Osaka (Japonia), 3 lutego 2016 — Firma Panasonic poinformowała dziś o opracowaniu nowej technologii szerokiego zakresu dynamicznego^[1], umożliwiającej stukrotne poszerzenie zakresu dynamicznego przechwytywania równoległego^[2] w porównaniu z konwencjonalnymi technikami.
Technologia ta jest oparta na zastosowaniu przetwornika obrazu CMOS z organiczną warstwą fotoprzewodzącą (OPF)^*2.
W przetworniku obrazu CMOS z OPF działanie funkcji przechowania ładunku i konwersji fotoelektrycznej można regulować niezależnie. Ta wyjątkowa właściwość przetwornika obrazu CMOS z OPF pozwala unikać prześwietlania w warunkach silnego oświetlenia przy jednoczesnym zachowaniu wiernego odwzorowania upływu czasu w ruchu obiektów. Możliwe jest zarazem zarejestrowanie ostrego i bogatego fakturalnie obrazu nawet w ciemnym otoczeniu. Opracowane technologie umożliwiają wysoce precyzyjne obrazowanie szybko zachodzących procesów w warunkach silnego kontrastu bez przekłamań odwzorowania upływu czasu.

Nowo opracowana technologia szerokiego zakresu dynamicznego pozwala na uzyskiwanie wiernego obrazu o bogatszej kolorystyce nawet w ujęciach silnie skontrastowanych wewnętrznie — z oświetleniem tylnym albo studyjnym. Ponadto eliminuje ona konieczność syntezy danych odpowiadających różnym poziomom naświetlenia i pochodzących z różnych okresów, co przekłada się na precyzyjne odwzorowywanie szybko poruszających się obiektów. Tym samym technologia ta umożliwia wysoce precyzyjne obrazowanie i wykrywanie ruchu w szerokim zakresie dynamicznym z dużą liczbą klatek na sekundę.

Zalety nowej technologii

1. Szeroki kąt padania (60 stopni), duża czułość, wysoki stopień nasycenia i znakomita funkcjonalność obwodów wynikają z wyjątkowej właściwości OPF, uniezależniającej od siebie konwersję fotoelektryczną i obwody odczytowe.
2. Przechwytywanie równoległe w szerokim zakresie dynamicznym 123 dB (stukrotnie szerszym niż uzyskiwany z wykorzystaniem powszechnie stosowanych krzemowych przetworników obrazu^*3) przy zachowaniu standardowej wielkości mikroukładu jest możliwe dzięki opracowanej przez firmę Panasonic „strukturze przechwytywania równoległego”.

Technologie gwarantujące szeroki zakres dynamiczny

1. Technologia przetwornika obrazu CMOS z OPF uniezależniająca układ części odpowiadającej za konwersję fotoelektryczną od konstrukcji części obejmującej obwody.
2. Technologia dwupoziomowej czułości pikseli, polegająca na zastosowaniu w każdym pikselu dwóch komórek detekcyjnych o różnej czułości (jedna przechwytuje jasność, druga odwzorowuje ciemność) oraz wykorzystaniu wysokiego nasycenia i elastyczności regulacji czułości przetwornika obrazu CMOS z OPF w celu uzyskania szerokiego zakresu dynamicznego przechwytywania równoległego.
3. Technologia eliminatora zakłóceń ze sprzężeniem pojemnościowym, zdolna eliminować zakłócenia wynikające z przestawiania pikseli, co przekłada się na polepszenie odstępu psofometrycznego^[3] przy rejestrowaniu ciemnych obiektów.

Panasonic jest posiadaczem 58 patentów japońskich oraz 44 patentów w innych krajach (w tym patentów oczekujących na rejestrację) dotyczących tej technologii.

Firma Panasonic zaprezentuje niektóre spośród wymienionych tu technologii na tegorocznej ISSCC (międzynarodowej konferencji akademickiej na temat monolitycznych układów scalonych), która odbędzie się w San Francisco w dniach od 31 stycznia do 4 lutego 2016 roku.

