Ini adalah terjemahan-adaptasi dari artikel yang diterbitkan oleh para insinyur Canon di Jurnal Jepang Fisika Terapan, Jurnal Jepang Fisika Terapan .Penggunaan matriks fotosensitif dalam teknologi fotografi memungkinkan kami untuk beralih dari penggunaan rana mekanis dan variasinya. Ini memberikan efek positif: tidak adanya getaran pada saat pelepasan rana dan kemampuan untuk secara signifikan meningkatkan kecepatan pemotretan tanpa menyulitkan desain. Tetapi peralihan peralatan fotografi ke tingkat yang baru telah membawa masalah baru yang terkait dengan pemotretan kecepatan tinggi.
Untuk memahami esensi dari kesulitan, perlu untuk menganalisis prinsip pengoperasian matriks fotosensitif.
Berbicara tentang mereka dalam bentuk jamak, maksud kami matriks dibuat menggunakan teknologi yang berbeda. Ada persamaan dan perbedaan mendasar dalam pekerjaan mereka. Mari kita mulai dengan fitur-fitur umum. Matriks fotosensitif apa pun terdiri dari serangkaian fotodioda yang mengubah insiden fluks cahaya menjadi sinyal listrik. Perbedaannya terletak pada metode akumulasi dan sinyal pembacaan: waktu pemaparan gambar ditentukan bukan pada saat rana terbuka, tetapi oleh waktu antara memusatkan muatan matriks dan saat membaca informasi darinya.
Dalam matriks CCD, sinyal dibacakan baris demi baris, dan rana seperti itu disebut rana bepergian atau bergulir. Selama pembacaan baris demi baris, objek yang bergerak cepat berhasil mengubah posisi, sehingga terjadi distorsi pada gambar. Dan semakin besar kecepatan objek, semakin besar distorsi dalam gambar.
Masalah ini sebagian diselesaikan dalam matriks CMOS, yang baru-baru ini menjadi alternatif untuk matriks CCD. Di sini, sinyal dapat dibaca dari setiap fragmen matriks dan dalam urutan apa pun. Ini tidak hanya meningkatkan kecepatan pertukaran data, tetapi juga memungkinkan Anda untuk mendapatkan akses acak ke masing-masing piksel.
Sebenarnya, matriks CMOS adalah sirkuit terintegrasi, di mana setiap piksel membentuk sel yang terpisah dan memiliki pengikat sendiri yang mengubah muatan fotodioda menjadi tegangan langsung dalam piksel itu sendiri. Secara umum, sel terdiri dari:
- fotodioda;
- rana elektronik;
- sebuah kapasitor yang mengumpulkan muatan dari fotodioda;
- penguat sinyal;
- bus bacaan garis;
- sinyal bus transmisi ke prosesor;
- setel ulang garis sinyal.
Selama pemotretan, gambar terbentuk karena sintesis beberapa bingkai. Di satu sisi, ini memberikan kedalaman dan saturasi gambar, tetapi di sisi lain, ketika jittering atau memotret objek bergerak, kualitas gambar menurun. Ini diterjemahkan menjadi blur, gambar "ganda" atau efek rana yang sedang berjalan. Alasan untuk ini adalah pergantian proses paparan dan membaca. Mari kita ambil secara kondisional untuk waktu pencahayaan t. Kemudian pada waktu t, frame pertama ditembak. Dalam periode t + t, data frame ini dibaca. Kemudian, setelah mengatur ulang matriks, frame berikutnya dijalankan. Dengan demikian, jarak antar frame adalah t. Situasi ini mirip dengan algoritma rana bergulir.
Salah satu solusi untuk masalah ini diusulkan oleh pengembang kami, dan itu adalah sebagai berikut. Dalam sel reguler dari matriks CMOS, sebuah kapasitor tunggal dengan pengikat digunakan yang melakukan fungsi elemen memori, oleh karena itu, pada titik waktu mana pun, sel berada dalam kondisi pengisian kapasitor ini (paparan) atau pengosongan (membaca). Dalam sel perkembangan kami, dua elemen memori digunakan. Karena ini, dua proses dapat terjadi secara bersamaan. Setelah memotret frame pertama, saat membaca data dari satu elemen memori, frame berikutnya segera ditampilkan dengan rekaman pada elemen memori kedua. Ini memastikan perekaman dan stabilitas gambar yang berkelanjutan.
Namun, makna penemuan ini tidak terbatas hanya pada kelangsungan pengambilan gambar. Faktanya, kami mendapatkan beberapa mode pengoperasian sensor CMOS yang berbeda. Itu semua tergantung pada prosedur untuk membaca piksel.
- Saat membaca pada kecepatan bingkai tinggi, saturasi piksel dapat terjadi karena saturasi berganda dari fotodioda, atau saturasi tunggal dari elemen memori. Pada saat yang sama, kejernihan gambar dikombinasikan dengan saturasi.
- Dalam mode pemotretan dengan saturasi tinggi, dua elemen penyimpanan diisi dan dibaca secara bersamaan. Pada saat yang sama, frekuensi membaca berkurang, yang sebagai bonus memberikan penurunan konsumsi daya total.
Kemungkinan akumulasi berganda digunakan saat melakukan serangkaian eksposur, misalnya, saat berganti pendek dan panjang. Pada saat yang sama, elemen penyimpanan bergantian: pada satu, sinyal paparan singkat diakumulasikan, dan pada yang lain, yang panjang. Jika dibandingkan dengan matriks CMOS dengan satu elemen penyimpanan dan kecepatan rana total yang sama dengan serangkaian eksposur 5 pendek dan 4 panjang, peningkatan rentang dinamis adalah sekitar 42 dB.
Peningkatan dalam pengikatan piksel menghasilkan peningkatan noise palsu. Untuk mengurangi pengaruhnya, elemen-elemen sel terletak secara diagonal simetris sehubungan dengan fotodioda. Dari pengaruh fluks cahaya mereka dilindungi oleh layar cahaya. Hanya untuk fotodioda, aperture 1,3 ΞΌm tersisa. Insiden cahaya pada fotodioda difokuskan menggunakan unit lensa ganda dan panduan cahaya. Di blok antara lensa adalah filter warna sesuai dengan template Bayer. Bahan dengan indeks bias tinggi digunakan untuk serat. Karena ini, serat dalam bentuk kerucut terbalik memiliki ketinggian kecil sesuai dengan tiga lapisan kabel tembaga. Diameter atas serat adalah 2,4 mikron, dan yang lebih rendah adalah 1,1 mikron.
Satu piksel matriks, menurut pola Bayer, terdiri dari sepasang piksel dengan sel memori ganda. Blok satuan pixel meliputi:
- 2 fotodioda;
- 4 elemen penyimpanan (kapasitor);
- 13 transistor.
Ukuran total dari matriks adalah 2676 N Γ 2200 V, yang hampir 5,9 megapiksel.
Tabel komparatif memberikan karakteristik berbagai mode baca dari matriks CMOS yang dikembangkan dengan memori intra-pixel ganda dan matriks konvensional dengan indikator yang sebanding.
Faktanya, sensor gambar CMOS yang dikembangkan dengan pitch pixel 3,4 mikron dengan memori intra-pixel ganda memiliki sekitar 5,3 megapiksel efektif dan jangkauan dinamis lebih dari 110 dB ketika diekspos dalam satu frame dengan beberapa akumulasi alternatif. Mode ini sangat cocok untuk memotret objek bergerak dan dapat digunakan dalam kamera film, perangkat visi mesin, mobil, fotografi udara dan kamera pengintai.