Японці зуміли прискорити CMOS-матриці

Дослідники з японського Університету Тохоку знайшли спосіб зробити CMOS-матриці відеокамер придатними для високошвидкісної зйомки. Свою розробку, як повідомляє IEEE Spectrum, дослідники представили на конференції IEDM в Сан-Франциско на початку грудня. Суть нової технології полягає у виділенні для кожного пікселя матриці свого осередку пам'яті. Матриця, що вийшла, здатна вести зйомку з частотою одного мільйона кадрів на секунду без зниження дозволу зйомки.

Сучасні CMOS-матриці досить повільні. Найкращі комерційні зразки таких матриць можуть вести зйомку з частотою 25 кадрів на секунду при повній роздільній здатності і до 250 тисяч кадрів на секунду - при зниженій роздільній здатності. Це пов'язано з тим, що під час зйомки напруга на пікселях матриці зчитується послідовно за рядами. Під час зйомки дуже швидких об'єктів це може призводити до «степосовування» зображення - поділу об'єкта зйомки на смуги.

Цього недоліку позбавлені CCD-матриці. У них значення напруги на всіх пікселях під час зйомки зчитується одночасно. Однак, на відміну від CMOS-маріць, CCD під час простою і під час зйомки споживають багато енергії. Крім того, CCD-матриці при високошвидкісній зйомці сильно нагріваються, що призводить до різкого і значного посилення рівня шумів на зображенні. Такі матриці використовуються в дорогій фото- і відеотехніці. Організація додаткового охолодження для них зробить апаратуру ще дорожчою.

Під час досліджень японські розробники створили CMOS-матрицю 128 пікселів за шириною і 96 пікселів за висотою. Кожен піксель матриці отримав 480 комірок аналогової пам'яті (розмір однієї комірки не уточнюється). Сама пам'ять виконана на основі конденсаторів, здатних накопичувати різну напругу. Справа в тому, що при зйомі пікселі матриці не здатні видавати фіксовану напругу, а значить для зберігання зчитуваних значень звичайна пам'ять не підходить, оскільки вона може записувати лише логічні 0 або 1.

Розроблена японськими дослідниками матриця може бути об'єднана з іншими такими ж. У результаті можна отримати світлочутливий елемент з роздільною здатністю в кілька мегапікселів. Під час зйомки читання значень з пікселів відбувається одночасно по всій матриці з одночасним записом цих значень у комірки пам'яті. Такий підхід дозволили істотно поліпшити якості і частоту зйомки.

Тим не менш, через використання пам'яті для кожного пікселя нова матриця має серйозне обмеження - вона може послідовно зробити тільки 480 кадрів. Потім потрібно читання даних з пам'яті, їх об'єднання і запис на вже стандартний носій. Під час читання з пам'яті матриці зйомка нових кадрів неможлива. Це означає, що при безперервній зйомці кожні 480 кадрів відеозапис буде перериватися.

Інші подробиці про нову розробку японські дослідники поки не розкривають. Крім того, невідомо, як скоро нова розробка стане випускатися серійно.

У квітні минулого року інші японські дослідники представили камеру, здатну вести зйомку з частотою одного трильйона кадрів на секунду. У новій камері використовується CCD-матриця, через складну систему дзеркал фіксує відображене випромінювання від лазерного спалаху. У всіх підсистемах камери використовуються тільки оптичні компоненти, що працюють зі швидкостями порівнянними зі швидкістю світла.