Новая матрица Panasonic OPF CMOS с разрешением 8К

Корпорация Panasonic разработала новую матрицу для видеокамер, которая сочетает высокое разрешение 8K (36 мегапикселей), высокую скорость считывания до 60 к/с, улучшенную секцию накопления заряда, кадровый затвор и управление чувствительностью. В основе технологии OPF CMOS лежит КМОП-матрица (CMOS) и органическая фотопроводящая пленка (OPF), что позволило отделить фотоэлектрическое преобразование от считывания и первичной обработки сигнала. Благодаря такой раздельной архитектуре матрицы OPF CMOS инженеры Panasonic смогли внедрить высокоскоростное шумоподавление и режим высокого насыщения. Кроме того, с помощью уникальной функции управления чувствительностью, которая контролируется изменением напряжения, подаваемого на пленку OPF, удалось реализовать кадровый затвор. Такое рекордное сочетание передовых достижений в новой технологии Panasonic завоевало ей технологическое первенство в индустрии формирования изображения.

Новая разработка Panasonic позволяет получать изображение с разрешением 8K даже для высококонтрастных сцен. Например, с ее помощью можно видеть детали на залитом ярким солнцем поле стадиона и одновременно разглядеть черты лица зрителя, сидящего в тени под крышей стадиона. Более того, за счет применения кадрового затвора все пиксели изображения считываются одновременно и устраняются геометрические искажения движущихся объектов. Матрицы, созданные по новой технологии Panasonic, можно использовать в специализированных видеосистемах, где несколько синхронизированных видеокамер снимают с нескольких точек зрения, а также в тех областях применения, где требуется высокоскоростная съемка с высоким разрешением, например в машинном зрении и интеллектуальных транспортных системах. Кроме того, и при обычной съемке сцен, когда приходится использовать разные оптические фильтры нейтральной плотности в зависимости от условий освещенности, новая технология Panasonic найдет свое применение, так как в ней реализована функция электронного управления чувствительностью. При этом достигается плавная и точная подстройка чувствительности органической фотопроводящей пленки OPF за счет простого контроля напряжения, которое подается на нее.

Основные преимущества

• Одновременно реализованы разрешение 8K, кадровая частота 60 к/с, уровень насыщения 450 тыс. электронов и кадровый затвор.

• Переключение между режимом высокой чувствительности и высокого насыщения позволяет регулировать усиление сигнала.

• Плавная подстройка чувствительности достигается за счет простого управления напряжением, которое подается на OPF.

Использованные технологии

• Архитектура матрицы OPF CMOS позволяет осуществлять фотоэлектрическое преобразование независимо от считывания и первичной обработки сигнала.

• Технология внутрипиксельного шумоподавления позволяет избавиться от шума, возникающего при сбросе заряда при высокой кадровой частоте и даже при высоком разрешении.

• Внутрипиксельная технология регулировки усиления повышает характеристики насыщения.

• Технология подстройки чувствительности достигается за счет простого управления напряжением, которое подается на OPF.

В связи с разработкой этой технологии Panasonic имеет 135 японских и 83 зарубежные патентные заявки (в том числе и находящиеся на стадии рассмотрения). Ее возможности были продемонстрированы на международной конференции ISSCC 2018 (International Solid-State Circuit Conference), которая проходила в Сан-Франциско с 11 по 15 февраля 2018 года.

Принципы работы

Матрица OPF CMOS уникальную структуру, в которой фотоэлектрической преобразование осуществляется в слое OPF, а хранение и считывание заряда выполняется независимо в отдельном слое. Благодаря такой структуре матрицы OPF CMOS были реализованы технологии высокоскоростного шумоподавления и высокого насыщения в отдельном слое, где для этого достаточно свободного пространства. В результате удалось одновременно реализовать высокое разрешение 8K, скорость считывания 60 к/с, расширенный динамический диапазон (за счет высокого уровня насыщения) и кадровый затвор. Такой набор характеристик является уникальным, так как обычно чем-то приходится жертвовать.

