پاناسونيك اولين سنسور ديافراگم ارگانيك با رزولوشن 8K را معرفي كرد

پاناسونيك اخيرا تكنولوژي جديدي توسعه داده است كه رزولوشن 8K، نرخ ۶۰ فريم بر ثانيه، ۴۵۰ هزار الكترون با اشباع ‌بالا و تصويربرداري با شاتر جهاني (۱) با متخصصد همزمان مدولاسيون حساسيت (۲)، با استفاده از يك سنسور تصوير CMOS يا يك فيلم فوتوكاتاليستي ارگانيك (OPF) را محقق مي‌كند. در سنسور تصوير OPF CMOS، بخش تبديل فوتوالكتريك و بخش مدار از يكديگر مستقل هستند. با بهره‌مندي از ساختار منحصر‌به‌فرد اين سنسور، قادريم فناوري حذف نويز با سرعت بالا و فناوري غلظت بالا را در بخش مدار توسعه و تركيب كنيم. همچنين با استفاده از عملكرد كنترل حساسيت منحصربه‌فرد اين سنسور براي تغيير ولتاژ اعمال‌شده به OPF، به عملكرد شاتر جهاني پي مي‌بريم. براي اولين بار است كه يك فناوري به‌طور همزمان به اين قابليت‌ها در صنعت دست پيدا مي‌كند.

با اين فناوري مي‌توان تصاوير با رزولوشن بالاي 8K، حتي در صحنه‌هاي داراي كنتراست بالا مانند زمين فوتبال در زير نور شديد آفتاب يا صندلي‌هاي در سايه‌ي ايجادشده توسط سقف استاديوم را ثبت كرد. علاوه بر اين، انتظار مي‌رود با بهره‌گيري از عملكرد شاتر جهاني كه امكان ثبت تصوير توسط تمام پيكسل‌ها به‌صورت همزمان را فراهم مي‌كند، قادر به ثبت فوري سوژه‌هاي در حال حركت، بدون اعوجاج باشيم. به‌ علاوه، به‌طور معمول حتي در صحنه‌هايي كه بر اساس موقعيت‌هاي ضبط نياز به استفاده از فيلتر‌هاي ان‌دي (۳) مختلف است، اين فناوري به يك متخصصد فيلتر جديد كنترل‌شده‌ي الكترونيكي متغير ND پي مي‌برد كه سبب تنظيمات آهسته‌ي حساسيت OPF تنها از طريق كنترل ولتاژ اعمال‌شده به آن مي‌شود.

اين فناوري جديد مزاياي زير را به‌دنبال دارد:

توسعه اين سنسور بر اساس فناوري‌هاي زير است:

۱-  طراحي سنسور تصوير OPF CMOS

 در اين فناوري بخش تبديل فوتوالكترونيك و بخش مدار را مي‌توان به‌طور مستقل طراحي كرد. سنسور تصوير OPF CMOS داراي ساختار منحصر‌به‌فردي است كه در آن، OPF نقش تبديل يك فوتوالكترونيك را انجام مي‌دهد و منطقه‌ي مدار شارژ خازن‌ها و بازخواني سيگنال را كاملا به‌طور مستقل اجرا مي‌كند. با استفاده از ساختار سنسور تصوير OPF CMOS، فناوري حذف نويز با سرعت بالا و فناوري غلظت بالاي رنگ در منطقه‌ي مدار با فضاي وسيع قابل دسترس توسعه داده‌ شده است. در نتيجه‌ي آن، شناسايي همزمان رزولوشن 8K، نرخ بازخواني ۶۰ فريم بر ثانيه، محدوده‌ي ديناميكي گسترده (۴) و عملكرد شاتر جهاني كه معمولا تغيير مي‌كنند نيز ممكن شده است.

مقايسه سنسور BSI CMOS معمولي (سمت چپ)، با سنسور تصوير جديد OPF CMOS پاناسونيك (راست). توجه كنيد كه چطور لايه‌ي نازك OPF با فوتوديود سيليكوني سنتي مقايسه شده است. 

