नई CMOS सेंसर चलती वस्तु क्षमताओं को बढ़ाता है

यह कैनन जर्नल द्वारा एप्लाइड फिजिक के जापानी जर्नल, एप्लाइड फिजिक्स के जापानी जर्नल में प्रकाशित लेख का अनुवाद-अनुकूलन है।

फोटोग्राफिक तकनीक में सहज मैट्रीस के उपयोग ने हमें एक यांत्रिक शटर के उपयोग और इसकी विविधताओं से दूर जाने की अनुमति दी। इसने एक सकारात्मक प्रभाव दिया: शटर रिलीज के समय कंपन की अनुपस्थिति और डिजाइन को जटिल किए बिना शूटिंग की गति को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाने की क्षमता। लेकिन फोटोग्राफिक उपकरणों के एक नए स्तर पर परिवर्तन से नई समस्याएं पैदा हुई हैं जो उच्च गति की शूटिंग से जुड़ी हैं।



कठिनाइयों के सार को समझने के लिए, सहज मैट्रीस के संचालन के सिद्धांत का विश्लेषण करना आवश्यक है। उन्हें बहुवचन में बोलते हुए, हमारा मतलब है कि विभिन्न तकनीकों का उपयोग करके बनाए गए मैट्रिस। उनके काम में समानताएं और बुनियादी अंतर हैं। आइए सामान्य सुविधाओं के साथ शुरू करें। किसी भी सहज मैट्रिक्स में फोटोडायोड का एक सेट होता है जो उन पर प्रकाश प्रवाह की घटना को विद्युत संकेत में परिवर्तित करता है। अंतर संकेतों को जमा करने और पढ़ने की विधि में निहित है: छवि का एक्सपोज़र समय उस समय से निर्धारित होता है जिसके द्वारा शटर खुलता है, लेकिन मैट्रिक्स चार्ज को शून्य करने और उस से जानकारी पढ़ने के क्षण के बीच।

एक सीसीडी मैट्रिक्स में, एक सिग्नल लाइन द्वारा लाइन से बाहर पढ़ा जाता है, और इस तरह के शटर को यात्रा या रोलिंग शटर कहा जाता है। लाइन-बाय-लाइन रीडिंग के दौरान, एक तेज़ गति वाली वस्तु स्थिति को बदलने का प्रबंधन करती है, इसलिए चित्र में विरूपण होता है। और वस्तु की गति जितनी अधिक होगी, चित्र में विकृति उतनी ही अधिक होगी।

यह समस्या आंशिक रूप से सीएमओएस मैट्रिस में हल हो गई है, जो हाल ही में सीसीडी मैट्रिस के लिए एक विकल्प बन गई है। यहां, संकेत को मैट्रिक्स के किसी भी टुकड़े से और किसी भी क्रम में पढ़ा जा सकता है। यह न केवल डेटा विनिमय की गति को बढ़ाता है, बल्कि आपको व्यक्तिगत पिक्सल तक यादृच्छिक पहुंच प्राप्त करने की अनुमति देता है।

वास्तव में, सीएमओएस मैट्रिक्स एक एकीकृत सर्किट है, जहां प्रत्येक पिक्सेल एक अलग सेल बनाता है और इसकी अपनी स्ट्रैपिंग होती है जो फोटोडियोड के आवेश को सीधे पिक्सेल में ही वोल्टेज में परिवर्तित कर देती है। सामान्य तौर पर, एक सेल में निम्न शामिल होते हैं:

• फोटोडायोड;
• इलेक्ट्रॉनिक शटर;
• एक संधारित्र जो फोटोडायोड से चार्ज एकत्र करता है;
• सिग्नल एम्पलीफायर;
• लाइन रीडिंग बसें;
• प्रोसेसर के लिए सिग्नल ट्रांसमिशन बसें;
• सिग्नल लाइनों को रीसेट करें।

शूटिंग के दौरान, छवि कई फ़्रेमों के संश्लेषण के कारण बनती है। एक ओर, यह छवि की गहराई और संतृप्ति देता है, लेकिन दूसरी ओर, जब चलती वस्तुओं को चिढ़ाना या शूटिंग करना, छवि की गुणवत्ता कम हो जाती है। यह ब्लर, "डबल" इमेज या रनिंग शटर के प्रभाव में बदल जाता है। इसका कारण एक्सपोज़र और रीडिंग की प्रक्रियाओं का विकल्प है। हमें सशर्त समय टी के लिए सशर्त रूप से लेना चाहिए। फिर समय टी पर, पहले फ्रेम को गोली मार दी जाती है। टी + टी की अवधि में, इस फ्रेम का डेटा पढ़ा जाता है। फिर, मैट्रिक्स को रीसेट करने के बाद, अगले फ्रेम को निष्पादित किया जाता है। इस प्रकार, फ़्रेम के बीच का अंतर टी है। यह स्थिति रोलिंग शटर एल्गोरिदम के समान है।

