Noua tehnologie permite performante inalte datorita domeniului dinamic extins de captura simultana de 123dB. Aceasta tehnologie va contribui la detectarea precisa a obiectelor iluminate din spate fara distorsiuni temporale

Panasonic Corporation a anuntat azi ca a dezvoltat o noua tehnologie de ^{domeniu dinamic extins[1]} care poate imbunatati domeniul dinamic extins de captura simultana^[2] , acesta fiind de 100 de ori mai mare comparativ cu rezultatele conventionale, utilizand un senzor de imagine CMOS cu film fotoconductiv organic (OPF)^*2.

In cazul unui senzor de imagine CMOS OPF, functia de stocare-sarcina si functia de conversie fotoelectrica pot fi setate independent. Prin utilizarea acestei functii unice a senzorului de imagine CMOS OPF, supraexpunerea poate fi prevenita in situatii de lumina puternica, fara distorsiuni temporale in cazul obiectelor in miscare. Iar o imagine clara, cu texturi bogate, poate fi reprodusa chiar si in situatii de intuneric. Aceste tehnologii permit imagini realizate extrem de precis, la viteza ridicata, fara distorsiuni temporale in cazul scenelor cu contrast ridicat.

Noua tehnologie de domeniu dinamic larg permite realizarea precisa a imaginilor si reproducerea unor tonuri de culoare bogate, chiar si in situatii cu contrast ridicat (scene cu iluminare din spate sau de studio). In plus, sintetizarea unor date de expunere multiple care sunt capturate in momente diferite nu mai este necesara, drept urmare este posibila realizarea unor imagini precise ale obiectelor in miscare la viteza rapida. Ca atare, aceasta tehnologie permite detectarea si realizarea imaginilor la mare viteza, cu precizie ridicata si intr-un domeniu dinamic extins.

Noua tehnologie are urmatoarele avantaje.

1. Unghi de incidenta mare (60 de grade), sensibilitate ridicata, saturatie ridicata si circuite extrem de functionale datorita caracteristicii unice a OPF, in care circuitul OPF pentru conversie fotoelectrica si cel pentru citire sunt independente.
2. Domeniu dinamic extins de captura simultana de 123dB (de 100x mai mare decat in cazul senzorilor de imagine obisnuiti din siliciu^*3), mentinand in acelasi timp o dimensiune conventionala a chip-ului datorita structurii noastre originale de „captura simultana”.

 

Aceasta tehnologie de domeniu dinamic extins include, la randul sau, urmatoarele tehnologii:

1. Tehnologia pentru senzorul de imagine CMOS OPF, in care partea de conversie fotoelectrica si cea a circuitului de citire pot fi proiectate independent.
2. Tehnologie de pixel cu sensibilitate duala care este prevazuta cu doua celule de detectare a sensibilitatii (una pentru luminozitate, una pentru obscuritate) in fiecare pixel, beneficiind de performante de saturatie ridicata si flexibilitatea unei setari de sensibilitate a senzorului de imagine CMOS OPF, pentru a obtine un domeniu dinamic larg de captura simultana.
3. Tehnologie de anulare zgomot cu cuplare capacitiva, care poate anula zgomotul de resetare pixeli pentru a imbunatati caracteristicileS/Z^[3](semnal-zgomot) la inregistrarea scenelor intunecate.

Panasonic detine 58 de patente in Japonia si 44 de patente in alte tari (inclusiv cele in asteptare) asociate acestei tehnologii.

Panasonic va prezenta unele aspecte ale acestor tehnologii la conferinta academica internationala: ISSCC 2016 care va avea loc in San Francisco intre 31 ianuarie – 4 februarie, 2016.

Note:

*1: La 3 februarie, 2016, conform datelor Panasonic.

*2: Utilizam un film fotoconductiv organic (OPF) dezvoltat de FUJIFILM Corporation.

*3: Comparatie cu senzorul de imagine CMOS din siliciu Panasonic.

 

Mai multe informatii privind aceasta tehnologie

 

1. Tehnologia de senzor de imagine CMOS OPF, in care partea de conversie fotoelectrica si cea a circuitului pot fi proiectate independent.

Senzorul de imagine conventional consta dintr-o fotodioda din siliciu pentru captarea luminii, interconexiuni din metal si o microlentila pe chip. Functia de conversie fotoelectrica si functia de stocare-sarcina a semnalului sunt executate de aceasta fotodioda din siliciu. De cealalta parte, in cazul unui senzor de imagine CMOS OPF, functia de conversie fotoelectrica este executata de un OPF in locul fotodiodei din siliciu, iar functia de stocare-sarcina semnal este executata de circuitele aflate sub acest OPF. Ambele functii sunt aproape independente, deci un senzor de imagine CMOS OPF poate avea urmatoarele caracteristici:

Expansiunea domeniului de lumina incidenta la 60 de grade si reproducerea cu fidelitate a culorilor.

