پاناسونیک اولین سنسور دیافراگم ارگانیک با رزولوشن 8K را معرفی کرد

پاناسونیک اخیرا تکنولوژی جدیدی توسعه داده است که رزولوشن 8K، نرخ ۶۰ فریم بر ثانیه، ۴۵۰ هزار الکترون با اشباع ‌بالا و تصویربرداری با شاتر جهانی (۱) با کاربرد همزمان مدولاسیون حساسیت (۲)، با استفاده از یک سنسور تصویر CMOS یا یک فیلم فوتوکاتالیستی ارگانیک (OPF) را محقق می‌کند. در سنسور تصویر OPF CMOS، بخش تبدیل فوتوالکتریک و بخش مدار از یکدیگر مستقل هستند. با بهره‌مندی از ساختار منحصر‌به‌فرد این سنسور، قادریم فناوری حذف نویز با سرعت بالا و فناوری غلظت بالا را در بخش مدار توسعه و ترکیب کنیم. همچنین با استفاده از عملکرد کنترل حساسیت منحصربه‌فرد این سنسور برای تغییر ولتاژ اعمال‌شده به OPF، به عملکرد شاتر جهانی پی می‌بریم. برای اولین بار است که یک فناوری به‌طور همزمان به این قابلیت‌ها در صنعت دست پیدا می‌کند.

با این فناوری می‌توان تصاویر با رزولوشن بالای 8K، حتی در صحنه‌های دارای کنتراست بالا مانند زمین فوتبال در زیر نور شدید آفتاب یا صندلی‌های در سایه‌ی ایجادشده توسط سقف استادیوم را ثبت کرد. علاوه بر این، انتظار می‌رود با بهره‌گیری از عملکرد شاتر جهانی که امکان ثبت تصویر توسط تمام پیکسل‌ها به‌صورت همزمان را فراهم می‌کند، قادر به ثبت فوری سوژه‌های در حال حرکت، بدون اعوجاج باشیم. به‌ علاوه، به‌طور معمول حتی در صحنه‌هایی که بر اساس موقعیت‌های ضبط نیاز به استفاده از فیلتر‌های ان‌دی (۳) مختلف است، این فناوری به یک کاربرد فیلتر جدید کنترل‌شده‌ی الکترونیکی متغیر ND پی می‌برد که سبب تنظیمات آهسته‌ی حساسیت OPF تنها از طریق کنترل ولتاژ اعمال‌شده به آن می‌شود.

این فناوری جدید مزایای زیر را به‌دنبال دارد:

توسعه این سنسور بر اساس فناوری‌های زیر است:

۱-  طراحی سنسور تصویر OPF CMOS

 در این فناوری بخش تبدیل فوتوالکترونیک و بخش مدار را می‌توان به‌طور مستقل طراحی کرد. سنسور تصویر OPF CMOS دارای ساختار منحصر‌به‌فردی است که در آن، OPF نقش تبدیل یک فوتوالکترونیک را انجام می‌دهد و منطقه‌ی مدار شارژ خازن‌ها و بازخوانی سیگنال را کاملا به‌طور مستقل اجرا می‌کند. با استفاده از ساختار سنسور تصویر OPF CMOS، فناوری حذف نویز با سرعت بالا و فناوری غلظت بالای رنگ در منطقه‌ی مدار با فضای وسیع قابل دسترس توسعه داده‌ شده است. در نتیجه‌ی آن، شناسایی همزمان رزولوشن 8K، نرخ بازخوانی ۶۰ فریم بر ثانیه، محدوده‌ی دینامیکی گسترده (۴) و عملکرد شاتر جهانی که معمولا تغییر می‌کنند نیز ممکن شده است.

مقایسه سنسور BSI CMOS معمولی (سمت چپ)، با سنسور تصویر جدید OPF CMOS پاناسونیک (راست). توجه کنید که چطور لایه‌ی نازک OPF با فوتودیود سیلیکونی سنتی مقایسه شده است. 

