Egyelőre még csak fejlesztési szinten áll a Panasonic organikus CMOS szenzora, amely global shuttert és gyors működést ígér, de hamarosan tömeggyártásba is kerülhetnek az első ilyen képérzékelők.
Ahhoz, hogy értsük, miért is jó a Panasonic új szenzora, kicsit el kell merülnünk a szenzorok működésében, illetve működési módjaiban. A CCD-k esetében felépítésükből adódóan nem jelent komolyabb nehézséget olyan szenzort építeni, amelynek az elektronikus zárja egyszerre zárja le a fényérzékelést, majd ezt követi a képi adatok kiolvasása. Amikor a szenzor egész felületén egyszerre következik be a fényérzékelés leállítása, global shutter megoldásnak nevezzük.
A CCD-k mellett ma már sokkal elterjedtebbek a CMOS technológiával gyártott képérzékelő szenzorok, amelyeknél viszont az expozíció végét kiváltó elektronikus zár gyakorlatilag megegyezik a képi információ kiolvasásával (nincs külön zár funkció, maga a pixel kiolvasása eredményezi annak törlését és fényérzékelésének újraindítását). Mivel a képi adatok sorról sorra olvashatók ki, így ezt a megoldást rolling shutternek, azaz gördülő zárnak nevezi a szakirodalom.
De mi a baj a gördülő zárral? Nos, amíg nincs gyorsan mozgó téma a képen, addig semmi. Amint azonban gyors mozgású téma kerül a képre, a rolling shutter torzítja annak megjelenését. Ez az ún. jello effektus, amely leginkább gyorsan mozgó közlekedési eszközből kifotózva érhető tetten a téglalap alakú tárgyak paralelogramma szerű megjelenésében, illetve a légcsavarok bizonyos fotókon és videókon látható furcsa deformálódását is ez okozza.
A global shutter kialakítása a CMOS szenzorokon jóval problémásabb, mint a CCD-kben, főleg a kis pixelméretek esetén. De egy organikus filmrétegnek (organic photoconductive film – OPF) köszönhetően a Panasonicnak sikerült megoldást találnia erre a problémára is.
Míg a hagyományos képérzékelőkben a fotonok begyűjtését és elektronok felszabadítását is ugyanaz a fotódióda végzi, mint amelyik a töltések tárolásáért felelős, az új megoldásban a fotonok mozgási energiája révén az elektronok felszabadítását az organikus filmréteg végzi, míg a töltések begyűjtését két külön csatornán vezérelhető áramkör oldja meg. Ráadásul mivel az organikus filmréteg vastagsága csupán 0,5 mikron, szemben egy fotodióda 2-3 mikronjával, a szenzor hatékonysága is javul (a korábbi 30-40 fokos beesési szög igény 60 fokra emelkedik), így érzékenysége is magasabb lesz.
A global shutteres organikus CMOS szenzorok pontos piacra kerüléséről nem adott információt a japán elektronikai gyáróriás, de nagy valószínűséggel első körben a mozgásérzékelős biztonsági kamerákban, illetve az intelligens autós kamerákban (amelyek pl. a sávtartást, vagy az automatikus fékezést irányítják), valamint forgalomirányításban kapnak majd szerepet.
Sajtóközlemény:
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 olyan új széles dinamika tartományt hozott létre, mely a hagyományosnál 100-szor szélesebb és egyidejű rögzítésre alkalmas (az általunk használt organikus fényérzékelő réteget (OPF) a FUJIFILM fejlesztette ki.).
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.
- 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.
- 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.
- Organikus CMOS Képérzékelő Technológia, melyben a fényelektromos átalakítási rész és az áramköri rész egymástól függetlenül kialakítható.
- 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.
- Kapacitív Csatolású Zajcsökkentő Technológia, mely képes eltávolítani a reset zajt a sötét tárgyak rögzítése közben fellépő Jel/Zaj arány 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.
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 (egy állandó, ami azt jelzi, hogy mennyi fényt nyel el egy anyag) 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 jelentősen megemelhető a hagyományos képérzékelőkhöz képest.
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) hozható létre.
Főleg nagy kontrasztú helyzetekben ezzel a technológiával nagy pontosságú és nagy sebességű képalkotás, valamint mozgásérzékelés valósítható meg. 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 , sem fluoreszkáló fény okozta vibrálás , 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.