۲- روش حذف نويز خازني در پيكسل

 اين فناوري مي‌تواند نويز پيكسل در سرعت و حتي رزولوشن بالا را برطرف كند. از آنجايي كه سنسور تصوير OPF CMOS داراي ساختاري است كه در آن OPF و بخش خازن توسط رابط‌هاي فلزي به يكديگر متصل شده‌اند، بارهاي الكتريكي انباشته‌شده نمي‌توانند به‌طور كامل بازخواني شوند. بنابراين، اشكالي وجود دارد كه تحت تأثير تنظيم مجدد نويز در زمان بازنشاني پيكسل (گره شارژ حافظه‌ي ذخيره‌سازي) به‌وجود مي‌آيد. همچنين در يك سنسور با رزولوشن بالا، نظير سنسور 8K، بارگيري‌هاي بزرگ متجاوز از ۴۰۰۰ پيكسل در جهت عمودي به‌طور همزمان به‌عنوان زمان حذف نويز در رديف يكديگر قرار مي‌گيرند؛ بنابراين زمان طولاني‌ كه براي از بين بردن نويز صرف مي‌شود خود اشكال مهمي است. از اين‌رو، ساختار جديدي توسعه داده‌ شده كه حتي زماني كه پيكسل‌هاي با رزولوشن بالا مجبور به انباشته شدن هستند، با استفاده از فناوري نيمه‌هادي پاناسونيك و فناوري جديد توسعه داده‌شده‌ي «روش حذف نويز خازني در پيكسل» نويز را با سرعت بالايي حذف مي‌كند. در اين ساختار، تنظيم مجدد نيز با استفاده از حلقه‌ي بازخورد منفي ارائه شده براي هر پيكسل سركوب مي‌شود.

۳-  تقويت سوئيچ درون پيكسل

 اين تكنيك مي‌تواند ويژگي‌هاي غلظت بالا را دريافت كند. در سنسور تصوير OPF CMOS، با تركيب يك خازن بزرگ در بخش مدار با يك منطقه‌ي بزرگ قابل دسترس، اين امكان وجود دارد كه هر دو حالت حساسيت و غلظت بالا با ساختار پيكسلي يكسان تنها از طريق تغيير حالت‌ها از سيستم دوربين به‌دست آيد. در حالت حساسيت بالا، اين امكان وجود دارد كه داده‌ها را تا شدت نور ۴۵۰۰ الكترون با حساسيت بالا ثبت كرد. به اين ترتيب، از آنجايي‌ كه حالت غلظت بالا مي‌تواند تا ۱۰ برابر حالت حساسيت بالا را جذب كند، اين امكان به وجود مي‌آيد تا ساختار پيچيده‌ي لامپ‌هاي رشته‌اي را به وضوح نشان داد درحالي كه به دليل نوردهي بيش‌ از حد در حالت حساسيت بالا بخش روشن را نمي‌توان ديد (Fig. 3 a). حتي در صحنه‌اي با كنتراست بالا مانند عكسي كه در Fig. 5 نشان داده شده، مي‌توان جزئيات حالات چهره‌ي شخص در سايه‌ي ايجادشده توسط سقف استاديوم تا آسمان آبي و ابر‌ها را در يك روز تابستاني دريافت كرد؛ يا همانند Fig. 6 مي‌توان از يك اتاق كم‌نور تا باغ آفتابي پشت آن بدون نوردهي اضافه يا عدم نوردهي مناسب تصاوير درخشان و باكيفيتي ثبت كرد.

۴- مدولاسيون حساسيت كنترل‌شده‌ي ولتاژ

اين فناوري مي‌تواند حساسيت را با تغيير ولتاژ اعمال‌شده به OPF تنظيم كند. سنسور تصوير OPF CMOS مي‌تواند حساسيت OPF را به‌سادگي با كنترل ولتاژ اعمال‌شده به OPF تغيير دهد. با بهره‌بردن از اين فناوري، مي‌توانيم ويژگي‌هاي زير را كه با سنسور‌هاي تصوير سيليكوني معمولي ممكن نيستند عملي كنيم.

مثال ۱: ويژگي شاتر جهاني كه مي‌تواند تمام پيكسل‌ها را به صورت هم‌زمان با رزولوشن 8K ضبط كند.

با كنترل ON/OFF ولتاژ اعمال شده به OPF و كنترل حساسيت OPF، درمي‌يابيم كه «عملكرد شاتر جهاني» قادر به تصويربرداري از تمام پيكسل‌ها حتي تعداد زيادي از پيكسل‌ها مانند سنسور 8K به‌صورت همزمان است. همان‌طور كه در شكل (Fig. 3 b-43 rumors) نشان داده شده است، با ثبت تصاوير توسط ويژگي شاتر جهاني، حروف روي بدنه‌ي در حال چرخش بدون اعوجاج و كاملا واضح است. به علاوه، همان‌طور كه در Fig. 7 نشان داده شده، حتي در زمان ثبت تصوير از اشياء در حال حركت با سرعت بالا، مانند ماشيني كه با سرعت بالا در بزرگ‌راه در حال حركت است، ثبت تصاوير بدون اعوجاج امكان‌پذير خواهد بود.