۲- روش حذف نویز خازنی در پیکسل

 این فناوری می‌تواند نویز پیکسل در سرعت و حتی رزولوشن بالا را برطرف کند. از آنجایی که سنسور تصویر OPF CMOS دارای ساختاری است که در آن OPF و بخش خازن توسط رابط‌های فلزی به یکدیگر متصل شده‌اند، بارهای الکتریکی انباشته‌شده نمی‌توانند به‌طور کامل بازخوانی شوند. بنابراین، مشکلی وجود دارد که تحت تأثیر تنظیم مجدد نویز در زمان بازنشانی پیکسل (گره شارژ حافظه‌ی ذخیره‌سازی) به‌وجود می‌آید. همچنین در یک سنسور با رزولوشن بالا، نظیر سنسور 8K، بارگیری‌های بزرگ متجاوز از ۴۰۰۰ پیکسل در جهت عمودی به‌طور همزمان به‌عنوان زمان حذف نویز در ردیف یکدیگر قرار می‌گیرند؛ بنابراین زمان طولانی‌ که برای از بین بردن نویز صرف می‌شود خود مشکل مهمی است. از این‌رو، ساختار جدیدی توسعه داده‌ شده که حتی زمانی که پیکسل‌های با رزولوشن بالا مجبور به انباشته شدن هستند، با استفاده از فناوری نیمه‌هادی پاناسونیک و فناوری جدید توسعه داده‌شده‌ی «روش حذف نویز خازنی در پیکسل» نویز را با سرعت بالایی حذف می‌کند. در این ساختار، تنظیم مجدد نیز با استفاده از حلقه‌ی بازخورد منفی ارائه شده برای هر پیکسل سرکوب می‌شود.

۳-  تقویت سوئیچ درون پیکسل

 این تکنیک می‌تواند ویژگی‌های غلظت بالا را دریافت کند. در سنسور تصویر OPF CMOS، با ترکیب یک خازن بزرگ در بخش مدار با یک منطقه‌ی بزرگ قابل دسترس، این امکان وجود دارد که هر دو حالت حساسیت و غلظت بالا با ساختار پیکسلی یکسان تنها از طریق تغییر حالت‌ها از سیستم دوربین به‌دست آید. در حالت حساسیت بالا، این امکان وجود دارد که داده‌ها را تا شدت نور ۴۵۰۰ الکترون با حساسیت بالا ثبت کرد. به این ترتیب، از آنجایی‌ که حالت غلظت بالا می‌تواند تا ۱۰ برابر حالت حساسیت بالا را جذب کند، این امکان به وجود می‌آید تا ساختار پیچیده‌ی لامپ‌های رشته‌ای را به وضوح نشان داد درحالی که به دلیل نوردهی بیش‌ از حد در حالت حساسیت بالا بخش روشن را نمی‌توان دید (Fig. 3 a). حتی در صحنه‌ای با کنتراست بالا مانند عکسی که در Fig. 5 نشان داده شده، می‌توان جزئیات حالات چهره‌ی شخص در سایه‌ی ایجادشده توسط سقف استادیوم تا آسمان آبی و ابر‌ها را در یک روز تابستانی دریافت کرد؛ یا همانند Fig. 6 می‌توان از یک اتاق کم‌نور تا باغ آفتابی پشت آن بدون نوردهی اضافه یا عدم نوردهی مناسب تصاویر درخشان و باکیفیتی ثبت کرد.

۴- مدولاسیون حساسیت کنترل‌شده‌ی ولتاژ

این فناوری می‌تواند حساسیت را با تغییر ولتاژ اعمال‌شده به OPF تنظیم کند. سنسور تصویر OPF CMOS می‌تواند حساسیت OPF را به‌سادگی با کنترل ولتاژ اعمال‌شده به OPF تغییر دهد. با بهره‌بردن از این فناوری، می‌توانیم ویژگی‌های زیر را که با سنسور‌های تصویر سیلیکونی معمولی ممکن نیستند عملی کنیم.

مثال ۱: ویژگی شاتر جهانی که می‌تواند تمام پیکسل‌ها را به صورت هم‌زمان با رزولوشن 8K ضبط کند.

با کنترل ON/OFF ولتاژ اعمال شده به OPF و کنترل حساسیت OPF، درمی‌یابیم که «عملکرد شاتر جهانی» قادر به تصویربرداری از تمام پیکسل‌ها حتی تعداد زیادی از پیکسل‌ها مانند سنسور 8K به‌صورت همزمان است. همان‌طور که در شکل (Fig. 3 b-43 rumors) نشان داده شده است، با ثبت تصاویر توسط ویژگی شاتر جهانی، حروف روی بدنه‌ی در حال چرخش بدون اعوجاج و کاملا واضح است. به علاوه، همان‌طور که در Fig. 7 نشان داده شده، حتی در زمان ثبت تصویر از اشیاء در حال حرکت با سرعت بالا، مانند ماشینی که با سرعت بالا در بزرگ‌راه در حال حرکت است، ثبت تصاویر بدون اعوجاج امکان‌پذیر خواهد بود.

