Новата технология осигурява изключително широк 123dB динамичен обхват с едновременно заснемане. Тази технология ще позволи прецизно заснемане на обекти в контражур без изкривявания във времето.

Осака, Япония – Днес Panasonic Corporation обяви разработването на нова технология за широк динамичен обхват^[1], постигаща широк динамичен обхват с едновременно заснемане^[2], който е 100 пъти по-широк от този при обикновените технологии. Новата технология използва CMOS заснемащ сензор с органичен фотопроводим слой OPF (Organic Photoconductive Film)^*2.

При OPF CMOS сензора, натрупването на зарядите и фотоелектричното преобразуване се реализират поотделно. Благодарение на тази уникална функция на OPF CMOS сензора, може да бъде предотвратено преекспонирането при снимане в ярка среда, без това да бъде съпътствано с изкривяване на движещите се обекти. И дори в тъмна среда могат да бъдат заснети ясни образи с богати нюанси. Тази технология позволява високоскоростно и високопрецизно снимане във висококонтрастна обстановка, без изкривяване във времето.

Новата технология за широк динамичен обхват осигурява прецизно заснемане и пресъздаване на богати цветови тонове, дори във висококонтрастна среда (при контражур или студийно осветление, например). Нещо повече, заснемането на няколко кадъра и комбинирането им в едно изображение не е необходимо, благодарение на което движещите се обекти се заснемат изключително прецизно, без изкривяване във времето. Ето защо тази технология позволява високоскоростно и високопрецизно заснемане с широк динамичен обхват.

Новата технология осигурява следните предимства:
1. Широк ъгъл на падащата светлина (60 градуса), висока чувствителност, висока наситеност на цветовете и голяма функционалност на схемите, благодарение на уникалните характеристики на OPF, позволяващи разделянето на фотоелектричното преобразуване и натрупването/отчитането на зарядите.
2. 123dB широк динамичен обхват с едновременно заснемане (100 пъти по-широк от динамичния обхват на традиционните силициеви сензори^*3) при запазване на стандартните размери на чипа, благодарение на нашата оригинална "структура с едновременно заснемане".

Тази нова технология за широк динамичен обхват включва следните технологии:
1.  OPF CMOS технология на заснемащия сензор, при която частта за фотоелектрично преобразуване и схемната част могат да бъдат разработвани независимо една от друга.
2.  Технология за пиксели с двойна чувствителност, при която всеки пиксел съдържа по две клетки с различна чувствителност (една за силна светлина и една за тъмнина), давайки на OPF CMOS сензора изключителна гъвкавост по отношение на наситеността на цветовете и високата чувствителност за постигането на широк динамичен обхват с едновременно заснемане.
3.  Технология за шумопонижение с капацитивна верига, елиминираща шума при нулиране на пикселите, за да бъде подобрено отношението сигнал/шум^[3] при заснемане на тъмни обекти.

Panasonic притежава 58 патента в Япония и 44 патента в чужбина (включително в процес на заявяване), свързани с тази технология.

Panasonic ще представи част от тези технологии на международната академична конференция ISSCC (International Solid-State Circuit Conference) 2016, която ще се проведе в Сан Франциско от 31 януари до 4 февруари, 2016 г.

Забележки:
*1: Към 3 февруари 2016 г., по данни на Panasonic.
*2: Ние използваме органичен фотопроводим материал OPF (Organic Photoconductive Film), разработен от FUJIFILM Corporation.
*3: В сравнение със силициев CMOS заснемащ сензор Panasonic.

Повече за технологиите

1. OPF CMOS технология на заснемащия сензор, при която частта за фотоелектрично преобразуване и схемната част могат да бъдат разработвани независимо една от друга.

