Esta es una traducción-adaptación de un artículo publicado por ingenieros de Canon en el Japanese Journal of Applied Physic, Japanese Journal of Applied Physics.El uso de matrices fotosensibles en tecnología fotográfica nos permitió alejarnos del uso de un obturador mecánico y sus variaciones. Esto dio un efecto positivo: la ausencia de vibraciones en el momento del disparo del obturador y la capacidad de aumentar significativamente la velocidad de disparo sin complicar el diseño. Pero la transición del equipo fotográfico a un nuevo nivel ha traído nuevos problemas asociados con el disparo a alta velocidad.
Para comprender la esencia de las dificultades, es necesario analizar el principio de funcionamiento de las matrices fotosensibles.
Hablando de ellos en plural, nos referimos a matrices hechas con diferentes tecnologías. Hay similitudes y diferencias fundamentales en su trabajo. Comencemos con las características generales. Cualquier matriz fotosensible consiste en un conjunto de fotodiodos que convierten el flujo de luz incidente en una señal eléctrica. La diferencia radica en el método de acumulación y lectura de señales: el tiempo de exposición de la imagen está determinado no por el tiempo en que se abre el obturador, sino por el tiempo entre poner a cero la carga de la matriz y el momento de leer la información de la misma.
En una matriz CCD, la señal se lee línea por línea, y dicho obturador se llama obturador móvil o giratorio. Durante la lectura línea por línea, un objeto que se mueve rápidamente logra cambiar de posición, por lo que se produce distorsión en la imagen. Y cuanto mayor es la velocidad del objeto, mayor es la distorsión en la imagen.
Este problema se resuelve parcialmente en las matrices CMOS, que recientemente se han convertido en una alternativa a las matrices CCD. Aquí, la señal se puede leer desde cualquier fragmento de la matriz y en cualquier orden. Esto no solo aumenta la velocidad del intercambio de datos, sino que también le permite obtener acceso aleatorio a píxeles individuales.
De hecho, la matriz CMOS es un circuito integrado, donde cada píxel forma una celda separada y tiene su propia banda que convierte la carga del fotodiodo en voltaje directamente en el píxel mismo. En general, una celda consta de:
- fotodiodo;
- obturador electrónico;
- un condensador que recoge la carga del fotodiodo;
- amplificador de señal;
- autobuses de lectura en línea;
- buses de transmisión de señal al procesador;
- restablecer líneas de señal.
Durante el disparo, la imagen se forma debido a la síntesis de varios cuadros. Por un lado, esto proporciona la profundidad y la saturación de la imagen, pero por otro lado, cuando se sacude o dispara objetos en movimiento, la calidad de la imagen disminuye. Esto se traduce en desenfoque, una imagen "doble" o el efecto de un obturador en funcionamiento. La razón de esto es la alternancia de los procesos de exposición y lectura. Tomemos condicionalmente el tiempo de exposición t. Luego, en el tiempo t, se dispara el primer cuadro. En el período t + t, se leen los datos de este marco. Luego, después de restablecer la matriz, se ejecuta el siguiente cuadro. Por lo tanto, la brecha entre cuadros es t. Esta situación es similar al algoritmo de persiana enrollable.
Nuestros desarrolladores propusieron una de las soluciones a este problema, y fue la siguiente. En una celda regular de la matriz CMOS, se usa un solo condensador con un flejado que realiza la función de un elemento de memoria; por lo tanto, en cualquier momento, la celda está en el estado de carga de este condensador (exposición) o descarga (lectura). En la célula de nuestro desarrollo, se utilizan dos elementos de memoria. Debido a esto, dos procesos pueden ocurrir simultáneamente. Después de disparar el primer fotograma, mientras lee datos de un elemento de memoria, el siguiente fotograma se muestra inmediatamente con la grabación en el segundo elemento de memoria. Esto asegura la grabación continua y la estabilidad de la imagen.
Sin embargo, el significado de esta invención no se limita solo a la continuidad del disparo. De hecho, obtuvimos varios modos diferentes de operación del sensor CMOS. Todo depende del procedimiento para leer píxeles.
- Cuando se lee a una velocidad de cuadro alta, la saturación de píxeles puede ocurrir debido a una saturación múltiple del fotodiodo o una única saturación del elemento de memoria. Al mismo tiempo, la claridad de la imagen se combina con la saturación.
- En el modo de disparo con alta saturación, dos elementos de almacenamiento se llenan y leen simultáneamente. Al mismo tiempo, la frecuencia de lectura se reduce, lo que como una bonificación da una disminución en el consumo total de energía.
La posibilidad de acumulación múltiple se utiliza cuando se realizan series de exposiciones, por ejemplo, al alternar entre corto y largo. Al mismo tiempo, los elementos de almacenamiento se alternan: en uno, se acumula la señal de exposiciones cortas, y en el otro, en exposiciones largas. Cuando se compara con una matriz CMOS con un elemento de almacenamiento y una velocidad de obturación total igual a una serie de 5 exposiciones cortas y 4 largas, la mejora en el rango dinámico es de aproximadamente 42 dB.
Un aumento en el fleje de píxeles da como resultado un aumento en el ruido espurio. Para reducir su influencia, los elementos celulares se ubican diagonalmente simétricamente con respecto al fotodiodo. De la influencia del flujo de luz están protegidos por una pantalla de luz. Solo para el fotodiodo, se dejó una apertura de 1.3 μm. La luz incidente en el fotodiodo se enfoca utilizando una unidad de doble lente y una guía de luz. En el bloque entre las lentes hay un filtro de color de acuerdo con la plantilla Bayer. Se utiliza un material con un alto índice de refracción para la fibra. Debido a esto, la fibra en forma de cono invertido tiene una altura pequeña correspondiente a tres capas de cableado de cobre. El diámetro superior de la fibra es de 2.4 micras, y el inferior es de 1.1 micras.
Un solo píxel de la matriz, según el patrón de Bayer, consiste en un par de píxeles con celdas de memoria doble. Un bloque de píxeles unitarios incluye:
- 2 fotodiodos;
- 4 elementos de almacenamiento (condensador);
- 13 transistores.
El tamaño total de la matriz es 2676 N × 2200 V, que es casi 5,9 megapíxeles.
La tabla comparativa proporciona las características de los diversos modos de lectura de la matriz CMOS desarrollada con memoria dual intrapíxel y una matriz convencional con indicadores comparables.
De hecho, el sensor de imagen CMOS desarrollado con un paso de píxeles de 3,4 micras con memoria dual intrapíxel tiene aproximadamente 5,3 megapíxeles efectivos y un rango dinámico de más de 110 dB cuando se expone en un solo cuadro con acumulación múltiple alterna. Este modo es especialmente adecuado para disparar objetos en movimiento y se puede utilizar en cámaras de cine, dispositivos de visión por computadora, automóviles, fotografía aérea y cámaras de vigilancia.