در سنسور تصوير سيليكوني از نوع شاتر جهاني معمولي، لازم است عناصر جديد، مانند مدارهاي انتقال و خازن‌هاي حاوي بار الكتريكي را به منظور انباشته كردن بارهاي الكتريكي در تمام پيكسل‌ها اضافه كنيد. در نتيجه، ناحيه فوتوديود و مدارهاي اضافه بايد براي فضا رقابت كنند، اشكالي كه وجود دارد بدين شكل است كه نه مي‌توان اندازه‌ي پيكسل را كاهش داد و نه مقدار الكترون‌هاي اشباع شده را افزايش داد. به عبارت ديگر، از آنجايي كه در سنسور تصوير OPF CMOS نيازي به عناصر اضافه وجود ندارد، شناسايي سنسورهاي با رزولوشن بالا و با سلول‌هاي كوچك امكان‌پذبر خواهد بود.همچنين با قرار دادن خازن‌هاي بزرگ در بخش مدار با يك منطقه وسيع قابل دسترس، تصويربرداري دقيق بدون اعوجاج از صحنه‌هاي تاريك تا صحنه‌هاي به‌شدت روشن نيز ممكن است. براي مثال، همان‌طور كه در Fig. 9 نشان داده شده، زماني‌كه از آسمان‌خراش‌ها با استفاده از سنسور تصوير OPF CMOS در حال پَنينگ (۵) با سرعت بالا (۴۳) عكس گرفته شده، حتي در صحنه‌هايي با كنتراست بالا مانند آسمان روشن و پنجره‌هاي تاريك، دريافت داده‌هاي تصويري با حفظ تمامي جزئيات رنگ‌ها از كل منطقه بدون اعوجاج امكان‌پذير است.

مثال ۲: فناوري فيلتر ND الكتريكي مي‌تواند حساسيت را به‌طور پيوسته و مداوم تغيير دهد.

به‌طور معمول لازم است تا مجموعه‌اي از فلترهاي ND را مطابق با شرايط عكاسي تهيه كنيم و بارها آن‌ها را تغيير دهيم. به عبارت ديگر، در سنسور تصوير OPF CMOS، تنها با كنترل ولتاژ اعمال‌شده به OPF (ويتو در Fig. 8) و تغيير حساسيت OPF به مقدار مورد انديشه متخصصين، اجراي ويژگي فيلتر الكتريكي ND ممكن خواهد شد. با استفاده از اين ويژگي، مي‌توان تجهيزات عكاسي را ساده‌تر كرد، همچنين مي‌توان به‌طور مداوم و پيوسته حساسيت را كنترل كرد؛ درحاليكه امكان تحقق آن با يك سنسور سيليكوني معمولي وجود ندارد. بنابراين امكان ثبت تصوير بر اساس موقعيت صحنه گسترش مي‌يابد.

در آينده از فناوري سنسور تصوير OPF CMOS در متخصصدهاي گوناگوني نظير دوربين‌هاي پخش، دوربين‌‌هاي نظارتي، دوربين‌هاي بازرسي صنعتي، دوربين‌هاي خودرو و ... بهره خواهيم برد. همچنين از اين سنسور در زمينه‌هاي عكس‌برداري با وضوح بالا، سرعت و دقت بالا و متخصصدهاي حسي استفاده خواهيم كرد.

اصطلاحات متخصص

(۱) گلوبال شاتر يا شاتر جهاني (Global shutter): عمليات شاتر كه مي‌تواند تصوير را هم‌زمان با تمام پيكسل‌ها بگيرد. سنسور‌هاي تصوير CMOS ارگانيك در حالت شاتر چرخشي عمل مي‌كنند كه در آن عمليات شاتر و نوردهي به صورت رديف به رديف

(۲) مدولاسيون حساسيت: بازده تبديل فوتوالكتريك با توجه به كنترل تغيير مي‌كند. در سنسور تصوير OPF CMOS، بازده تبديل فوتوالكتريك را مي‌توان با كنترل ولتاژ اعمال شده به OPF تغيير داد.

(۳) فيلتر ND: يك فيلتر كه به‌طور يكنواخت نور را در محدوده‌ي قابل مشاهده جذب مي‌كند و تنها شدت نور را بدون اثرگذاري روي رنگ كاهش مي‌دهد.

(۴) محدوده ديناميكي: نسبت كم‌ترين و بيشترين مقدار روشنايي كه مي‌تواند به تصوير تبديل شود.

(۵) پَنينگ: يك روش براي ثبت صحنه‌هاي وسيع با حركت دادن قاب در جهت افقي با يك دوربين ثابت كه تكنيكي رايج در ضبط ويدئو محسوب مي‌شود.