Este adoptat un OPF cu coeficient de absorbtie optica ^[4] ridicat in locul fotodiodei din siliciu, iar grosimea OPF a fost redusa la doar 0,5 microni, de patru la sase ori mai subtire decat fotodiodele normale din siliciu. Deoarece fotodioda din siliciu conventionala are nevoie de o grosime de cel putin 2 – 3 microni, domeniul unghiului de incidenta era limitat la 30 – 40 de grade. Un OPF, obtinut cu tehnologia de senzor de imagine CMOS OPF, a permis extinderea acestui domeniu la 60 de grade, utilizand eficient lumina care patrunde in unghi de incidența mare, pentru o reproducere fidela a culorilor fara amestecarea acestora. De asemenea, ofera o flexibilitate mai mare in ceea ce priveste designul obiectivului, facilitand reducerea dimensiunii totale a camerei.

 

 Cresterea sensibilitatii senzorului de 1,2 ori comparativ cu senzorii de imagine din siliciu conventionali, pentru a asigura imagini clare, in special in conditii de lumina redusa.

Tranzistoarele si interconexiunile metalice din fiecare pixel, fabricate utilizand tehnologia de semiconductor Panasonic, sunt acoperite cu OPF. Zona sectiunii care receptioneaza lumina devine limitata in cazul senzorilor de imagine conventionali din cauza existentei interconexiunilor metalice si necesitatii formarii unei pelicule de protectie pentru a preveni incidenta luminii in alte zone decat cea a fotodiodei din fiecare pixel. In schimb, tehnologia de senzor de imagine CMOS OPF acopera senzorul cu un OPF, care profita de intreaga cantitate de lumina receptionata de senzor. Aceasta structura unica si randamentul fotochimic ridicat al OPF amplifica sensibilitatea senzorului de 1,2 ori comparativ cu senzorii de imagine din siliciu conventionali, pentru a asigura imagini clare, in special in conditii de luminozitate redusa.

Imagine transversala a senzorului de imagine CMOS Back Side Illumination (BSI) (iluminare din spate) si a senzorului de imagine CMOS OPF

Design complet independent al OPF si circuitelor si obtinerea unor performante ridicate (saturatie ridicata)

In arhitectura unui senzor de imagine CMOS OPF, zona OPF care face conversia lumina in semnale electrice, si circuitele care stocheaza sarcinile de semnal electric si semnalele electrice pentru citire sunt proiectate complet independent. Drept urmare, prin alegerea unui OPF, caracteristicile de conversie fotoelectrica, lungimea de unda, sensibilitatea etc. pot fi setate in mod flexibil.
In plus, in cazul senzorilor de imagine conventionali, este necesara amplasarea atat a fotodiodei din siliciu, cat si a circuitelor (tranzistoare si condensatoare) pe un substrat de siliciu in fiecare pixel, astfel incat zona circuitelor este limitata. De cealalta parte, in cazul unui senzor de imagine CMOS OPF, nu este necesara amplasarea unei fotodiode din siliciu, deci circuitele de inalta performanta, precum cele de mare viteza sau de domeniu dinamic extins, pot fi formate pe un substrat de siliciu.

In mod special, un senzor de imagine CMOS OPF permite intermediul unui condensator mai mare pentru stocarea sarcinii de semnal,  valoarea de saturatie^[5]  a semnalului electric putand fi crescuta in mod semnificativ in comparație cu senzorii de imagine conventionali^*3.

 

2. Tehnologie de pixel cu sensibilitate duala care este prevazuta cu doua celule de detectare a sensibilitatii (una pentru luminozitate, una pentru obscuritate) in fiecare pixel, beneficiind de performante de saturatie ridicata si flexibilitatea unei setari de sensibilitate a senzorului de imagine CMOS OPF, pentru a obtine un domeniu dinamic extins de captura simultana.

