Dies ist eine Übersetzungsadaption eines Artikels, der von Canon-Ingenieuren im japanischen Journal of Applied Physic und im japanischen Journal of Applied Physics veröffentlicht wurde.Die Verwendung von lichtempfindlichen Matrizen in der Fototechnik ermöglichte es uns, von der Verwendung eines mechanischen Verschlusses und seiner Variationen abzuweichen. Dies ergab einen positiven Effekt: das Fehlen von Vibrationen zum Zeitpunkt des Auslösers und die Fähigkeit, die Aufnahmegeschwindigkeit signifikant zu erhöhen, ohne das Design zu komplizieren. Der Übergang von Fotoausrüstung auf ein neues Niveau hat jedoch neue Probleme mit sich gebracht, die mit Hochgeschwindigkeitsaufnahmen verbunden sind.
Um das Wesen der Schwierigkeiten zu verstehen, ist es notwendig, das Funktionsprinzip von lichtempfindlichen Matrizen zu analysieren.
Wenn wir im Plural von ihnen sprechen, meinen wir Matrizen, die mit verschiedenen Technologien hergestellt wurden. Es gibt Ähnlichkeiten und grundlegende Unterschiede in ihrer Arbeit. Beginnen wir mit den allgemeinen Funktionen. Jede lichtempfindliche Matrix besteht aus einer Reihe von Fotodioden, die den auf sie einfallenden Lichtfluss in ein elektrisches Signal umwandeln. Der Unterschied liegt in der Methode zum Akkumulieren und Lesen von Signalen: Die Belichtungszeit des Bildes wird nicht durch die Zeit bestimmt, zu der der Verschluss geöffnet wird, sondern durch die Zeit zwischen dem Nullstellen der Matrixladung und dem Moment des Lesens von Informationen daraus.
In einer CCD-Matrix wird das Signal zeilenweise ausgelesen, und ein solcher Verschluss wird als Fahr- oder Rollverschluss bezeichnet. Während des zeilenweisen Lesens kann ein sich schnell bewegendes Objekt seine Position ändern, sodass im Bild Verzerrungen auftreten. Und je schneller das Objekt ist, desto größer ist die Bildverzerrung.
Dieses Problem ist teilweise in CMOS-Matrizen gelöst, die in letzter Zeit eine Alternative zu CCD-Matrizen geworden sind. Hier kann das Signal aus jedem Fragment der Matrix und in beliebiger Reihenfolge gelesen werden. Dies erhöht nicht nur die Geschwindigkeit des Datenaustauschs, sondern ermöglicht Ihnen auch den wahlfreien Zugriff auf einzelne Pixel.
Tatsächlich ist die CMOS-Matrix eine integrierte Schaltung, bei der jedes Pixel eine separate Zelle bildet und eine eigene Umreifung aufweist, die die Ladung der Fotodiode direkt im Pixel selbst in Spannung umwandelt. Im Allgemeinen besteht eine Zelle aus:
- Fotodiode;
- elektronischer Verschluss;
- einen Kondensator, der Ladung von der Fotodiode sammelt;
- Signalverstärker;
- Linienlesebusse;
- Signalübertragungsbusse an den Prozessor;
- Signalleitungen zurücksetzen.
Während der Aufnahme wird das Bild durch die Synthese mehrerer Bilder erzeugt. Dies gibt einerseits die Tiefe und Sättigung des Bildes an, andererseits nimmt die Bildqualität ab, wenn bewegte Objekte zittern oder aufgenommen werden. Dies führt zu Unschärfe, einem „Doppelbild“ oder dem Effekt eines laufenden Verschlusses. Der Grund dafür ist der Wechsel der Belichtungs- und Lesevorgänge. Nehmen wir bedingt die Belichtungszeit t. Dann wird zum Zeitpunkt t das erste Bild aufgenommen. In der Periode t + t werden die Daten dieses Rahmens gelesen. Nach dem Zurücksetzen der Matrix wird dann der nächste Rahmen ausgeführt. Somit beträgt der Abstand zwischen den Rahmen t. Diese Situation ähnelt dem Rolling-Shutter-Algorithmus.