در سنسور تصویر سیلیکونی از نوع شاتر جهانی معمولی، لازم است عناصر جدید، مانند مدارهای انتقال و خازن‌های حاوی بار الکتریکی را به منظور انباشته کردن بارهای الکتریکی در تمام پیکسل‌ها اضافه کنید. در نتیجه، ناحیه فوتودیود و مدارهای اضافه باید برای فضا رقابت کنند، مشکلی که وجود دارد بدین شکل است که نه می‌توان اندازه‌ی پیکسل را کاهش داد و نه مقدار الکترون‌های اشباع شده را افزایش داد. به عبارت دیگر، از آنجایی که در سنسور تصویر OPF CMOS نیازی به عناصر اضافه وجود ندارد، شناسایی سنسورهای با رزولوشن بالا و با سلول‌های کوچک امکان‌پذبر خواهد بود.همچنین با قرار دادن خازن‌های بزرگ در بخش مدار با یک منطقه وسیع قابل دسترس، تصویربرداری دقیق بدون اعوجاج از صحنه‌های تاریک تا صحنه‌های به‌شدت روشن نیز ممکن است. برای مثال، همان‌طور که در Fig. 9 نشان داده شده، زمانی‌که از آسمان‌خراش‌ها با استفاده از سنسور تصویر OPF CMOS در حال پَنینگ (۵) با سرعت بالا (۴۳) عکس گرفته شده، حتی در صحنه‌هایی با کنتراست بالا مانند آسمان روشن و پنجره‌های تاریک، دریافت داده‌های تصویری با حفظ تمامی جزئیات رنگ‌ها از کل منطقه بدون اعوجاج امکان‌پذیر است.

مثال ۲: فناوری فیلتر ND الکتریکی می‌تواند حساسیت را به‌طور پیوسته و مداوم تغییر دهد.

به‌طور معمول لازم است تا مجموعه‌ای از فلترهای ND را مطابق با شرایط عکاسی تهیه کنیم و بارها آن‌ها را تغییر دهیم. به عبارت دیگر، در سنسور تصویر OPF CMOS، تنها با کنترل ولتاژ اعمال‌شده به OPF (ویتو در Fig. 8) و تغییر حساسیت OPF به مقدار مورد نظر، اجرای ویژگی فیلتر الکتریکی ND ممکن خواهد شد. با استفاده از این ویژگی، می‌توان تجهیزات عکاسی را ساده‌تر کرد، همچنین می‌توان به‌طور مداوم و پیوسته حساسیت را کنترل کرد؛ درحالیکه امکان تحقق آن با یک سنسور سیلیکونی معمولی وجود ندارد. بنابراین امکان ثبت تصویر بر اساس موقعیت صحنه گسترش می‌یابد.

در آینده از فناوری سنسور تصویر OPF CMOS در کاربردهای گوناگونی نظیر دوربین‌های پخش، دوربین‌‌های نظارتی، دوربین‌های بازرسی صنعتی، دوربین‌های خودرو و ... بهره خواهیم برد. همچنین از این سنسور در زمینه‌های عکس‌برداری با وضوح بالا، سرعت و دقت بالا و کاربردهای حسی استفاده خواهیم کرد.

اصطلاحات فنی

(۱) گلوبال شاتر یا شاتر جهانی (Global shutter): عملیات شاتر که می‌تواند تصویر را هم‌زمان با تمام پیکسل‌ها بگیرد. سنسور‌های تصویر CMOS ارگانیک در حالت شاتر چرخشی عمل می‌کنند که در آن عملیات شاتر و نوردهی به صورت ردیف به ردیف انجام می‌شود.

(۲) مدولاسیون حساسیت: بازده تبدیل فوتوالکتریک با توجه به کنترل تغییر می‌کند. در سنسور تصویر OPF CMOS، بازده تبدیل فوتوالکتریک را می‌توان با کنترل ولتاژ اعمال شده به OPF تغییر داد.

(۳) فیلتر ND: یک فیلتر که به‌طور یکنواخت نور را در محدوده‌ی قابل مشاهده جذب می‌کند و تنها شدت نور را بدون اثرگذاری روی رنگ کاهش می‌دهد.

(۴) محدوده دینامیکی: نسبت کم‌ترین و بیشترین مقدار روشنایی که می‌تواند به تصویر تبدیل شود.

(۵) پَنینگ: یک روش برای ثبت صحنه‌های وسیع با حرکت دادن قاب در جهت افقی با یک دوربین ثابت که تکنیکی رایج در ضبط ویدئو محسوب می‌شود.