Panasonic blogt over de verbeterde overspraak van organische sensoren, maar praat niet over foto’s: Digital Photography Review
| Panasonic claimt minder verspilling van licht en lading tussen pixels zorgt voor een beter onderscheid tussen kleuren. |
Panasonic heeft een blogpost gepubliceerd waarin de geclaimde voordelen worden gepromoot van de organische-film-CMOS-sensor die het sinds 2013 ontwikkelt. Terwijl het bedrijf eerder sprak over het vermogen van de organische-filmsensor om een globale sluiter, een breed dynamisch bereik en een variabel ND-effect te leveren, de nieuwe blogpost bespreekt de verminderde kleuroverspraak die Panasonic zegt dat de sensor kan vertonen.
Verminderde kleuroverspraak betekent dat de rode, groene en blauwe pixels van de sensor alleen hun beoogde kleur verzamelen en dat licht of lading niet over de andersgekleurde pixels vloeit. Dit belooft een grotere kleurnauwkeurigheid, vooral bij lichtbronnen met vreemde kleuren die tussen twee van deze primaire kleuren vallen (met name zeer gele, cyaan of magenta verlichting).
Panasonic belicht drie technologieën die deze verminderde overspraak mogelijk maken:
Een deel van het voordeel komt van het feit dat de fotogeleidende filmlaag effectiever is in het absorberen van elektronen dan silicium (tot 10x voor groen licht, zegt het bedrijf), waardoor de filmlaag erg dun kan zijn. Deze dunheid betekent dat er een smaller bereik van hoeken is waaronder licht dat de aangrenzende pixel raakt, door het lichtgevoelige gedeelte en in de aangrenzende pixel kan gaan. Het maakt de fysieke scheiding van verschillend gekleurde pixels effectiever.
Het tweede aspect van overspraakreductie is een reeks ontladingselektroden aan de randen van pixels: deze onttrekken lading die wordt gegenereerd aan de grenzen tussen pixels, zodat lading van de aangrenzende pixel niet wordt opgevangen. Deze ontladingselektroden werden niet getoond op eerdere diagrammen van Panasonic en kunnen resulteren in een vermindering van de efficiëntie van de sensor, aangezien een deel van de lading die wordt gegenereerd door de organische laag wordt weggeleid in plaats van naar beeldvorming te gaan.
Het laatste voordeel dat Panasonic claimt, is dat de elektrode achter de organische laag voorkomt dat licht met een langere golflengte (vooral rood licht) doordringt tot voorbij het lichtgevoelige gebied, in het circuit van de sensor. In het ontwerp van Panasonic reflecteert de elektrode niet-geabsorbeerd licht terug in de organische laag, waardoor het kan worden geabsorbeerd; het bedrijf beweert dat slechts 1% van het rode licht (gemeten bij een golflengte van 600 nm) doordringt tot in het sensorcircuit, vergeleken met 20% in sommige CMOS-ontwerpen.
 |
| Het minimaliseren van pixels die licht van hun buren verzamelen, zou met name waardevol moeten zijn bij uitdagende verlichting die tussen twee van de primaire sensoren van de sensor valt. |
De organische fotogeleidende film die in de sensor wordt gebruikt, werd oorspronkelijk in 2011 gepatenteerd door Fujifilm, dat vervolgens in 2013 een samenwerking met Panasonic aanging om een sensor te ontwikkelen. Panasonic heeft vervolgens een 8K-compatibele sensor gemaakt op basis van de technologie en een camera uitgebracht die deze gebruikt.
In deze nieuwste blogpost worden echter commerciële uitzendingen, industriële machinevisie, geneeskunde, auto’s en gezondheidszorg voorgesteld als toepassingen waarin de sensor voordelen zou kunnen bieden: het bedrijf neemt fotografie niet op in de lijst.
Blogpost:
Panasonic ontwikkelt organische fotogeleidende film (OPF) CMOS-beeldsensortechnologie die uitstekende kleurreproduceerbaarheid bereikt onder elke lichtbronbestraling
Osaka, Japan – Panasonic Holdings Corporation heeft aangekondigd dat het een uitstekende kleurreproductietechnologie heeft ontwikkeld die kleuroverspraak onderdrukt door de foto-elektrische conversielaag te verdunnen met behulp van de hoge lichtabsorptiesnelheid van het Organic Photoconductive File (OPF) en door gebruik te maken van elektrische pixelscheidingstechnologie. In deze technologie zijn het OPF-gedeelte dat foto-elektrische conversie uitvoert en het circuitgedeelte dat de elektrische lading opslaat en uitleest volledig onafhankelijk. Deze unieke gelaagde structuur vermindert drastisch de gevoeligheid van elke pixel in groen, rood en blauw in golflengtegebieden buiten het doelbereik. Als gevolg hiervan wordt kleuroverspraak verminderd, worden uitstekende spectrale kenmerken verkregen en wordt nauwkeurige kleurreproductie mogelijk gemaakt, ongeacht het type lichtbron.
