Post na blogu:

Panasonic opracowuje technologię czujnika obrazu CMOS z organiczną warstwą fotoprzewodzącą (OPF), która zapewnia doskonałą reprodukcję kolorów przy dowolnym napromieniowaniu źródła światła

Osaka, Japonia – Firma Panasonic Holdings Corporation ogłosiła, że ​​opracowała doskonałą technologię reprodukcji kolorów, która eliminuje przesłuchy kolorów poprzez cieńszą fotoelektryczną warstwę konwersyjną z wykorzystaniem wysokiego współczynnika absorpcji światła organicznego pliku fotoprzewodzącego (OPF) oraz technologii elektrycznej separacji pikseli. W tej technologii część OPF realizująca konwersję fotoelektryczną oraz część obwodu przechowująca i odczytująca ładunek elektryczny są całkowicie niezależne. Ta unikalna struktura warstwowa radykalnie zmniejsza czułość każdego piksela w kolorze zielonym, czerwonym i niebieskim w obszarach długości fali poza zakresem docelowym. W rezultacie zmniejsza się przesłuch kolorów, uzyskuje się doskonałe właściwości spektralne i możliwe jest dokładne odwzorowanie kolorów niezależnie od rodzaju źródła światła.

Abstrakcyjny

Konwencjonalne krzemowe czujniki obrazu typu macierzowego firmy Bayer nie mają wystarczającej wydajności separacji kolorów dla zieleni, czerwieni i niebieskiego. Dlatego na przykład w przypadku źródeł światła, które mają piki przy określonych długościach fal, takich jak światło cyjanowe i światło karmazynowe, trudno było dokładnie odtworzyć, rozpoznać i ocenić kolory.

Nasz czujnik obrazu OPF CMOS ma unikalną strukturę, w której fotoelektryczna część konwersji, która przekształca światło w sygnał elektryczny, jest organiczną cienką warstwą, a funkcja przechowywania i odczytywania ładunku sygnału jest realizowana w części obwodów, które są całkowicie niezależne od siebie (Rysunek 1). W rezultacie, w przeciwieństwie do konwencjonalnych krzemowych czujników obrazu, możliwe jest zapewnienie charakterystyki konwersji fotoelektrycznej, która nie zależy od właściwości fizycznych krzemu. OPF o wysokim współczynniku absorpcji światła umożliwia pocienienie fotoelektrycznej części konwersyjnej ((1) Fotoelektryczna technologia przerzedzania folii konwersyjnej). Dzięki umieszczeniu elektrody wyładowczej na granicach pikseli, ładunek sygnału spowodowany padającym światłem na granicach pikseli jest rozładowywany, a ładunek sygnału z sąsiednich pikseli jest tłumiony ((2) Technologia elektrycznej izolacji pikseli). Ponadto, ponieważ dolna część OPF jest pokryta elektrodą pikselową do zbierania ładunku sygnału generowanego w OPF oraz elektrodą do rozładowywania ładunku, padające światło, które nie może zostać pochłonięte przez OPF, nie dociera do strony obwodu. To tłumi transmisję ((3) Struktura tłumienia transmisji światła). Dzięki powyższym trzem technologiom możliwe jest tłumienie ładunków świetlnych i sygnałowych, które wchodzą z sąsiednich pikseli. W rezultacie przesłuchy kolorów można zredukować do prawie idealnego kształtu, jak pokazano na charakterystyce widmowej pokazanej na rysunku 2, a dokładne odwzorowanie kolorów uzyskuje się niezależnie od koloru źródła światła (rysunek 3).

Technologia ta umożliwia dokładne odwzorowanie i kontrolę kolorów nawet w środowiskach, w których konwencjonalne czujniki obrazu mają trudności z odtworzeniem oryginalnych kolorów, na przykład w fabrykach, w których stosuje się światło magenta. Możliwe jest również dokładne odwzorowanie kolorów substancji z subtelnymi zmianami koloru, takich jak żywe organizmy. Może być również stosowany do zarządzania chorobami skóry, monitorowania warunków zdrowotnych oraz kontroli owoców i warzyw. Co więcej, w połączeniu z charakterystyką wysokiego nasycenia i funkcją globalnej migawki naszego czujnika obrazu OPF CMOS*może przyczynić się do powstania wysoce niezawodnych systemów obrazowania, które są wysoce tolerancyjne na zmiany typu źródła światła, natężenia oświetlenia i prędkości.

Przetwornik obrazu BSI Si CMOS	Przetwornik obrazu OPF CMOS
Rysunek 1. Porównanie struktury pikseli (obraz w przekroju)

Przetwornik obrazu BSI Si CMOS	Przetwornik obrazu OPF CMOS
Rysunek 2. Porównanie charakterystyk widmowych

Rysunek 3. Porównanie obrazowania karty kolorów przy różnych źródłach światła

Główne cechy

Ten rozwój opiera się na następujących technologiach.

• Technologia przerzedzania folii fotoelektrycznej z 10-krotnie wyższą absorpcją światła
• Technologia elektrycznej izolacji pikseli, która rozładowuje niepotrzebne ładunki na granicach pikseli
• Struktura tłumiąca transmisję światła, która tłumi transmisję światła przez część konwersji fotoelektrycznej

Szczegóły technologii

1. Technologia przerzedzania folii fotoelektrycznej z 10-krotnie wyższą absorpcją światła

Współczynnik absorpcji światła opracowanego tym razem OPF jest około 10 razy wyższy niż krzemu (rysunek 4). Odległość wymagana do absorpcji światła jest zmniejszona, co pozwala na zaprojektowanie OPF cieńszego niż fotodiody krzemowe i zasadniczo możliwe jest zmniejszenie ukośnego padania światła z sąsiednich pikseli, co jest czynnikiem wpływającym na przesłuch kolorów (Rysunek 5).

