هذا هو ترجمة مقال نشره مهندسو كانون في المجلة اليابانية للفيزياء التطبيقية ، المجلة اليابانية للفيزياء التطبيقية .سمح لنا استخدام المصفوفات الحساسة للضوء في تكنولوجيا التصوير بالابتعاد عن استخدام الغالق الميكانيكي وأشكاله المختلفة. أعطى هذا تأثيرًا إيجابيًا: عدم وجود اهتزازات وقت إطلاق الغالق والقدرة على زيادة سرعة التصوير بشكل كبير دون تعقيد التصميم. لكن نقل معدات التصوير الفوتوغرافي إلى مستوى جديد أدى إلى ظهور مشاكل جديدة مرتبطة بالتصوير عالي السرعة.
لفهم جوهر الصعوبات ، من الضروري تحليل مبدأ تشغيل المصفوفات الحساسة للضوء.
الحديث عنها في صيغة الجمع ، نعني المصفوفات المصنوعة باستخدام تقنيات مختلفة. هناك أوجه تشابه واختلاف أساسي في عملهم. لنبدأ مع الميزات العامة. تتكون أي مصفوفة حساسة للضوء من مجموعة من الثنائيات الضوئية التي تحول حادث تدفق الضوء عليها إلى إشارة كهربائية. يكمن الاختلاف في طريقة تجميع الإشارات وقراءتها: يتم تحديد وقت تعريض الصورة ليس بالوقت الذي يتم فيه فتح مصراع الكاميرا ، ولكن بالوقت بين صفر شحن المصفوفة ولحظة قراءة المعلومات منه.
في مصفوفة اتفاقية مكافحة التصحر ، تتم قراءة الإشارة سطراً سطراً ، ويطلق على هذا المصراع اسم المصراع المتحرك أو المتداول. أثناء القراءة سطراً ، يدير كائن سريع الحركة تغيير الموضع ، لذلك يحدث تشويه في الصورة. وكلما زادت سرعة الكائن ، زاد التشويه في الصورة.
تم حل هذه المشكلة جزئيًا في مصفوفات CMOS ، والتي أصبحت مؤخرًا بديلاً لمصفوفات CCD. هنا ، يمكن قراءة الإشارة من أي جزء من المصفوفة وبأي ترتيب. هذا لا يزيد فقط من سرعة تبادل البيانات ، ولكن يسمح لك أيضًا بالحصول على وصول عشوائي إلى وحدات البكسل الفردية.
في الواقع ، فإن مصفوفة CMOS عبارة عن دائرة متكاملة ، حيث يشكل كل بكسل خلية منفصلة ولديه ربط خاص به يحول شحن الثنائي الضوئي إلى جهد مباشرة في البكسل نفسه. بشكل عام ، تتكون الخلية من:
- الضوئي.
- مصراع الإلكترونية.
- مكثف يجمع الشحن من الثنائي الضوئي ؛
- مضخم إشارة
- الحافلات قراءة الخط ؛
- حافلات نقل إشارة إلى المعالج ؛
- إعادة تعيين خطوط الإشارة.
أثناء التصوير ، تتشكل الصورة بسبب تركيب عدة إطارات. من ناحية ، يمنح ذلك عمق الصورة وتشبعها ، لكن من ناحية أخرى ، عندما تنفجر الأجسام المتحركة أو تلتقطها ، تنخفض جودة الصورة. هذا يترجم إلى طمس ، صورة "مزدوجة" أو تأثير مصراع قيد التشغيل. السبب في ذلك هو تناوب عمليات التعرض والقراءة. دعونا نأخذ مشروطا لوقت التعرض ر. ثم في الوقت t ، يتم إطلاق الإطار الأول. في الفترة t + t ، تتم قراءة بيانات هذا الإطار. ثم ، بعد إعادة ضبط المصفوفة ، يتم تنفيذ الإطار التالي. وبالتالي ، فإن الفجوة بين الإطارات هي ر. يشبه هذا الموقف خوارزمية مصراع الدرفلة.