Обикновеният заснемащ сензор се състои от силициеви фотодиоди за улавяне на светлината, метални проводници и интегрирани в чипа микролещи. Силициевият фотодиод изпълнява едновременно две функции – фотоелектрично преобразуване и натрупване на електрическите заряди. За разлика от това, при OPF CMOS сензора функцията на фотоелектрично преобразуване се изпълнява от OPF слоя, вместо от силициевия фотодиод, а натрупването на зарядите се извършва в схема под OPF слоя. Двете функции са независими, което дава на OPF CMOS сензора следните предимства:
Увеличаване на ъгъла на падащата светлина до 60 градуса и пресъздаване на богати и прецизни цветове.
Чрез използването на OPF с висок коефициент на поглъщане на светлината ^[4], вместо силициев фотодиод, дебелината на OPF слоя е намалена до само 0.5 микрона – четири до шест пъти по-малка от тази на силициевите фотодиоди. Тъй като обикновеният силициев фотодиод се нуждае от поне 2 - 3 микрона дебелина, ъгълът на падащата светлина е ограничен до около 30 - 40 градуса. Чрез използването на OPF слой, при OPF CMOS сензора този ъгъл е разширен до 60 градуса. Така светлината се използва по-ефективно и цветовете не се смесват, благодарение на което се пресъздават богати и прецизни цветове. Това дава възможност и за по-голяма гъвкавост при изработването на микролещите, конструирането на обективите, както и за цялостно намаляване на размерите на камерите.

1.2 пъти по-висока чувствителност от обикновените силициеви сензори, за пресъздаване на чисти образи, особено при слабо осветление.

Транзисторите и металните проводници във всеки пиксел, изработен с полупроводниковата технология на Panasonic, са покрити с OPF слой. При обикновените заснемащи сензори зоната, върху която попада светлината, е ограничена от металните проводници и от екранирането, предотвратяващо попадане на светлина извън фотодиода. За разлика от това, при OPF CMOS сензора OPF слоят на практика оползотворява цялата светлина, падаща върху сензора. Тази уникална високоефективна структура увеличава чувствителността 1.2 пъти, в сравнение с обикновените силициеви сензори, за пресъздаване на чисти образи, особено при слабо осветление.

Разрез на обикновен BSI (Back Side Illumination) CMOS сензор със задно осветяване и на OPF CMOS сензор

Напълно независими OPF слой и схемна част, и постигане на висока ефективност (висока наситеност)
В архитектурата на OPF CMOS сензора, OPF слоят, който преобразува светлината в електрически сигнали, и схемите, които съхраняват и отчитат електрическите заряди, са реализирани напълно независимо. Това позволява много по-гъвкаво конфигуриране на характеристиките на фотоелектрично преобразуване на OPF слоя, дължината на вълната, чувствителността и др.
Нещо повече, при обикновените заснемащи сензори върху силициевата подложка трябва да бъдат разположени силициевият фотодиод и схемната част (транзистори и кондензатори) за всеки пиксел, затова площта на схемната част е силно ограничена. За разлика от това, при OPF CMOS сензора отпада необходимостта от използване на силициев фотодиод, което позволява реализирането върху силициевата подложка на по-сложни и високоефективни схеми, например такива с по-голямо бързодействие или с по-широк динамичен обхват.
В частност, чрез използване на голям кондензатор за натрупване на заряда, при OPF CMOS сензора коефициентът на насищане^[5] на електрическия сигнал може силно да се увеличи, в сравнение с обикновените сензори.^*3

2.  Технология за пиксели с двойна чувствителност, при която всеки пиксел съдържа по две клетки с различна чувствителност (една за силна светлина и една за тъмнина), давайки на OPF CMOS сензора изключителна гъвкавост по отношение на наситеността на цветовете и високата чувствителност за постигането на широк динамичен обхват с едновременно заснемане.
Всеки отделен пиксел на OPF CMOS сензора съдържа два пикселни електрода с различна чувствителност, два кондензатора с различен капацитет за натрупване на заряда и два типа шумопонижение, като OPF слоят за фотоелектрично преобразуване и кондензаторът за натрупване на заряда се конструират независимо и може да бъде постигната висока степен на наситеност. Светлите и тъмните образи се заснемат едновременно от клетки с различна архитектура. Благодарение на това, може да бъде постигнат 123dB широк динамичен обхват с едновременно заснемане (100 пъти по-широк от динамичния обхват на традиционните силициеви сензори^*3).
Клетка 1: клетка с висока чувствителност
електрод с висока чувствителност + малък кондензатор за натрупване на заряда
+ шумопонижение с капацитивна верига
Клетка 2: клетка с висока наситеност
електрод с ниска чувствителност + голям кондензатор за натрупване на заряда
+ конвенционално шумопонижение

