这是佳能工程师在《 日本应用物理学杂志》，《日本应用物理学杂志 》上发表的文章的翻译改编。摄影技术中感光矩阵的使用使我们摆脱了机械快门及其变化的使用。 这产生了积极的效果：释放快门时没有振动，并且能够在不使设计复杂化的情况下大幅提高拍摄速度。 但是照相设备的过渡到一个新的水平带来了与高速拍摄有关的新问题。
为了理解困难的本质，有必要分析光敏矩阵的工作原理。
在复数形式中，它们是指使用不同技术制成的矩阵。 他们的工作有相似之处和根本差异。 让我们从常规功能开始。 任何光敏矩阵都由一组光电二极管组成，这些光电二极管将入射在其上的光束转换为电信号。 区别在于累积和读取信号的方法：图像的曝光时间不取决于快门打开的时间，而取决于将矩阵电荷归零到从矩阵电荷读取信息之间的时间。
在CCD矩阵中，逐行读出信号，这种快门称为行进或滚动快门。 在逐行读取过程中，快速移动的对象设法改变位置，因此图像中会出现失真。 并且物体的速度越大，图片中的失真就越大。
在最近已成为CCD矩阵的替代方案的CMOS矩阵中，此问题得到了部分解决。 在这里，可以从矩阵的任何片段以任何顺序读取信号。 这不仅可以提高数据交换的速度，还可以让您随机访问各个像素。
实际上，CMOS矩阵是一个集成电路，其中每个像素形成一个单独的单元，并具有自己的带状结构，可将光电二极管的电荷直接转换成像素本身的电压。 通常，一个单元包括：
- 光电二极管
- 电子快门
- 从光电二极管收集电荷的电容器；
- 信号放大器
- 线路阅读巴士；
- 信号传输总线到处理器；
- 重置信号线。
在拍摄过程中，由于合成了几帧而形成了图像。 一方面，这提供了图像的深度和饱和度，但另一方面，当抖动或拍摄运动物体时，图像质量会下降。 这会转化为模糊，“双重”图像或正在运行的快门效果。 其原因是曝光和阅读过程的交替。 让我们有条件地考虑曝光时间t。 然后在时间t，拍摄第一帧。 在周期t + t中，读取该帧的数据。 然后，在重置矩阵之后，执行下一帧。 因此，帧之间的间隙为t。 这种情况类似于滚动快门算法。
我们的开发人员提出了解决此问题的方法之一，如下。 在CMOS矩阵的常规单元中，使用带绑带的单个电容器来执行存储元件的功能;因此，在任何时间点，该单元要么处于该电容器的充电状态（曝光），要么处于放电状态（读取）。 在我们开发的单元中，使用了两个存储元件。 因此，两个过程可以同时发生。 拍摄第一帧后，在从一个存储元件读取数据的同时，下一帧立即与记录一起显示在第二个存储元件上。 这样可以确保连续记录和图像稳定性。
然而，本发明的含义不仅限于拍摄的连续性。 实际上，我们获得了CMOS传感器的几种不同操作模式。 这完全取决于读取像素的过程。
- 当以高帧速率读取时，由于光电二极管的多个饱和或存储元件的单个饱和而可能发生像素饱和。 同时，图像清晰度与饱和度结合在一起。
- 在具有高饱和度的拍摄模式下，两个存储元件将被填充并同时读取。 同时，降低了读取频率，从而使总功耗降低了。
当执行一系列曝光时，例如，在交替短和长时，使用了多次累积的可能性。 同时，存储元件交替出现：一方面，存储短时间曝光的信号，另一方面，存储长时间曝光的信号。 与具有一个存储元件且总快门速度等于一系列5次短曝光和4次长曝光的CMOS矩阵相比，动态范围的改善约为42 dB。
像素条带的增加导致寄生噪声的增加。 为了减小其影响，单元元件相对于光电二极管对角对称地定位。 不受光通量的影响，它们受到光幕的保护。 仅对于光电二极管，留下了1.3μm的孔径。 入射在光电二极管上的光使用双透镜单元和光导进行聚焦。 透镜之间的区域是符合Bayer模板的彩色滤光片。 具有高折射率的材料用于纤维。 因此，倒圆锥形的光纤具有与三层铜布线相对应的小高度。 纤维的上直径为2.4微米，下直径为1.1微米。
根据Bayer模式，矩阵的单个像素由一对具有双存储单元的像素组成。 单位像素块包括：
- 2个光电二极管
- 4个存储元件（电容器）；
- 13个晶体管。
矩阵的总大小为2676 N×2200 V，几乎为5.9兆像素。
比较表显示了具有双像素内存储器的已开发CMOS矩阵和具有可比指标的常规矩阵的各种读取模式的特性。
实际上，具有双像素内存储器的像素间距为3.4微米的已开发CMOS图像传感器，在单帧中交替交替多次累积曝光时，具有约5.3有效兆像素和超过110 dB的动态范围。 此模式特别适用于拍摄运动物体，可用于电影摄影机，机器视觉设备，汽车，航拍和监视摄像机。