Uwagi:
*1: Stan na dzień 3 lutego 2016 r., według danych Panasonic
*2: Organiczny film fotoprzewodzący (OPF) opracowany przez FUJIFILM Corporation
*3: W porównaniu z krzemowym przetwornikiem obrazu CMOS firmy Panasonic

Więcej informacji o nowej technologii

1. Technologia przetwornika obrazu CMOS z OPF uniezależniająca układ części odpowiadającej za konwersję fotoelektryczną od konstrukcji części obejmującej obwody

Konwencjonalny przetwornik obrazu składa się z krzemowej fotodiody przechwytującej światło, metalowych złączy oraz umieszczonego na układzie scalonym mikroobiektywu. W tym przypadku zarówno za konwersję fotoelektryczną, jak i za przechowanie ładunku sygnału odpowiada krzemowa fotodioda. Natomiast w przetworniku obrazu CMOS z OPF konwersję fotoelektryczną realizuje OPF (zamiast krzemowej fotodiody), a za przechowanie ładunku sygnału odpowiadają obwody umieszczone poniżej OPF. Procesy te są więc niemal całkowicie niezależne, co przekłada się na opisane poniżej właściwości przetwornika obrazu CMOS z OPF.

Rozszerzenie zakresu kąta padania światła do 60 stopni i wierne odwzorowywanie barw

Zamiast krzemowej fotodiody zastosowano OPF o wysokim współczynniku absorpcji optycznej^[4]. Grubość OPF zmniejszono do zaledwie 0,5 mikrona, czyli cztero- albo nawet sześciokrotnie w porównaniu z krzemowymi fotodiodami. Konwencjonalna fotodioda krzemowa musi mieć 2 do 3 mikronów głębokości, dlatego obsługiwany przez nią zakres kąta padania jest ograniczony do około 30–40 stopni. Organiczny film fotoprzewodzący (OPF) będący elementem technologii przetwornika obrazu CMOS z OPF pozwolił na rozszerzenie tego zakresu do 60 stopni i skuteczne wykorzystanie światła padającego pod kątem do wiernego odwzorowania barw pozbawionego efektu ich wymieszania. Przyczynił się on także do zwiększenia elastyczności w zakresie konstrukcji obiektywu i ułatwił zmniejszenie całkowitych wymiarów kamery.

Zwiększenie czułości przetwornika o 20% w porównaniu z konwencjonalnymi krzemowymi przetwornikami obrazu i wynikająca z tego poprawa wyrazistości obrazu rejestrowanego nawet w warunkach słabego oświetlenia

Tranzystory i metalowe złącza każdego piksela, wytwarzane z zastosowaniem technologii półprzewodnikowej firmy Panasonic, powleka się organicznym filmem fotoprzewodzącym (OPF). W konwencjonalnych przetwornikach obrazu sekcja światłoczuła jest ograniczona ze względu na obecność metalowych złączy i potrzebę zastosowania w każdym pikselu osłon zapobiegających padaniu światła na obszary inne niż sama fotodioda. Natomiast w przypadku technologii przetwornika obrazu CMOS z OPF przetwornik jest powleczony warstwą OPF zdolną do przechwycenia wszelkiego padającego nań światła. W połączeniu z wysoką wydajnością kwantową OPF ta wyjątkowa konstrukcja przyczynia się do zwiększenia czułości przetwornika o 20% w porównaniu z konwencjonalnymi krzemowymi przetwornikami obrazu. Rezultatem jest doskonała wyrazistość obrazu — zwłaszcza rejestrowanego w warunkach słabego oświetlenia.

Przekroje poprzeczne przetworników obrazu CMOS: konwencjonalnego, z przeciwoświetleniem (BSI), oraz nowoczesnego, z OPF

Pełna niezależność budowy OPF i obwodów oraz doskonała wydajność za sprawą wysokiego nasycenia

W ramach architektury przetwornika obrazu CMOS z OPF warstwę OPF przetwarzającą światło na sygnały elektryczne oraz obwody przechowujące ładunki sygnału elektrycznego i odczytujące sygnały elektryczne projektuje się całkowicie niezależnie. Tym samym zastosowanie OPF przekłada się na elastyczność właściwości konwersji fotoelektrycznej, długości fali, czułości i innych parametrów.       