Чрез използването на тази технология, особено във висококонтрастна среда, може да бъде реализирано високопрецизно, високоскоростно заснемане и разпознаване на движенията.

Структура на пиксела за постигане на широк динамичен обхват и ефектът от нейното прилагане

В допълнение, клетката с висока наситеност от „Технологията за пиксели с двойна чувствителност“ винаги съхранява заряда в състояние на ниска чувствителност, освен по време на отчитането. Благодарение на това, не се наблюдава нито LED мигане^[6], нито Луминесцентно мигане^[7], причиняващи характерните проблеми с непълно улавяне на образа при автомобилните камери, телевизионните камери и др.

3.  Технология за шумопонижение с капацитивна верига, елиминираща шума при нулиране на пикселите, за да бъде подобрено отношението сигнал/шум при заснемане на тъмни обекти.

Структурата на OPF CMOS сензора е такава, че OPF слоят и частта за натрупване на заряда са свързани с метален проводник, поради което електрическите заряди не могат да бъдат отчетени изцяло. Това създава шум в точките за натрупване на заряда, породен от неточното отчитане. За да решим този проблем, ние разработихме собствена полупроводникова технология за „Шумопонижение с капацитивна верига“, при която шумът се елиминира от само себе си. Тази технология подтиска шума във всеки пиксел чрез осъществяване на отрицателна обратна връзка за всяка колона. Нещо повече, използването на структура с капацитивна верига подобрява контрола върху отрицателната обратна връзка, с което шумът се подтиска значително, до 1.6 електрона.

Panasonic Corporation ще прилага тази технология при производството на камери за видеонаблюдение, автомобилни камери, телевизионни камери, индустриални камери, цифрови фотоапарати и други заснемащи устройства, и ще продължи да развива функциите за високоскоростно, високопрецизно и високочувствително заснемане на образи.

Технически термини:
[1] Динамичен обхват (Dynamic Range)
Диапазонът от яркости, които могат да бъдат пресъздадени.
(Съотношението между най-голямата и най-малката стойност на яркостта)
[2] Динамичен обхват с едновременно заснемане (Simultaneous-capture Dynamic Range)
Диапазонът от яркости, които могат да бъдат пресъздадени наведнъж.
[3] Сигнал/шум (S/N)
Отношение сигнал/шум – представлява съотношението между силата на сигнала и силата на шума.
[4] Коефициент на поглъщане на светлината (Optical absorption coefficient)
Константна величина, показваща колко от светлината, падаща върху материала, се поглъща от материала.
[5] Коефициент на насищане (Saturation Value)
Максималната стойност на електрически сигнал, който може да бъде обработен.
Ако сигналът надвиши тази стойност, образът става преекспониран.
[6] LED мигане (LED Flicker)
Характерно премигване на образа, в резултат на непълното му заснемане. Причинява се от несъответствието на честотата на светодиодните (LED) светлини (светофари, автомобилни фарове, светещи табели и др.) и скоростта на снимане на камерата.
[7] Луминесцентно мигане (Fluorescent Flicker)
Характерно премигване на образа, в резултат на непълното му заснемане. Причинява се от несъответствието на честотата на луминесцентните светлини (улични лампи, табели и др.) и скоростта на снимане на камерата.

Изображение, заснето с новата технология за широк динамичен обхват

*Съдържанието на съобщенията за пресата е достоверно към момента на публикуването им. То може да бъде променяно без предупреждение. Затова, моля обърнете внимание, че тези документи понякога могат да не съдържат най-актуалната информация.