Abstract
Conventionele Bayer-array-type silicium beeldsensoren hebben niet voldoende kleurscheidingsprestaties voor groen, rood en blauw. Daarom was het bijvoorbeeld onder lichtbronnen met pieken bij specifieke golflengten, zoals cyaan licht en magenta licht, moeilijk om kleuren nauwkeurig te reproduceren, herkennen en beoordelen.
Onze OPF CMOS-beeldsensor heeft een unieke structuur waarin het foto-elektrische conversiegedeelte dat licht omzet in een elektrisch signaal een organische dunne film is, en de functie van het opslaan en uitlezen van de signaallading wordt uitgevoerd in het circuitgedeelte, dat volledig onafhankelijk is van elkaar (Figuur 1). Als resultaat is het, in tegenstelling tot conventionele beeldsensoren van silicium, mogelijk om foto-elektrische conversiekarakteristieken te verschaffen die niet afhankelijk zijn van de fysieke eigenschappen van silicium. De OPF met zijn hoge lichtabsorptie maakt het dunner maken van het foto-elektrische conversiegedeelte mogelijk ((1) Foto-elektrische conversie filmverdunningstechnologie). Door een ontladingselektrode aan te brengen bij de pixelgrenzen, wordt de signaallading als gevolg van het invallende licht bij de pixelgrenzen ontladen en wordt de signaallading van aangrenzende pixels onderdrukt ((2) Elektrische pixelisolatietechnologie). Bovendien, aangezien het onderste deel van de OPF is bedekt met de pixelelektrode voor het verzamelen van de signaallading die wordt gegenereerd in de OPF en de elektrode voor het ontladen van de lading, bereikt invallend licht dat niet kan worden geabsorbeerd door de OPF de circuitzijde niet. Dit onderdrukt de transmissie ((3) Onderdrukkingsstructuur voor lichttransmissie). Met de bovenstaande drie technologieën is het mogelijk om licht- en signaalladingen te onderdrukken die binnenkomen van aangrenzende pixels. Hierdoor kan kleuroverspraak worden gereduceerd tot een bijna ideale vorm, zoals weergegeven in de spectrale kenmerken in afbeelding 2, en wordt een nauwkeurige kleurreproductie bereikt, ongeacht de kleur van de lichtbron (afbeelding 3).
Deze technologie maakt nauwkeurige kleurreproductie en -inspectie mogelijk, zelfs in omgevingen waar het voor conventionele beeldsensoren moeilijk is om de originele kleuren te reproduceren, zoals fabrieken die magenta licht gebruiken. Ook is het mogelijk om de kleuren van stoffen met subtiele kleurveranderingen nauwkeurig weer te geven, zoals levende organismen. Het kan ook worden toegepast voor het beheersen van huidaandoeningen, het bewaken van gezondheidsproblemen en het inspecteren van groenten en fruit. Bovendien in combinatie met de hoge verzadigingskarakteristieken en globale sluiterfunctie van onze OPF CMOS-beeldsensor*kan het bijdragen aan zeer robuuste beeldvormingssystemen die zeer tolerant zijn ten opzichte van veranderingen in lichtbrontype, verlichtingssterkte en snelheid.
 |
|
| BSI Si CMOS-beeldsensor | OPF CMOS-beeldsensor |
| Figuur 1. Vergelijking van pixelstructuur (dwarsdoorsnedebeeld) | |
 |
|
| BSI Si CMOS-beeldsensor | OPF CMOS-beeldsensor |
| Figuur 2. Vergelijking van spectrale kenmerken | |
 |
| Figuur 3. Vergelijking van kleurenkaartbeelden onder verschillende lichtbronnen |
Belangrijkste kenmerken
Deze ontwikkeling is gebaseerd op de volgende technologieën.
- Foto-elektrische conversie filmverdunningstechnologie met 10 keer hogere lichtabsorptie
- Elektrische pixelisolatietechnologie die onnodige ladingen ontlaadt bij pixelgrenzen
- Onderdrukkingsstructuur voor lichttransmissie die de transmissie van licht door het foto-elektrische conversiegedeelte onderdrukt
Details van de technologieën
-
Foto-elektrische conversie filmverdunningstechnologie met 10 keer hogere lichtabsorptie
De lichtabsorptiecoëfficiënt van de OPF die dit keer is ontwikkeld, is ongeveer 10 keer hoger dan die van silicium (Figuur 4). De afstand die nodig is voor lichtabsorptie wordt verkort, waardoor de OPF dunner kan worden ontworpen dan siliciumfotodiodes, en in principe is het mogelijk om schuin invallend licht van aangrenzende pixels te verminderen, wat een factor is bij kleuroverspraak (Afbeelding 5).