Sunt prevazuti doi electrozi pentru pixel cu sensibilitati diferite, doi condensatori de sarcina de semnal cu capacitati diferite si doua tipuri de circuite de anulare a zgomotului in fiecare pixel utilizand structura speciala de pixeli a senzorului de imagine CMOS OPF, in care zona OPF care este utilizata pentru conversia fotoelectrica si condensatorul utilizat pentru stocarea sarcinii de semnal sunt proiectati complet independent, putand fi obtinute valori ridicate de saturatie. In acest fel, atat scenele luminoase, cat si scenele intunecate sunt inregistrate simultan, utilizand celule cu arhitectura diferita. Drept urmare, poate fi obtinut un domeniu dinamic extins de captura simultana de 123dB (adica de 100x mai larg decat cel al senzorilor de imagine din siliciu obisnuiti^*3).

Celula 1: celula de sensibilitate ridicata

electrod de pixel de inalta sensibilitate + condensator de stocare de capacitate mica

+ functie de anulare zgomot cu cuplare capacitiva

Celula 2: celula de saturatie ridicata

electrod de pixel de joasa sensibilitate + condensator de stocare de capacitate mare

+ functie de anulare zgomot conventionala

Utilizand aceasta tehnologie, in special in situatii cu contrast ridicat, se poate obtine detectarea miscarii si inregistrarea unor imagini extrem de precise, la viteza ridicata.

Structura de pixeli pentru obtinerea unui domeniu dinamic extins si efectul acestuia

In plus, celula de saturatie ridicata a „Tehnologiei de pixel de sensibilitate duala” stocheaza intotdeauna sarcina semnalului intr-o stare de sensibilitate scazuta, cu exceptia momentului citirii. Drept urmare, nu pot aparea fenomenele de  licarire LED^[6] sau licarire fluorescenta^[7], care pot cauza probleme de captura incompleta a imaginii in cazul camerelor montate in vehicule, camerelor de televiziune etc.

 

3. Tehnologie de anulare zgomot cu cuplare capacitiva care poate anula zgomotul de reset al pixelilor pentru a imbunatati caracteristicile de semnal-zgomot ale scenelor intunecate.

Un senzor de imagine CMOS OPF are o structura in care zona OPF si componenta de stocare a sarcinii sunt conectate cu un fir metalic, deci sarcinile care se acumuleaza nu pot fi citite complet. Drept urmare, apare o problema la zgomotul de resetare a pixelului, tinand de nodul de stocare a sarcinii si citiri eronate cu offset de zgomot. Pentru a rezolva aceasta problema, am dezvoltat propria noastra tehnologie de semiconductori si o noua functie originala de anulare a zgomotului cu cuplare capacitiva, obtinand astfel chiar anularea zgomotului de reset. In cadrul acestei functii de anulare, zgomotul de reset al fiecarui pixel poate fi suprimat prin furnizarea unei bucle de reacție negativa pentru fiecare coloana. In plus, utilizand o structura cuplata capacitiv, este posibila imbunatatirea robustetii controlului de reacție negativa si suprimarea semnificativa a zgomotului de reset de pana la 1,6 electroni.

Panasonic Corporation va aplica aceasta tehnologie camerelor de supraveghere, camerelor montate in vehicule, camerelor de televiziune, camerelor de inspectie industriala, camerelor foto digitale si altor dispozitive de inregistrare a imaginilor, contribuind la obtinerea unor functii de detectare si realizare a imaginilor de inalta precizie, la viteza ridicata.

Termeni tehnici:

[1] Domeniu dinamic

Gama de luminozitate care poate fi inregistrata in imagine.

(raportul dintre cele mai ridicate si cele mai joase valori ale luminozitatii)

[2] Domeniu dinamic de captura simultana

Gama de luminozitate care poate fi inregistrata in imagine intr-un moment.

[3] S/Z

Raportul semnal-zgomot, care reprezinta raportul dintre puterea semnalului si puterea zgomotului.

[4] Coeficient de absorbtie optica

O valoare constanta care prezinta cat de mult lumina este absorbita intr-un material, atunci cand lumina incidenta patrunde in material.

[5] Valoare de saturatie

Cantitatea maxima de semnal electric care poate fi procesata.

Daca semnalul depaseste aceasta valoare, imaginea va deveni supraexpusa.

[6] Licarire LED

Fenomen de imagistica rezultand in captura incompleta a imaginii, cauzat de frecventa de pulsație a unui LED (semafor, faruri, reclame luminoase etc.) si viteza de captura a camerei.

[7] Licarire fluorescenta

Fenomen de imagistica rezultand in captura incompleta a imaginii, cauzat de frecventa de pulsație a unui bec fluorescent (lumini rutiere, reclame luminoase etc.) si viteza de captura a camerei.

8 Februarie 2016, Osaka, Japan – Panasonic Corporation