Az új technológia nagy teljesítményű, egyidejű rögzítésre alkalmas 123dB dinamika tartományt tesz lehetővé. E technológiának köszönhetően háttérvilágításnál is időtorzulás nélkül lehetséges a tárgyak leképezése.

Osaka, Japán – A Panasonic Vállalat ma bejelentette, hogy egy organikus fényérzékelő réteggel (OPF) ellátott CMOS képérzékelő alkalmazásával^*2 olyan új széles dinamika tartományt^[1] hozott létre, mely a hagyományosnál 100-szor szélesebb és egyidejű rögzítésre alkalmas^[2].

Az organikus CMOS képérzékelőben a töltéstárolás funkció és a fényelektromos átalakítás funkció külön állítható be. Az organikus CMOS képérzékelő egyedülálló funkciójának köszönhetően a mozgó tárgyak fényben történő túlexponálása időtorzulás nélkül meggátolható. Továbbá sötétben is éles és részletgazdag képek készíthetők. Ezek a technológiák nagy kontrasztú jelenetek nagy sebességű és nagy pontosságú képalkotását teszik lehetővé időtorzulás nélkül.

Az újonnan fejlesztett WDR technológia pontos képalkotást és a színárnyalatok gazdagabb visszaadását teszi lehetővé még nagy kontrasztú körülmények között is (háttérből megvilágított helyszínen vagy stúdiófényben). Ráadásul a különböző időpontokban rögzített exponálási adatok összegyűjtésére sincs szükség, így nagy sebességű mozgó tárgyakat is pontosan le lehet képezni. Ez a technológia tehát nagy sebességű, nagy pontosságú, valamint széles dinamika tartományú képalkotást és érzékelést tesz lehetővé.

Az új technológia az alábbi előnyökkel rendelkezik.
1. Az OPF egyedülálló funkciójának köszönhetően nagy beesési szög (60 fok), nagyfokú érzékenység, nagy színtelítettség és funkcionális áramkörök jellemzik, melyben a fényelektromos átalakítás és a kiolvasási áramkörök egymástól függetlenek.
2. Egyidejű rögzítésre alkalmas, 123dB dinamika tartomány (azaz 100-szor szélesebb, mint egy hétköznapi szilícium alapú képérzékelő^*3), mely megőrizte a hagyományos chip méretét a speciális "egyidejű rögzítési szerkezetnek" köszönhetően.

Ez a WDR technológia az alábbi technológiákat tartalmazza.
1. Organikus CMOS Képérzékelő Technológia, melyben a fényelektromos átalakítási rész és az áramköri rész egymástól függetlenül kialakítható.
2. Dual-Sensitivity (Kettős Érzékenységű) Pixel Technológia: kihasználva az organikus CMOS képérzékelő nagy színtelítettségét és az érzékenység rugalmas beállítását, minden pixelben kettő érzékenység-érzékelő cella található (egyik a világosságot, másik a sötétséget érzékeli) az egyidejű rögzítésre alkalmas széles dinamika tartomány megvalósításáért.
3. Kapacitív Csatolású Zajcsökkentő Technológia, mely képes eltávolítani a reset zajt a sötét tárgyak rögzítése közben fellépő Jel/Zaj arány^[3] javításának érdekében.

A Panasonic 58 japán és 44 külföldi szabadalommal (beleértve a függőben lévőket is) rendelkezik e technológiát illetően.

A technológia néhány alkotórészét a vállalat a 2016-os ISSCC (International Solid-State Circuit Conference) nemzetközi tudományos konferencián mutatja be, melyet január 31. és február 4. között tartanak San Franciscóban.

Megjegyzések:
*1: 2016. február 3-ai adat a Panasonic információi szerint.
*2: Az általunk használt organikus fényérzékelő réteget (OPF) a FUJIFILM Vállalat fejlesztette ki.
*3: Összehasonlítás a Panasonic szilícium alapú CMOS képérzékelőjével.
 További információk a technológiáról

1. Organikus CMOS Képérzékelő Technológia, melyben a fényelektromos átalakítási rész és az áramköri rész egymástól függetlenül kialakíthatók.

A hagyományos képérzékelő egy szilícium fotodiódát (a fény befogásához), fémhuzalozást és egy chipbe épített mikrolencsét tartalmaz; a fényelektromos átalakítási funkciót és a töltéstárolás funkciót is a szilícium fotodióda végzi. Ezzel szemben az organikus CMOS képérzékelőben a fényelektromos átalakítási funkciót a szilícium fotodióda helyett az organikus fényérzékelő réteg, a töltéstárolást pedig az organikus fényérzékelő réteg alatt futó áramkörök végzik. Mindkét funkció független egymástól, így az organikus CMOS képérzékelő az alábbi sajátságokkal rendelkezik.