Ponadto w konwencjonalnych przetwornikach obrazu zarówno krzemową fotodiodę, jak i obwody (tranzystory i kondensatory) należy umieścić w każdym pikselu na krzemowym podłożu, co ogranicza powierzchnię obwodów. Natomiast w przypadku przetwornika obrazu CMOS z OPF nie jest konieczne stosowanie krzemowej fotodiody, dzięki czemu obwody wysokosprawne — obsługujące szeroki zakres dynamiczny czy rejestrujące dużą liczbę klatek na sekundę — mogą znajdować się na krzemowym podłożu. W przetworniku obrazu CMOS z OPF możliwe jest w szczególności — za sprawą dużego kondensatora obsługującego przechowywanie ładunku sygnału — znaczne zwiększenie wartości nasycenia^[5] elektrycznego sygnału w porównaniu z konwencjonalnymi przetwornikami obrazu^*3.

2. Technologia dwupoziomowej czułości pikseli, polegająca na zastosowaniu w każdym pikselu dwóch komórek detekcyjnych o różnej czułości (jedna przechwytuje jasność, druga odwzorowuje ciemność) oraz wykorzystaniu wysokiego nasycenia i elastyczności regulacji czułości przetwornika obrazu CMOS z OPF w celu uzyskania szerokiego zakresu dynamicznego przechwytywania równoległego

W przypadku struktury właściwej przetwornikowi obrazu CMOS z OPF każdy piksel obejmuje dwie elektrody o różnej czułości, dwa kondensatory ładunku o różnej pojemności oraz dwojakiego rodzaju eliminatory zakłóceń. OPF obsługujący konwersję fotoelektryczną i kondensator do przechowywania ładunku sygnału projektuje się przy tym zupełnie niezależnie, i możliwe jest uzyskiwanie wysokiego poziomu nasycenia. Jasne i ciemne ujęcia są obrazowane jednocześnie przez różne komórki składające się na architekturę przetwornika, co umożliwia przechwytywanie równoległe w szerokim zakresie dynamicznym 123 dB (stukrotnie szerszym niż uzyskiwany z wykorzystaniem powszechnie stosowanych krzemowych przetworników obrazu^*3).

Komórka 1: duża czułość
elektroda z pikselami o dużej czułości + kondensator o niewielkiej pojemności
+ eliminator zakłóceń ze sprzężeniem pojemnościowym

Komórka 2: duże nasycenie
elektroda z pikselami o niewielkiej czułości + kondensator o dużej pojemności
+ konwencjonalny eliminator zakłóceń

Technologia ta pozwala na wysoce precyzyjne odwzorowywanie obrazu i wykrywanie ruchu przy dużej liczbie klatek na sekundę, zwłaszcza w warunkach silnego kontrastu.

Struktura piksela pozwalająca na uzyskiwanie szerokiego zakresu dynamicznego oraz jego działanie

Ponadto wchodząca w skład technologii dwupoziomowej czułości pikseli komórka o wysokim nasyceniu zawsze — z wyjątkiem okresu odczytu — przechowuje ładunek sygnału w stanie niewielkiej czułości. Dzięki temu można uniknąć zjawisk migotania LED^[6] i migotania fluorescencyjnego^[7], które powodują problem niekompletnego przechwytywania obrazu, występujący w kamerach instalowanych w pojazdach, kamerach do wideokonferencji itp.

3. Technologia eliminatora zakłóceń ze sprzężeniem pojemnościowym, zdolna eliminować zakłócenia wynikające z przestawiania pikseli, co przekłada się na polepszenie odstępu psofometrycznego przy rejestrowaniu ciemnych obiektów

