur vi löser saker när det inte finns kommersiellt tillgängliga komponenter, säger Åke Wåssén.

Den senaste modellen av kameran finns med tre sensorstorlekar: 40, 50 eller 60 Mpixel. Det är i runda slängar två till tre gånger mer är de professionella kameramodellerna från till exempel Nikon eller Canon.

Det finns också två modeller som ger ändå bättre bildkvalitet. De används för att fotografera lyxvaror som klockor och juveler, produkter som är känsliga för variationer i färgerna. Andra kunder är museer och institutioner som vill dokumentera sina objekt så noga det bara går.

Just de här modellerna har en piezomekanisk motor som flyttar sensorn – och därmed också Bayerfiltret (färgfiltret) som sitter på sensorn – ett pixel i sidled eller höjdled i taget, vilket i praktiken innebär cirka 6 µm. Kameran exponerar fyra bilder med förflyttning emellan. På så sätt fångas varje bildpunkt med olika pixlar med olika färg. De fyra bilderna bakas sedan ihop till en bild med full färginformation i varje bildpunkt.

Tekniken, som kallas multi­shot, fyrdubblar sensordata men fungerar såklart bara på objekt som inte rör på sig.

Värstingmodellen har också ett mellanläge på ett halvt pixels förflyttning vilket genererar 200 Mpixel bilddata per bild.

På de vanliga modellerna i H5D-serien interpoleras färgerna fram ur en enda exponering, samma princip som för alla and­ra digitalkameror.

Hasselblad är för litet för att kunna utveckla egna sensorer. Och ska man ha sensorer som motsvarar det större filmformatet begränsas utbudet dessutom till CCD-sensorer, en teknik som sedan länge ersatts av CMOS-sensorer i kameror med mindre bildformat och i mobiltelefoner.

Sensorerna som Hasselblad använder kommer från två företag, Dalsa och Truesense. Det senare är avknoppat från Kodak.

Sensorerna är 33x44 mm upp till 40x54 mm beroende på modell. Det kan jämföras med småbildskamerorna vars proffsmodeller har sensorer på cirka 24x36 mm.

Själva bildpunkterna är ungefär 6x6 µm stora. Som en jämförelse kan man ta bildsensorer till mobiltelefoner där bildpunkterna ligger nedåt 1,1x1,1 µm. Dessa måste också ha plats med en ström till spänningsomvandlare liksom en transistor för adresseringen varför den aktiva ytan är klart mindre.

För både CCD- och CMOS-sensorer använder man numera ett lager med mikrolinser som koncentrerar ljuset till bildpunkten och på så sätt kompenserar för den yta som används till annat. Hasselblads sensor på 40 Mpixel använder tekniken.

Från början gav CMOS-sensorerna en betydligt sämre bildkvalitet än CCD-sensorerna men idag är det nästan tvärt om. Dessutom har CCD-sensorerna en del svagheter. Bland annat tar det längre tid att läsa ut bilden, och man måste alltid läsa ut alla pixlar. Under den tiden måste sensorn ”förvaras i mörker” precis som för vanlig film. Sensorn kan därför inte användas för att titta på den blivande bilden.

I Hasselbladaren används en rent optisk sökare vilket ger en bättre ergonomi. Vill man hellre koppla kameran till en dator, för att få en större bild och därmed en bättre uppfattning av skärpan i bilden, kan man göra det även om uppdateringshastigheten stannar på en bild per sekund.

– Om sensorn är den viktigaste komponenten är objektiven den viktigaste modulen. Dålig optik kan aldrig räddas av en bra sensor, säger Per Nordlund som är optikingenjör.

Sedan många år är japanska Fuji företagets samarbetspartner på optikområdet. Fuji står för glaset och tillverkningen av objektiven medan Hasselblad står för konstruktionen av optiken liksom modulen med slutare och bländare som sitter i objektiven.

Idag är zoomobjektiv standard till systemkameror men av de tretton objektiv som Hasselblad har är bara två zoomar.

– Jagar man de sista procenten i bildkvalitet går det inte att använda zoomobjektiv. De är alltid en kompromiss med sämre bildkvalitet, säger Per Nordlund.

ANNONS:

Oktoberchansen

Vill du ha en Raspberry Pi – den populära enkortsdatorn från Farnell element14?
    Vi delar ut tio Raspberry Pi 3 Model B+ bland de som tecknar en ny prenumeration på Elektroniktidningen under september och oktober. Även trogna prenumeranter som förnyar sina uppgifter kan delta i kampanjen.
    Farnell element14 sponsrar kampanjen, som pågår fram till midnatt den 31 oktober.
    OBS glöm inte att kryssa i rutan för nyhetsbrev för att kunna vara med i utdelningen!
Prenumerera och delta!
MER LÄSNING:
 
SENASTE KOMMENTARER
Kommentarer via Disqus

Vi gör Elektroniktidningen

Anne-Charlotte Sparrvik

Anne-Charlotte
Sparrvik

+46(0)734-171099 ac@etn.se
(sälj och marknads­föring)
Per Henricsson

Per
Henricsson
+46(0)734-171303 per@etn.se
(redaktion)

Anna Wennberg

Anna
Wennberg
+46(0)734-171311 anna@etn.se
(redaktion)

Jan Tångring

Jan
Tångring
+46(0)734-171309 jan@etn.se
(redaktion)