Canon: Δημιούργησε τον πρώτο SPAD αισθητήρα εικόνας στον κόσμο στο 1mp, με global shutter και μηδενικό θόρυβο!

1 Ιουνίου 2021

Η Canon ανακοίνωσε ότι ανέπτυξε τον SPAD πρώτο αισθητήρα εικόνας, ειδικά για εφαρμογές AR, VR, αυτόνομη οδήγηση, ρομπότ και λήψεις με μεγάλες ταχύτητες.

Ο αισθητήρας SPAD είναι διαφορετικής αρχιτεκτονικής από τον CMOS. Στους αισθητήρες CMOS, κάθε pixel μετρά την ποσότητα φωτός που φτάνει στο pixel εντός ενός δεδομένου χρόνου, ενώ οι αισθητήρες SPAD μετρούν κάθε μεμονωμένο σωματίδιο φωτός (δηλαδή, φωτονίο) που φτάνει το pixel. Κάθε φωτόνιο που εισέρχεται στο pixel μετατρέπεται αμέσως σε ηλεκτρικό φορτίο και τα ηλεκτρόνια που προκύπτουν πολλαπλασιάζονται τελικά σαν χιονοστιβάδα μέχρι να σχηματίσουν ένα μεγάλο φορτίο σήματος που μπορεί να εξαχθεί.

Οι αισθητήρες CMOS διαβάζουν το φως ως ηλεκτρικά σήματα μετρώντας τον όγκο του φωτός που συσσωρεύεται σε ένα pixel εντός ενός συγκεκριμένου χρονικού πλαισίου, γεγονός που καθιστά δυνατή την είσοδο του θορύβου στο pixel μαζί με τα σωματίδια φωτός (φωτόνια), μολύνοντας έτσι τις πληροφορίες που λαμβάνονται. Εν τω μεταξύ, οι αισθητήρες SPAD μετρούν ψηφιακά μεμονωμένα σωματίδια φωτονίων, καθιστώντας δύσκολη την είσοδο ηλεκτρονικού θορύβου. Αυτό καθιστά δυνατή τη λήψη μιας καθαρής εικόνας.

Μέχρι πρόσφατα, θεωρούνταν δύσκολο να δημιουργηθεί ένας αισθητήρας SPAD πολλών pixel. Σε κάθε pixel, το τμήμα ανίχνευσης (διαθέσιμη επιφάνεια για την ανίχνευση εισερχόμενου φωτός ως σήματα) ήταν ήδη μικρή. Κάνοντας τα pixel μικρότερα, έτσι ώστε να μπορούν να ενσωματωθούν περισσότερα pixel στον αισθητήρα εικόνας, θα είχαμε ακόμη μικρότερα τμήματα ανίχνευσης, με αποτέλεσμα να εισέρχεται πολύ λίγο φως στον αισθητήρα, κάτι που θα αποτελούσε μεγάλο πρόβλημα.

Συγκεκριμένα, στους συμβατικούς αισθητήρες SPAD, οι δομικές απαιτήσεις κατέστησαν απαραίτητο να αφεθεί κάποιος χώρος ανάμεσα στα διαφορετικά τμήματα ανίχνευσης σε γειτονικά pixel. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα η αναλογία διαφράγματος, η οποία δείχνει την αναλογία φωτός που εισέρχεται σε κάθε pixel, να συρρικνωθεί μαζί με το μέγεθος των pixel, καθιστώντας δύσκολη την ανίχνευση της φόρτισης σήματος.

Ωστόσο, η Canon ενσωμάτωσε έναν δομικό σχεδιασμό που χρησιμοποίησε τεχνολογίες που αναπτύσσονται μέσω της παραγωγής αισθητήρων CMOS εμπορικής χρήσης. Αυτός ο σχεδιασμός διατήρησε με επιτυχία το ρυθμό διαφράγματος στο 100% ανεξάρτητα από το μέγεθος των pixels, καθιστώντας δυνατή τη λήψη όλου του φωτός που εισέρχεται χωρίς διαρροή, ακόμα και αν ο αριθμός των pixel αυξάνεται. Το αποτέλεσμα ήταν η επίτευξη ενός άνευ προηγουμένουαισθητήρα SPAD με 1.000.000 pixels.

Ο αισθητήρας SPAD που ανέπτυξε η Canon έχει ανάλυση χρόνου τόσο ακριβή όσο 100 picoseconds2, η οποία επιτρέπει εξαιρετικά γρήγορη επεξεργασία πληροφοριών. Αυτό καθιστά δυνατή τη σύλληψη της κίνησης αντικειμένων που κινούνται εξαιρετικά γρήγορα, όπως ελαφριά σωματίδια. Ο αισθητήρας μπορεί επίσης να χρησιμοποιήσει τη λειτουργία «απόκρισης υψηλής ταχύτητας» για τη διεξαγωγή μετρήσεων απόστασης υψηλής ακρίβειας, συμπεριλαμβανομένων τρισδιάστατων μετρήσεων απόστασης.