Rysunek 4. Współczynniki absorpcji optycznej OPF i Si

Przetwornik obrazu BSI Si CMOS	Przetwornik obrazu OPF CMOS
Rysunek 5. Porównanie efektów padającego ukośnie światła

2. Technologia elektrycznej izolacji pikseli, która rozładowuje niepotrzebne ładunki na granicach pikseli

Ładunki generowane na granicach pikseli obejmują ładunki sygnałowe pochodzące z sąsiednich pikseli z powodu padającego ukośnie światła, co przyczynia się do przesłuchu kolorów i degradacji rozdzielczości. W konwencjonalnych krzemowych czujnikach obrazu warstwa ekranująca światło jest umieszczona na granicy między pikselami, aby zapobiec ukośnemu padaniu światła. Jednak światło odbite przez warstwę ekranującą światło staje się światłem rozproszonym i wnika w sąsiednie piksele, po czym ulega dyfrakcji, owijając się wokół, co skutkuje niewystarczającą osłoną przed światłem. Dlatego firma Panasonic opracowała strukturę, która rozładowuje ładunek sygnału spowodowany padającym światłem na granicach pikseli i tłumi wnikanie ładunku sygnału z sąsiednich pikseli, umieszczając nową elektrodę wyładowczą na granicach pikseli. Jak pokazano na rysunku 6, dzięki zastosowaniu elektrody wyładowczej ładunek generowany na granicach pikseli jest rozładowywany, co pozwala na powstrzymanie pogorszenia jakości obrazu.

Rysunek 6. Ładunek sygnału w OPF

3. Struktura tłumiąca transmisję światła, która tłumi transmisję światła przez część konwersji fotoelektrycznej

Światło padające na przetwornik fotoelektryczny (fotodioda w krzemowych przetwornikach obrazu, OPF w przetwornikach obrazu OPF CMOS) jest fotoelektrycznie przekształcane w ładunki sygnałowe. Jednak część światła nie jest przekształcana fotoelektrycznie i przechodzi przez nie, przyczyniając się do przesłuchu kolorów. Światło czerwone, które ma dłuższą długość fali i niższą energię w porównaniu z innym światłem, jest łatwiejsze do penetracji i ma większy przesłuch. Jak pokazano na rysunku 7, krzemowy przetwornik obrazu przepuszcza około 20% światła o długości fali 600 nm, podczas gdy przetwornik obrazu OPF CMOS przepuszcza tylko 1% światła o tej samej długości fali. Spód OPF pokryty jest elektrodą pikselową do zbierania ładunków sygnałowych oraz elektrodą do rozładowywania ładunków. Dlatego padające światło, które nie może być całkowicie pochłonięte przez OPF, jest pochłaniane lub odbijane przez elektrodę, a światło odbite jest ponownie pochłaniane przez OPF. Ponadto, ponieważ przestrzeń między elektrodą pikselową a elektrodą wyładowczą jest bardzo mała, światło ma trudności z przejściem przez dolną część OPF. W rezultacie czujniki obrazu OPF CMOS są strukturalnie bardzo odporne na przesłuchy kolorów.

Przetwornik obrazu BSI Si CMOS	Przetwornik obrazu OPF CMOS
7. Symulacja natężenia światła w przekroju piksela

W przyszłości zaproponujemy te technologie przetworników obrazu OPF CMOS do różnych zastosowań, takich jak komercyjne kamery nadawcze, kamery monitorujące, przemysłowe kamery inspekcyjne i kamery samochodowe. Wniesiemy również wkład w wysoce niezawodne systemy obrazowania, które są wysoce tolerancyjne na zmiany typu źródła światła, natężenia oświetlenia i prędkości (Rysunek 8).

Rysunek 8. Przykład zastosowania przetwornika obrazu OPF CMOS

Panasonic zaprezentuje niektóre z tych technologii na międzynarodowej konferencji naukowej Image Sensors Europe 2023, która odbędzie się w Londynie w Wielkiej Brytanii w dniach 15-16 marca 2023 r.

*[Press release] Panasonic opracowuje pierwszą w branży technologię 8K o wysokiej rozdzielczości i wysokiej wydajności z globalną migawką, wykorzystującą sensor obrazu CMOS z folii organicznej fotoprzewodzącej

Terminy techniczne

[1] Tablica Bayera
Jedna z tablic filtrów kolorów zainstalowanych w każdym pikselu w celu uzyskania informacji o kolorze. Jest ułożony wielokrotnie w jednostkach 4 pikseli RGGB. Ponieważ każdy piksel ma tylko informacje o kolorze R, G lub B, inne informacje o kolorze są interpolowane z otaczających pikseli.

[2] Przesłuch koloru
Mieszanie sygnałów z jednego piksela do sąsiedniego piksela. W przetworniku obrazu typu Bayer, ponieważ sąsiednie piksele mają różne kolory, sygnały kolorów są mieszane, co skutkuje stanem, w którym nie można dokładnie odtworzyć kolorów.

[3] Odwzorowanie kolorów
Jak dokładnie przechwycony obraz może odwzorować kolory obiektu. Ma na to wpływ widmo czujnika obrazu, widmo źródła światła i widmo odbicia obiektu docelowego.