Рис. 1. Сравнение структуры пикселей

Рис. 2. Пример высокого разрешения 8K в сравнении с разрешением 4К и HD 1080p

Рис. 3. Пример использования режима высокого насыщения и кадрового затвора

Поскольку в матрице OPF CMOS используется структура, в которой органическая фотопроводящая пленка OPF и область хранения заряда соединены между собой металлическими проводниками, накопленный заряд не удается перенести между ними полностью. Из-за этого возникает проблема остаточного заряда, который генерирует шум при сбросе пикселя. В матрицах с таким высоким разрешением, как 8K, и высокой скоростью считывания необходимо выполнять сброс в вертикальном столбце, который состоит из более 4 тыс. пикселей за очень краткий период времени, которого не хватает для работы длительного шумоподавления. Инженеры компании Panasonic разработали новую структуру, которая с высокой скоростью осуществляет шумоподавление при сбросе пикселя с использованием собственной полупроводниковой технологии и недавно разработанного внутрипиксельного шумоподавителя с емкостной связью. В этой структуре шум сброса пикселя подавляется с высокой скоростью за счет отрицательной обратной связи, которая обеспечивается для каждого пикселя.

Рис 4. Сравнение технологий шумоподавления

В матрице OPF CMOS благодаря наличию в области хранения заряда свободного пространства удалось интегрировать конденсатор большой емкости и за счет этого реализовать как режим высокой чувствительности, так и высокого насыщения на одной и той же пиксельной структуре и управлять переключением этих режимов извне. В режиме высокой чувствительности поддерживается накопление заряда вплоть до 4.5 тыс. электронов на один пиксель. При переключении в режим высокого насыщения порог накопления заряда возрастает до 450 тыс. электронов. Это позволяет регистрировать более яркие объекты, например нить лампы накаливания, которая в режиме высокой чувствительности будет переэкспонирована (см. Рис. 3). Даже на сценах с высоким контрастом можно различить детали как на темных, так и на ярких участках изображения. Например, на Рис. 5 можно разглядеть лицо человека в тени под навесом и облака на небе в яркий летний день, а на Рис. 6 одновременно хорошо видны и затемненная комната, и залитый солнцем сад. За счет широкого динамического диапазона все детали изображения видны четки без переэкспонирования и недоэкспонирования.

Рис. 5. Одновременная передача ярких и темных участков изображения

Рис. 6. Одновременная передача ярких и темных участков изображения

В матрице OPF CMOS можно легко управлять чувствительностью за счет изменения напряжения, которое подается на органическую фотопроводящую пленку. Благодаря этому появилась возможность реализовать такие функции, как кадровый затвор для разрешения 8K и плавное управление чувствительностью, недоступные в традиционных матрицах CMOS. Контроль подачи напряжения на органическую фотопроводящую пленку позволяет реализовать кадровый затвор и одновременно считать все пиксели даже при таком большом их числе, как в случае с разрешением 8K. Кадровый затвор дает возможность четко и без искажений видеть буквы на вращающемся объекте, как на Рис. 3. Кроме того, удается снимать без искажений даже очень быстро движущиеся объекты, например автомобили на шоссе, как показано на Рис. 7.

Рис. 7. Сравнение работы строчного и кадрового затвора

Рис. 8. Сравнение структуры кадрового затвора традиционной матрицы CMOS и матрицы OPF CMOS

При съемках обычной камерой часто требуется использовать несколько ослабляющих фильтров нейтральной плотности и постоянно менять их в зависимости от условий, что создает определенные неудобства. На матрицах OPF CMOS эта проблема легко решается за счет управления напряжением (контакт VITO на Рис. 8), которое подается на органическую фотопроводящую пленку и изменяет ее чувствительность до нужного значения. Такой подход позволяет реализовать функцию электронного управления чувствительностью. С ее помощью можно упростить работу со съемочным оборудованием и плавно подстраивать чувствительность видеокамеры, чего невозможно добиться на видеокамерах с обычными матрицами. Тем самым расширяются возможности адаптации видеокамер к условиям съемки.

Рис. 9. Пример работы электронного управления чувствительностью OPF

В будущем планируется использовать технологию OPF CMOS в различных сферах применения, в том числе в съемочных видеокамерах, видеокамерах для систем видеонаблюдения, камерах промышленного контроля, автомобильных видеокамерех и т. д. Видеокамеры с матрицами на основе технологии OPF CMOS смогут сочетать высокие разрешение, скорость съемки, отсутствие геометрических искажений и возможности управление чувствительностью.

По любым вопросам обращайтесь к вашему персональному менеджеру в ЛУИС+ или звоните по многоканальным телефонам в Москве +7 (495) 637-63-17, (495) 280-77-50.