Eine der Lösungen für dieses Problem wurde von unseren Entwicklern vorgeschlagen und lautete wie folgt. In einer regulären Zelle der CMOS-Matrix wird ein einzelner Kondensator mit einer Umreifung verwendet, der die Funktion eines Speicherelements erfüllt. Daher befindet sich die Zelle zu jedem Zeitpunkt entweder im Ladezustand dieses Kondensators (Belichtung) oder im Entladezustand (Lesen). In der Zelle unserer Entwicklung werden zwei Speicherelemente verwendet. Aufgrund dessen können zwei Prozesse gleichzeitig ablaufen. Nach dem Aufnehmen des ersten Bildes wird beim Lesen von Daten von einem Speicherelement sofort das nächste Bild mit der Aufnahme auf dem zweiten Speicherelement angezeigt. Dies gewährleistet eine kontinuierliche Aufzeichnung und Bildstabilität.
Die Bedeutung dieser Erfindung ist jedoch nicht nur auf die Kontinuität des Schießens beschränkt. Tatsächlich haben wir verschiedene Betriebsarten des CMOS-Sensors. Es hängt alles von der Prozedur zum Lesen von Pixeln ab.
- Beim Lesen mit einer hohen Bildrate kann eine Pixelsättigung entweder aufgrund einer Mehrfachsättigung der Fotodiode oder aufgrund einer einzelnen Sättigung des Speicherelements auftreten. Gleichzeitig wird Bildschärfe mit Sättigung kombiniert.
- Im Aufnahmemodus mit hoher Sättigung werden zwei Speicherelemente gleichzeitig gefüllt und gelesen. Gleichzeitig wird die Lesefrequenz reduziert, was als Bonus zu einer Verringerung des Gesamtstromverbrauchs führt.
Die Möglichkeit der Mehrfachakkumulation wird genutzt, wenn Serien von Belichtungen durchgeführt werden, beispielsweise wenn kurz und lang gewechselt wird. Gleichzeitig wechseln sich die Speicherelemente ab: Das Signal von Kurzzeitbelichtungen wird auf der einen und auf der anderen Seite lang akkumuliert. Im Vergleich zu einer CMOS-Matrix mit einem Speicherelement und einer Gesamtverschlusszeit, die einer Reihe von 5 kurzen und 4 langen Belichtungen entspricht, beträgt die Verbesserung des Dynamikbereichs etwa 42 dB.
Eine Zunahme des Pixel-Strapping führt zu einer Zunahme des Störrauschens. Um seinen Einfluss zu verringern, sind die Zellelemente diagonal symmetrisch zur Fotodiode angeordnet. Vor dem Einfluss des Lichtflusses sind sie durch einen Lichtschirm geschützt. Nur für die Fotodiode blieb eine Apertur von 1,3 μm übrig. Das auf die Fotodiode einfallende Licht wird mit einer Doppellinseneinheit und einem Lichtleiter fokussiert. Im Block zwischen den Linsen befindet sich ein Farbfilter gemäß der Bayer-Vorlage. Für die Faser wird ein Material mit einem hohen Brechungsindex verwendet. Aufgrund dessen hat die Faser in Form eines umgekehrten Kegels eine geringe Höhe, die drei Schichten Kupferverdrahtung entspricht. Der obere Durchmesser der Faser beträgt 2,4 Mikrometer und der untere 1,1 Mikrometer.
Ein einzelnes Pixel der Matrix besteht nach dem Bayer-Muster aus einem Pixelpaar mit doppelten Speicherzellen. Ein Einheitspixelblock enthält:
- 2 Fotodioden;
- 4 Speicherelemente (Kondensator);
- 13 Transistoren.
Die Gesamtgröße der Matrix beträgt 2676 N × 2200 V, was fast 5,9 Megapixeln entspricht.
Die Vergleichstabelle gibt die Eigenschaften der verschiedenen Lesemodi der entwickelten CMOS-Matrix mit doppeltem Intra-Pixel-Speicher und einer herkömmlichen Matrix mit vergleichbaren Indikatoren an.
Tatsächlich hat der entwickelte CMOS-Bildsensor mit einem Pixelabstand von 3,4 Mikrometern und einem doppelten Intra-Pixel-Speicher etwa 5,3 effektive Megapixel und einen Dynamikbereich von mehr als 110 dB, wenn er in einem einzelnen Bild mit abwechselnder Mehrfachakkumulation belichtet wird. Dieser Modus eignet sich besonders für die Aufnahme von sich bewegenden Objekten und kann in Filmkameras, Bildverarbeitungsgeräten, Automobilen, Luftbildern und Überwachungskameras verwendet werden.