A beeső fénytartomány 60 fokra való bővítése és a színek élethű visszaadása.
A szilícium fotodióda helyett egy magas optikai abszorpciós együtthatóval ^[4]rendelkező organikus fényérzékelő réteg kerül alkalmazásra, melynek vastagsága csupán 0,5 mikron, ami 4-6-szor vékonyabb a szilícium fotodiódánál. Mivel a hagyományos szilícium fotodióda legalább 2-3 mikron mélységű, a beeső fénytartomány körülbelül 30-40 fokra korlátozódott. Az organikus CMOS képérzékelő technológiának köszönhetően ez a tartomány 60 fokra nőtt, hatékonyan kihasználva a beeső fényt az élethű színek visszaadásáért színkeverés nélkül. Ezen kívül a lencsék tervezésében is nagyobb rugalmasságot nyújt, így lehetőség nyílik a kamerák méretének csökkentésére.

A szenzor 1,2-szer érzékenyebb a hagyományos szilícium képérzékelőkhöz képest, így még sötétben is tiszta kép készíthető.

A Panasonic félvezető technológiáját alkalmazva gyártott tranzisztorok és fémhuzalozás minden pixelben organikus fényérzékelő réteggel van bevonva. A hagyományos képérzékelőkben a fénybefogadó részek területe korlátozottá válik a fémhuzalozás és a fénypajzs kialakításának szükségessége miatt, mely megakadályozza, hogy a pixelekben a fotodiódán kívül másra is essen fény. Ezzel szemben az organikus CMOS képérzékelő technológiában a szenzort organikus fényérzékelő réteggel vonták be, ami így az összes őt érő fényt képes begyűjteni. Az egyedi szerkezetnek és az organikus fényérzékelő réteg magas kvantumhatásfokának köszönhetően a szenzor 1,2-szer érzékenyebb a hagyományos szilícium alapú képérzékelőkhöz képest, így sötétben is tiszta képeket lehet készíteni.

A hagyományos, hátulról megvilágított (BSI) CMOS képérzékelő és az organikus CMOS képérzékelő keresztmetszeti képe

Az organikus fényérzékelő réteg és az áramkörök teljesen független kialakítása és nagy teljesítmény (nagy színtelítettség) létrehozása
Az organikus CMOS képérzékelőben az organikus fényérzékelő réteg, mely a fényt elektromos jelekké alakítja, valamint az áramkörök, melyek az elektromos töltéseket és a kiolvasási elektromos jeleket tárolják, teljesen függetlenül kialakíthatók. Az organikus fényérzékelő réteg kiválasztásával így rugalmasan beállíthatók többek között a fényelektromos átalakítás jellemzői, a hullámhossz vagy az érzékenység.

Továbbá mivel a hagyományos képérzékelőkben a szilícium fotodiódát és az áramköröket (tranzisztorokat és kondenzátorokat) is a szilíciumalapon kell elhelyezni a pixelekben, az áramkörök területe korlátozott. Ezzel szemben az organikus CMOS képérzékelőbe nem kell szilícium fotodiódát helyezni, így a szilíciumalapon nagy teljesítményű, azaz nagy sebességű vagy széles dinamika tartományú áramkörök hozhatók létre.
Az organikus CMOS képérzékelőben a töltéstároláshoz szükséges nagy kondenzátornak köszönhetően az elektromos jel színtelítettségi értéke ^5] jelentősen megemelhető a hagyományos képérzékelőkhöz képest.^*3

2.Dual-Sensitivity (Kettős Érzékenységű) Pixel Technológia: kihasználva az organikus CMOS képérzékelő nagy színtelítettségét és az érzékenység rugalmas beállítását, minden pixelben kettő érzékenység-érzékelő cella található (egyik a világosságot, másik a sötétséget érzékeli) az egyidejű rögzítésre alkalmas széles dinamika tartomány megvalósításáért.
Az organikus CMOS képérzékelő különleges pixel szerkezete két különböző érzékenységű pixel elektródát, két különböző kapacitású töltéskondenzátort és minden pixelben kéttípusú zajcsökkentőt tartalmaz, amiben az organikus fényérzékelő réteg, mely a fényelektromos átalakítást végzi és a kondenzátor, mely a töltéseket tárolja teljesen függetlenül alakíthatók ki, aminek köszönhetően magas színtelítettségi érték valósítható meg. Továbbá a világos és sötét jelenetek egyidejűleg leképezhetők a különböző architektúra celláinak használatával. Tehát 123dB egyidejű rögzítésre alkalmas dinamika tartomány (azaz 100-szor szélesebb, mint a hétköznapi szilícium alapú képérzékelők^*3) hozható létre.
1. cella: nagy érzékenységű cella
nagy érzékenységű pixel elektróda + kis tároló-kondenzátor
+ kapacitív csatolású zajcsökkentő
2. cella: nagy színtelítettségű cella
alacsony érzékenységű pixel elektróda + nagy tároló-kondenzátor
+ hagyományos zajcsökkentő

