Японцы сумели ускорить CMOS-матрицы

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