Ενώ η μέθοδος Time-of-flight (ToF), η οποία περιλαμβάνει την κατεύθυνση του φωτός σε ένα θέμα και τη μέτρηση του χρόνου που απαιτείται για την ανάκλασή του στον αισθητήρα, καθιστά πιθανές ακριβείς μετρήσεις απόστασης, αυτή η μέθοδος δεν θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί επειδή η εξαιρετικά γρήγορη Η ταχύτητα του φωτός απαιτούσε έναν αισθητήρα φωτός ικανό για εξαιρετικά υψηλή ταχύτητα απόκρισης. Ο αισθητήρας SPAD της Canon μπορεί να ανιχνεύσει το φως που επιστρέφει σε νανοδευτερόλεπτα 3 μονάδες ή λιγότερο, επιτυγχάνοντας αυτό που δεν μπορούσαν οι προηγούμενοι αισθητήρες φωτός – κάνοντας τις μετρήσεις ToF πραγματικότητα.

Ο αισθητήρας SPAD που έχει αναπτύξει η Canon είναι επίσης εξοπλισμένος με ένα global shutter που μπορεί να τραβήξει βίντεο από γρήγορα κινούμενα θέματα, διατηρώντας παράλληλα τα σχήματά τους ακριβή και χωρίς παραμορφώσεις. Σε αντίθεση με τη μέθοδο rolling shutter (κυλιόμενου κλείστρου) που εκθέτει με την ενεργοποίηση των διαδοχικών σειρών pixel του αισθητήρα το ένα μετά το άλλο, ο αισθητήρας SPAD ελέγχει την έκθεση σε όλα τα pixel ταυτόχρονα, μειώνοντας τον χρόνο έκθεσης στα 3,8 νανοδευτερόλεπτα και επιτυγχάνοντας εξαιρετικά υψηλό ρυθμό καρέ έως και 24.000 καρέ ανά δευτερόλεπτο (FPS) σε έξοδο 1-bit. Αυτό επιτρέπει στον αισθητήρα να καταγράφει βίντεο αργής κίνησης φαινομένων που εμφανίζονται σε εξαιρετικά σύντομα χρονικά διαστήματα και προηγουμένως ήταν αδύνατο να καταγραφούν.

Τέτοια φαινόμενα περιλαμβάνουν στιγμιαία φυσικά φαινόμενα ή χημικές αντιδράσεις που στο παρελθόν δεν μπορούσαν να καταγραφούν με ακρίβεια, ή τη ζημιά που προκαλείται σε αντικείμενα όταν πέφτουν ή συγκρούονται με κάτι άλλο. Υπάρχουν πολλές πιθανές εφαρμογές για έναν αισθητήρα εικόνας που επιτρέπει τη λεπτομερή καταγραφή τέτοιων συμβάντων, συμπεριλαμβανομένης της μεγαλύτερης κατανόησης των φυσικών φαινομένων και της αξιολόγησης της ασφάλειας και της αντοχής ενός προϊόντος.

Η επιτυχημένη ανάπτυξη αισθητήρα εικόνας SPAD με ανάλυση 1 megapixel της Canon σημαίνει επίσης ότι τρισδιάστατες κάμερες ικανές να αναγνωρίζουν πληροφορίες βάθους μπορούν πλέον να το κάνουν με ανάλυση έως 1 megapixel. Μια πολύ αναμενόμενη εφαρμογή αυτής της δυνατότητας είναι στα “μάτια” υψηλής απόδοσης ρομπότ και συσκευών στις οποίες θα βασιστεί η κοινωνία στο μέλλον.

Μένει να δούμε πως θα εξελιχτεί η συγκεκριμένη τεχνολογία στα επόμενα χρόνια και αν θα χρησιμοποιηθεί στις κάμερες που χρησιμοποιούν φωτογράφοι και εικονολήπτες.

Αναζητήστε όλα τα νέα προϊόντα στο κατάστημα
Ρεπέλλα Φωτογραφικά.

To pttlgr στηρίζεται για την λειτουργία του στους αναγνώστες του!
Μπορείς να βοηθήσεις με μία μικρή δωρεά!
Υποστηρίξτε το pttlgr ακόμα και με μόλις 1€ – χρειάζεται μόνο ένα λεπτό. Εάν μπορείτε, σκεφτείτε να μας υποστηρίξετε με ένα ποσό κάθε μήνα.
Σας ευχαριστούμε.

Στηρίξτε το pttlgr και την προσπάθεια μας για έγκυρη και άμεση ενημέρωση ακολουθώντας μας
σε Instagram, YouTube και Facebook!

Ακολουθήστε το pttlgr στα Google News, εδώ!