تم اقتراح أحد الحلول لهذه المشكلة من قِبل مطوري البرامج ، وكانت كما يلي. في خلية عادية من مصفوفة CMOS ، يتم استخدام مكثف واحد مع الربط الذي يؤدي وظيفة عنصر الذاكرة ، وبالتالي ، في أي وقت من الأوقات ، تكون الخلية إما في حالة شحن هذا المكثف (التعرض) أو التفريغ (القراءة). في خلية تطورنا ، يتم استخدام عنصرين من الذاكرة. نتيجة لهذا ، يمكن أن تحدث عمليتان في وقت واحد. بعد التقاط الإطار الأول ، أثناء قراءة البيانات من عنصر ذاكرة واحد ، يتم عرض الإطار التالي على الفور مع التسجيل على عنصر الذاكرة الثاني. هذا يضمن التسجيل المستمر واستقرار الصورة.
ومع ذلك ، فإن معنى هذا الاختراع لا يقتصر فقط على استمرارية إطلاق النار. في الواقع ، لقد حصلنا على عدة طرق مختلفة لتشغيل مستشعر CMOS. كل هذا يتوقف على الإجراء لقراءة بكسل.
- عند القراءة بمعدل إطار مرتفع ، يمكن أن يحدث تشبع البكسل إما بسبب تشبع متعدد للثنائي الضوئي أو تشبع واحد لعنصر الذاكرة. في الوقت نفسه ، يتم دمج وضوح الصورة مع التشبع.
- في وضع التصوير مع التشبع العالي ، يتم ملء عنصرين تخزين وقراءتهما في وقت واحد. في الوقت نفسه ، يتم تقليل تكرار القراءة ، مما يؤدي إلى انخفاض إجمالي استهلاك الطاقة على سبيل المكافأة.
يتم استخدام إمكانية تراكم متعددة عند إجراء سلسلة من التعرضات ، على سبيل المثال ، عند التناوب القصير والطويل. في الوقت نفسه ، تتناوب عناصر التخزين: من ناحية ، يتم تجميع إشارة التعرضات القصيرة ، ومن ناحية أخرى ، العمليات الطويلة. عند مقارنة مصفوفة CMOS بعنصر تخزين واحد وسرعة مصراع إجمالية مساوية لسلسلة من 5 حالات تعريض قصيرة و 4 حالات طويلة ، يبلغ التحسن في النطاق الديناميكي حوالي 42 ديسيبل.
تؤدي الزيادة في ربط البكسل إلى زيادة في الضوضاء الزائفة. لتقليل تأثيرها ، توجد عناصر الخلية قطريا بشكل متناظر فيما يتعلق الثنائي الضوئي. من تأثير تدفق الضوء ، فهي محمية بواسطة شاشة خفيفة. فقط من أجل الثنائي الضوئي ، بقي فتحة من 1.3 ميكرون. تركز حادثة الضوء على الثنائي الضوئي باستخدام وحدة عدسة مزدوجة ودليل إضاءة. في الكتلة بين العدسات يوجد مرشح لوني وفقًا لقالب باير. يتم استخدام مادة ذات معامل انكسار عالٍ للألياف. نتيجة لهذا ، فإن الألياف في شكل مخروط مقلوب لديه ارتفاع صغير يقابل ثلاث طبقات من الأسلاك النحاسية. القطر العلوي للألياف هو 2.4 ميكرون ، والدنيا 1.1 ميكرون.
يتكون بكسل واحد من المصفوفة ، وفقًا لنموذج باير ، من زوج من البكسل مع خلايا ذاكرة مزدوجة. تتضمن وحدة وحدة البكسل:
- 2 الثنائيات الضوئية.
- 4 عناصر التخزين (مكثف) ؛
- 13 الترانزستورات.
الحجم الكلي للمصفوفة هو 2676 N × 2200 V ، وهو ما يقرب من 5.9 ميجا بكسل.
يعطي الجدول المقارن خصائص أوضاع القراءة المختلفة لمصفوفة CMOS المطورة مع ذاكرة ثنائية البيكسل ومصفوفة تقليدية مع مؤشرات قابلة للمقارنة.
في الواقع ، يحتوي مستشعر صور CMOS المطوّر مع مسافة بكسل تبلغ 3.4 ميكرون مع ذاكرة داخلية ثنائية البيكسلات على حوالي 5.3 ميغابكسل فعّال ونطاق ديناميكي يزيد عن 110 ديسيبل عند كشفه في إطار واحد مع تراكم متعدد بديل. هذا الوضع مناسب بشكل خاص لتصوير الأجسام المتحركة ويمكن استخدامه في كاميرات الأفلام وأجهزة رؤية الكمبيوتر والسيارات والتصوير الجوي وكاميرات المراقبة.