Főleg nagy kontrasztú helyzetekben ezzel a technológiával nagy pontosságú és nagy sebességű képalkotás, valamint mozgásérzékelés valósítható meg.

Pixel Szerkezet a széles dinamika tartomány és hatásai eléréséhez

Ráadásul a "Dual-Sensitivity Pixel Technológia" nagy színtelítettségű cellája alacsony érzékenységi állapotban mindig eltárolja a töltéseket, kivéve a kiolvasási idő alatt. Így sem LED fény okozta vibrálás ^6], sem fluoreszkáló fény okozta vibrálás ^7], melyek hiányos képalkotást okoznak például járműbe épített kamerák vagy televíziós kamerák esetében, nem fordul elő.

3. Kapacitív Csatolású Zajcsökkentő Technológia, mely képes eltávolítani a reset zajt a sötét tárgyak fotózása közben fellépő Jel/Zaj arány javításának érdekében.

Az organikus CMOS képérzékelőnek olyan szerkezete van, melyben az organikus fényérzékelő réteg és a töltéstárolás rész fémhuzalozással vannak csatlakoztatva, így a felhalmozott töltések teljes kiolvasására nincs lehetőség. Következésképp problémát jelent a töltéstárolás csomóponton található reset zaj, mely a zaj eltolásával (offset) megakadályozza a kiolvasást. A probléma megoldásaként egy saját félvezető technológiát, valamint egy új és különleges "Kapacitív Csatolású Zajcsökkentőt" fejlesztettünk ki, melyek segítségével a reset zaj megszüntethető. Ebben a zajcsökkentőben az egyes pixelek reset zajai az oszlopoknak küldött negatív visszacsatoló hurokkal szüntethetők meg. Továbbá a kapacitív csatolású szerkezetnek köszönhetően javítható a negatív visszacsatolás szabályozásának robusztussága, ugyanakkor a reset zaj jelentősen, akár 1,6 elektronnal csökkenthető.

A Panasonic Vállalat ezt a technológiát megfigyelő kamerákban, járműbe épített kamerákban, televíziós kamerákban, ipari térfigyelő kamerákban, digitális kamerákban és egyéb képalkotó eszközökben fogja alkalmazni, és így közreműködik a nagy sebességű, nagy pontosságú képalkotás és érzékelés funkcióinak megvalósításában.

Szakkifejezések:
[1] Dinamika tartomány
A fény rögzíthető tartománya.
(a legvilágosabb és legsötétebb értékek közötti arány)
[2] Egyidejű rögzítésre alkalmas dinamikatartomány
A fény egy időben rögzíthető tartománya.
[3] S/N - Jel/Zaj arány
Jel/Zaj Arány, mely a jel és a zaj viszonyának arányát mutatja meg.
[4] Optikai abszorpciós együttható
Egy állandó érték, ami azt jelzi, hogy mennyi fényt nyel el egy anyag.
[5] Színtelítettségi érték
A maximálisan kezelhető elektromos jelmennyiség.
Ha a jel meghaladja ezt az értéket, a kép túlexponált lesz.
[6] LED világítás okozta vibrálás
Hiányos képrögzítést eredményező képalkotási jelenség, melyet a LED izzók (közúti lámpa, fényszóró, táblák, stb.) frekvenciája és a kamera képalkotási sebessége okoz.
[7] Fluoreszkáló fények okozta vibrálás
Hiányos képrögzítést eredményező képalkotási jelenség, melyet a fluoreszkáló izzók (közúti lámpák, táblák, stb.) frekvenciája és a kamera képalkotási sebessége okoz.

Rögzített kép az új széles dinamika tartományú technológia felhasználásával

*A következő sajtóközlemények tartalma a megjelenés idejében pontosak, de előzetes bejelentés nélkül változhatnak.  Kérjük, vegye figyelembe, hogy ezért a dokumentumok nem mindig a legfrissebb információt tartalmazzák.