Японцы сумели ускорить CMOS-матрицы

Кадр, полученный с помощью новой высокоскоростной камеры

Tohoku University

Исследователи из японского Университета Тохоку нашли способ сделать CMOS-матрицы видеокамер пригодными для высокоскоростной съемки. Свою разработку, как сообщает IEEE Spectrum, исследователи представили на конференции IEDM в Сан-Франциско в начале декабря. Суть новой технологии заключается в выделении для каждого пикселя матрицы своей ячейки памяти. Получившаяся матрица способна вести съемку с частотой одного миллиона кадров в секунду без снижения разрешения съемки.

Современные CMOS-матрицы довольно медленны. Самые лучшие коммерческие образцы таких матриц могут вести съемку с частотой 25 кадров в секунду при полном разрешении и до 250 тысяч кадров в секунду — при сниженном разрешении. Это связано с тем, что во время съемки напряжение на пикселях матрицы считывается последовательно по рядам. При съемке очень быстрых объектов это может приводить к «располосовыванию» изображения — разделения объекта съемки на полосы.

Этого недостатка лишены CCD-матрицы. В них значение напряжения на всех пикселях во время съемки считывается одновременно. Однако, в отличие от CMOS-мариц, CCD во время простоя и во время съемки потребляют много энергии. Кроме того, CCD-матрицы при высокоскоростной съемке сильно нагреваются, что приводит к резкому и значительному усилению уровня шумов на изображении. Такие матрицы используются в дорогостоящей фото- и видеотехнике. Организация дополнительного охлаждения для них сделает аппаратуру еще дороже.


В ходе исследований японские разработчики создали CMOS-матрицу имеющую 128 пикселей по ширине и 96 пикселей по высоте. Каждый пиксель матрицы получил 480 ячеек аналоговой памяти (размер одной ячейки не уточняется). Сама память выполнена на основе конденсаторов, способных накапливать разное напряжение. Дело в том, что при съеме пиксели матрицы не способны выдавать фиксированное напряжение, а значит для хранения считываемых значений обычная память не подходит, поскольку она может записывать лишь логические 0 или 1.

Разработанная японскими исследователями матрица может быть объединена с другими такими же. В результате можно получить светочувствительный элемент с разрешением в несколько мегапикселей. Во время съемки чтение значений с пикселей происходит одновременно по всей матрице с одновременной записью этих значений в ячейки памяти. Такой подход позволили существенно улучшить качеству и частоту съемки.

Тем не менее, из-за использования памяти для каждого пикселя новая матрица имеет серьезное ограничение — она может последовательно сделать только 480 кадров. Затем потребуется чтение данных из памяти, их объединение и запись на уже стандартный носитель. Во время чтения из памяти матрицы съемка новых кадров невозможна. Это означает, что при непрерывной съемке каждые 480 кадров видеозапись будет прерываться.


Другие подробности о новой разработке японские исследователи пока не раскрывают. Кроме того, неизвестно, как скоро новая разработка станет выпускаться серийно.

В апреле прошлого года другие японские исследователи представили камеру, способную вести съемку с частотой одного триллиона кадров в секунду. В новой камере используется CCD-матрица, через сложную систему зеркал фиксирующая отраженное излучение от лазерной вспышки. Во всех подсистемах камеры используются только оптические компоненты, работающие со скоростями сравнимыми со скоростью света.

Василий Сычёв

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.