इस समस्या का एक समाधान हमारे डेवलपर्स द्वारा प्रस्तावित किया गया था, और यह इस प्रकार था। सीएमओएस मैट्रिक्स के एक नियमित सेल में, स्ट्रैपिंग के साथ एक एकल संधारित्र का उपयोग किया जाता है जो एक मेमोरी तत्व का कार्य करता है; इसलिए, किसी भी समय, सेल या तो इस संधारित्र (एक्सपोज़र) या डिस्चार्ज (पढ़ने) के प्रभार में है। हमारे विकास के सेल में, दो मेमोरी तत्वों का उपयोग किया जाता है। इसके कारण, दो प्रक्रियाएं एक साथ हो सकती हैं। पहला फ्रेम शूट करने के बाद, एक मेमोरी एलिमेंट से डेटा पढ़ते हुए, अगले फ्रेम को तुरंत दूसरे मेमोरी एलिमेंट पर रिकॉर्डिंग के साथ प्रदर्शित किया जाता है। यह निरंतर रिकॉर्डिंग और छवि स्थिरता सुनिश्चित करता है।

हालांकि, इस आविष्कार का अर्थ केवल शूटिंग की निरंतरता तक सीमित नहीं है। वास्तव में, हमें CMOS सेंसर के संचालन के कई अलग-अलग तरीके मिले। यह सब पिक्सेल पढ़ने की प्रक्रिया पर निर्भर करता है।

• उच्च फ्रेम दर पर पढ़ते समय, पिक्सेल संतृप्ति फोटोडायोड के कई संतृप्ति, या मेमोरी तत्व के एकल संतृप्ति के कारण हो सकती है। इसी समय, छवि स्पष्टता को संतृप्ति के साथ जोड़ा जाता है।
• उच्च संतृप्ति के साथ शूटिंग मोड में, दो भंडारण तत्व भरे हुए हैं और एक साथ पढ़े जाते हैं। उसी समय, पढ़ने की आवृत्ति कम हो जाती है, जो बोनस के रूप में कुल बिजली की खपत में कमी देता है।

कई संचय की संभावना का उपयोग एक्सपोजर की श्रृंखला करते समय किया जाता है, उदाहरण के लिए, जब छोटे और लंबे समय तक बारी-बारी से। उसी समय, भंडारण तत्व वैकल्पिक होते हैं: एक पर, छोटे एक्सपोज़र का संकेत जमा होता है, और दूसरे पर, लंबे वाले। जब एक स्टोरेज तत्व के साथ CMOS मैट्रिक्स के साथ तुलना की जाती है और 5 छोटी और 4 लंबी एक्सपोज़र की श्रृंखला के बराबर कुल शटर गति होती है, तो डायनामिक रेंज में सुधार लगभग 42 डीबी होता है।

पिक्सेल स्ट्रेपिंग में वृद्धि से स्पुरियस शोर में वृद्धि होती है। इसके प्रभाव को कम करने के लिए, कोशिका तत्व फोटोडायोड के संबंध में तिरछे सममित रूप से स्थित होते हैं। प्रकाश प्रवाह के प्रभाव से वे एक प्रकाश स्क्रीन द्वारा संरक्षित होते हैं। केवल फोटोडियोड के लिए, 1.3 माइक्रोन का एपर्चर छोड़ा गया था। फोटोडियोड पर प्रकाश घटना एक डबल लेंस इकाई और एक प्रकाश गाइड का उपयोग करके केंद्रित है। लेंस के बीच ब्लॉक में बायर टेम्पलेट के अनुसार एक रंग फिल्टर है। फाइबर के लिए उच्च अपवर्तक सूचकांक वाली सामग्री का उपयोग किया जाता है। इसके कारण, एक उल्टे शंकु के आकार के फाइबर में तांबे की तारों की तीन परतों के अनुरूप एक छोटी ऊंचाई होती है। फाइबर का ऊपरी व्यास 2.4 माइक्रोन है, और निचला 1.1 माइक्रोन है।

मैट्रिक्स का एक एकल पिक्सेल, बायर पैटर्न के अनुसार, दोहरी मेमोरी कोशिकाओं के साथ पिक्सेल की एक जोड़ी होती है। एक इकाई पिक्सेल ब्लॉक में शामिल हैं:

• 2 फोटोडायोड;
• 4 भंडारण तत्व (संधारित्र);
• 13 ट्रांजिस्टर।

मैट्रिक्स का कुल आकार 2676 N × 2200 V है, जो लगभग 5.9 मेगापिक्सेल है।
तुलनात्मक तालिका दोहरे इंट्रा-पिक्सेल मेमोरी और तुलनीय संकेतकों के साथ एक पारंपरिक मैट्रिक्स के साथ विकसित CMOS मैट्रिक्स के विभिन्न रीड मोड की विशेषताएं देती है।


वास्तव में, दोहरी इंट्रा-पिक्सेल मेमोरी के साथ 3.4 माइक्रोन की पिक्सेल पिच के साथ विकसित सीएमओएस छवि सेंसर में लगभग 5.3 प्रभावी मेगापिक्सेल और 110 से अधिक डीबी की एक गतिशील रेंज होती है, जब एक ही फ्रेम में एक से अधिक संचय होते हैं। यह मोड विशेष रूप से चलती वस्तुओं की शूटिंग के लिए उपयुक्त है और इसका उपयोग मूवी कैमरा, मशीन विजन डिवाइस, ऑटोमोबाइल, हवाई फोटोग्राफी और निगरानी कैमरों में किया जा सकता है।