W obrębie struktury przetwornika obrazu CMOS z OPF część OPF i część odpowiadająca za przechowanie ładunku są połączone metalowym przewodem, w związku z czym nie jest możliwy pełen odczyt gromadzących się ładunków. Przekłada się to na problem zakłóceń towarzyszących przestawianiu pikseli, który leży po stronie węzła przechowującego ładunek i wypacza odczyt. Firma Panasonic rozwiązała ten problem i opracowała własną technologię półprzewodnikową, a także  stworzyła nowy, oryginalny „eliminator zakłóceń ze sprzężeniem pojemnościowym”, który pozwolił na wyeliminowanie samych zakłóceń związanych z przestawianiem. W przypadku tego eliminatora zakłócenia związane z przestawianiem mogą być w każdym pikselu tłumione za pomocą pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego w poszczególnych kolumnach. Zastosowanie struktury ze sprzężeniem pojemnościowym umożliwia również poprawę niezawodności kontrolowania ujemnego sprzężenia zwrotnego i znaczące tłumienie zakłóceń związanych z przestawianiem — do 1,6 elektrona.

Firma Panasonic będzie stosować tę technologię w kamerach systemów nadzoru, kamerach pojazdowych i wideokonferencyjnych, kamerach inspekcyjnych, aparatach fotograficznych oraz w innych urządzeniach przeznaczonych do rejestracji obrazu, w celu zapewnienia precyzyjnej rejestracji obrazu z dużą liczbą klatek na sekundę oraz realizowania funkcji wykrywania ruchu.

Słowniczek terminów technicznych

[1] Zakres dynamiczny
Możliwy do zobrazowania zakres jasności
(stosunek najwyższego do najniższego rejestrowanego poziomu jasności).

[2] Zakres dynamiczny przechwytywania równoległego
Zakres jasności możliwy do zobrazowania w danym momencie.

[3] Odstęp psofometryczny
Względny wskaźnik poziomu szumów, odzwierciedlający stosunek siły sygnału do siły szumu.

[4] Współczynnik absorpcji optycznej
Stała opisująca pochłanianą przez materiał ilość padającego nań światła.

[5] Wartość nasycenia
Maksymalna możliwa do przetworzenia wielkość sygnału elektrycznego.
Przekroczenie tego poziomu przez sygnał skutkuje prześwietleniem.

[6] Migotanie LED
Związane z rejestracją obrazu zjawisko skutkujące niezupełnym przechwytywaniem obrazu, wynikające z częstotliwości świateł LED (sygnalizacji świetlnej, reflektorów, znaków itp.) oraz rejestrowanej przez kamerę liczby klatek na sekundę.

[7] Migotanie fluorescencyjne
Związane z rejestracją obrazu zjawisko skutkujące niezupełnym przechwytywaniem obrazu, wynikające z częstotliwości lamp fluorescencyjnych (świetlówek — przydrożnych latarń, znaków itp.) oraz rejestrowanej przez kamerę liczby klatek na sekundę.

Obraz zarejestrowany z wykorzystaniem nowej technologii szerokiego zakresu dynamicznego

* Treść niniejszego komunikatu prasowego była aktualna w momencie publikacji i może ulec zmianie bez zapowiedzi. W związku z tym należy mieć na uwadze fakt, że niektóre zawarte w dokumencie informacje mogą być nieaktualne.

O Panasonic
Panasonic Corporation jest światowym liderem w rozwoju zróżnicowanych technologii elektronicznych oraz rozwiązań z zakresu elektroniki konsumenckiej, motoryzacyjnej, rozwiązań dla dużych przedsiębiorstw oraz urządzeń przemysłowych. Od czasu powstania w 1918 roku firma rozszerzyła swoją obecność na całym świecie i obecnie zarządza ponad 468 filiami oraz 94 przedsiębiorstwami stowarzyszonymi, które w roku finansowym, zakończonym 31 marca 2015 r., zanotowały skonsolidowaną sprzedaż netto w wysokości 7,715 bilionów jenów. Poświęcając się tworzeniu nowych wartości poprzez innowacje we wszystkich grupach produktowych, firma wykorzystuje nowe technologie, aby zapewnić lepsze życie i lepszy świat dla swoich klientów. Więcej informacji o firmie Panasonic znajduje się pod adresem http://panasonic.com/.

Panasonic Polska – znajdź nas online!
http://www.facebook.com/panasonicpolska
http://www.youtube.com/PanasonicPolska
http://www.panasonic.com
http://www.lumixgexperience.pl/