Esta é uma adaptação para tradução de um artigo publicado pelos engenheiros da Canon no Japanese Journal of Applied Physic, no Japanese Journal of Applied Physics.O uso de matrizes fotossensíveis na tecnologia fotográfica nos permitiu afastar o uso de um obturador mecânico e suas variações. Isso deu um efeito positivo: a ausência de vibrações no momento do disparo do obturador e a capacidade de aumentar significativamente a velocidade de disparo sem complicar o design. Mas a transição do equipamento fotográfico para um novo nível trouxe novos problemas associados ao disparo em alta velocidade.
Para entender a essência das dificuldades, é necessário analisar o princípio de operação das matrizes fotossensíveis.
Falando deles no plural, queremos dizer matrizes feitas usando diferentes tecnologias. Existem semelhanças e diferenças fundamentais em seu trabalho. Vamos começar com os recursos gerais. Qualquer matriz fotossensível consiste em um conjunto de fotodiodos que convertem o fluxo de luz incidente sobre eles em um sinal elétrico. A diferença está no método de acumular e ler sinais: o tempo de exposição da imagem é determinado não pelo tempo em que o obturador abre, mas pelo tempo entre zerar a carga da matriz e o momento de ler as informações a partir dela.
Em uma matriz CCD, um sinal é lido linha por linha, e esse obturador é chamado de obturador móvel ou rotativo. Durante a leitura linha por linha, um objeto em movimento rápido consegue mudar de posição, causando distorção na imagem. E quanto maior a velocidade do objeto, maior a distorção na imagem.
Esse problema é parcialmente resolvido nas matrizes CMOS, que recentemente se tornaram uma alternativa às matrizes CCD. Aqui, o sinal pode ser lido de qualquer fragmento da matriz e em qualquer ordem. Isso não apenas aumenta a velocidade da troca de dados, mas também permite que você obtenha acesso aleatório a pixels individuais.
De fato, a matriz CMOS é um circuito integrado, em que cada pixel forma uma célula separada e possui sua própria fita que converte a carga do fotodiodo em voltagem diretamente no próprio pixel. Em geral, uma célula consiste em:
- fotodiodo;
- obturador eletrônico;
- um capacitor que coleta carga do fotodiodo;
- amplificador de sinal;
- ônibus de leitura de linha;
- barramentos de transmissão de sinal para o processador;
- redefinir as linhas de sinal.
Durante o disparo, a imagem é formada devido à síntese de vários quadros. Por um lado, isso fornece a profundidade e a saturação da imagem, mas, por outro lado, ao tremer ou fotografar objetos em movimento, a qualidade da imagem diminui. Isso se traduz em desfoque, em uma imagem "dupla" ou no efeito de um obturador em execução. A razão para isso é a alternância dos processos de exposição e leitura. Vamos considerar condicionalmente o tempo de exposição t. Então, no momento t, o primeiro quadro é capturado. No período t + t, os dados desse quadro são lidos. Depois de redefinir a matriz, o próximo quadro é executado. Assim, a diferença entre os quadros é t. Essa situação é semelhante ao algoritmo de persiana.
Uma das soluções para esse problema foi proposta por nossos desenvolvedores e foi a seguinte. Em uma célula regular da matriz CMOS, é usado um único capacitor com uma cinta que executa a função de um elemento de memória; portanto, a qualquer momento, a célula está no estado de carga desse capacitor (exposição) ou descarga (leitura). Na célula do nosso desenvolvimento, dois elementos de memória são usados. Devido a isso, dois processos podem ocorrer simultaneamente. Depois de fotografar o primeiro quadro, enquanto lê os dados de um elemento da memória, o próximo quadro é imediatamente exibido com a gravação no segundo elemento da memória. Isso garante a gravação contínua e a estabilidade da imagem.
No entanto, o significado desta invenção não se limita apenas à continuidade do disparo. De fato, temos vários modos de operação diferentes do sensor CMOS. Tudo depende do procedimento para a leitura de pixels.
- Ao ler a uma taxa de quadros alta, a saturação de pixels pode ocorrer devido à saturação múltipla do fotodiodo ou a uma saturação única do elemento de memória. Ao mesmo tempo, a nitidez da imagem é combinada com a saturação.
- No modo de disparo com alta saturação, dois elementos de armazenamento são preenchidos e lidos simultaneamente. Ao mesmo tempo, a frequência de leitura é reduzida, o que, como bônus, diminui o consumo total de energia.
A possibilidade de acumulação múltipla é usada ao executar séries de exposições, por exemplo, ao alternar curto e longo. Ao mesmo tempo, os elementos de armazenamento se alternam: em um, o sinal de exposições curtas é acumulado e, no outro, longas. Quando comparado com uma matriz CMOS com um elemento de armazenamento e uma velocidade total do obturador igual a uma série de 5 exposições curtas e 4 longas, a melhoria na faixa dinâmica é de cerca de 42 dB.
Um aumento na cinta de pixels resulta em um aumento de ruído espúrio. Para reduzir sua influência, os elementos celulares estão localizados na diagonal simetricamente em relação ao fotodiodo. Da influência do fluxo de luz, eles são protegidos por uma tela de luz. Somente para o fotodiodo, uma abertura de 1,3 μm foi deixada. O incidente de luz no fotodiodo é focado usando uma unidade de lente dupla e um guia de luz. No bloco entre as lentes há um filtro de cores de acordo com o modelo da Bayer. Um material com um alto índice de refração é usado para a fibra. Devido a isso, a fibra na forma de um cone invertido possui uma pequena altura correspondente a três camadas de fiação de cobre. O diâmetro superior da fibra é de 2,4 mícrons e o menor é de 1,1 mícrons.
Um único pixel da matriz, de acordo com o padrão Bayer, consiste em um par de pixels com células de memória dupla. Um bloco de pixel unitário inclui:
- 2 fotodiodos;
- 4 elementos de armazenamento (capacitor);
- 13 transistores.
O tamanho total da matriz é 2676 N × 2200 V, que é quase 5,9 megapixels.
A tabela comparativa mostra as características dos vários modos de leitura da matriz CMOS desenvolvida com memória intra-pixel dupla e uma matriz convencional com indicadores comparáveis.
De fato, o sensor de imagem CMOS desenvolvido com uma densidade de pixels de 3,4 mícrons com memória intra-pixel dupla possui cerca de 5,3 megapixels efetivos e uma faixa dinâmica de mais de 110 dB quando exposto em um único quadro com acumulação múltipla alternativa. Este modo é especialmente adequado para fotografar objetos em movimento e pode ser usado em câmeras de vídeo, dispositivos de visão por máquina, automóveis, fotografia aérea e câmeras de vigilância.