 |
| Figuur 4. Optische absorptiecoëfficiënten van OPF en Si |
 |
|
| BSI Si CMOS-beeldsensor | OPF CMOS-beeldsensor |
| Figuur 5. Vergelijking van de effecten van schuin invallend licht | |
- Elektrische pixelisolatietechnologie die onnodige ladingen ontlaadt bij pixelgrenzen
De ladingen die aan de pixelgrenzen worden gegenereerd, omvatten signaalladingen die afkomstig zijn van aangrenzende pixels als gevolg van schuin invallend licht, wat bijdraagt aan kleuroverspraak en resolutiedegradatie. Bij conventionele beeldsensoren van silicium is op de grens tussen pixels een lichtafschermende laag aangebracht om schuin invallend licht te voorkomen. Het licht dat wordt gereflecteerd door de lichtafschermende laag wordt echter strooilicht en dringt door in aangrenzende pixels, en wordt afgebogen om zich eromheen te wikkelen, wat resulteert in onvoldoende lichtafscherming. Daarom heeft Panasonic een structuur ontwikkeld die de signaallading veroorzaakt door het invallende licht bij de pixelgrenzen ontlaadt en het binnendringen van signaallading van de aangrenzende pixels onderdrukt door een nieuwe ontladingselektrode bij de pixelgrenzen te plaatsen. Zoals weergegeven in figuur 6, wordt door het aanbrengen van een ontladingselektrode de lading die wordt gegenereerd bij de pixelgrenzen ontladen, waardoor verslechtering van de beeldkwaliteit kan worden onderdrukt.
 |
| Figuur 6. Signaallading in OPF |
- Onderdrukkingsstructuur voor lichttransmissie die de transmissie van licht door het foto-elektrische conversiegedeelte onderdrukt
Licht dat op de foto-elektrische convertor valt (fotodiode in siliciumbeeldsensoren, OPF in OPF CMOS-beeldsensoren) wordt foto-elektrisch omgezet in signaalladingen. Een deel van het licht wordt echter niet foto-elektrisch omgezet en gaat door, wat bijdraagt aan kleuroverspraak. Rood licht, dat een langere golflengte en lagere energie heeft in vergelijking met ander licht, is gemakkelijker door te dringen en heeft meer overspraak. Zoals weergegeven in afbeelding 7, laat een siliciumbeeldsensor ongeveer 20% van het licht met een golflengte van 600 nm door, terwijl een OPF CMOS-beeldsensor slechts 1% van het licht met dezelfde golflengte doorlaat. De onderkant van de OPF is bedekt met een pixelelektrode voor het verzamelen van signaalladingen en een elektrode voor het ontladen van ladingen. Daarom wordt invallend licht dat niet volledig kan worden geabsorbeerd door de OPF geabsorbeerd of gereflecteerd door de elektrode, en het gereflecteerde licht wordt weer geabsorbeerd door de OPF. Bovendien is het, aangezien de ruimte tussen de pixelelektrode en de ontladingselektrode erg klein is, moeilijk voor licht om door het onderste deel van de OPF te gaan. Als gevolg hiervan zijn OPF CMOS-beeldsensoren structureel zeer tolerant ten opzichte van kleuroverspraak.
 |
|
| BSI Si CMOS-beeldsensor | OPF CMOS-beeldsensor |
| 7. Lichtintensiteitssimulatie bij pixeldwarsdoorsnede | |
In de toekomst zullen we deze OPF CMOS-beeldsensortechnologieën voorstellen voor verschillende toepassingen, zoals commerciële omroepcamera’s, bewakingscamera’s, industriële inspectiecamera’s en camera’s voor auto’s. We zullen ook bijdragen aan zeer robuuste beeldvormingssystemen die zeer tolerant zijn voor veranderingen in lichtbrontype, verlichtingssterkte en snelheid (Afbeelding 8).
 |
| Afbeelding 8. Toepassingsvoorbeeld van OPF CMOS-beeldsensor |
Panasonic zal een aantal van deze technologieën presenteren op de internationale academische conferentie Image Sensors Europe 2023, die van 15 tot 16 maart 2023 wordt gehouden in Londen, VK.
*[Press release] Panasonic ontwikkelt de eerste 8K High-Resolution, High-Performance Global Shutter-technologie in de branche met behulp van de CMOS-beeldsensor met organische fotogeleidende filmhttps://news.panasonic.com/global/press/en180214-2
Technische termen
[1] Bayer-array
Een van de reeksen kleurfilters die in elke pixel zijn geïnstalleerd om kleurinformatie te verkrijgen. Het is herhaaldelijk gerangschikt in eenheden van 4 pixels van RGGB. Aangezien elke pixel alleen R-, G- of B-kleurinformatie heeft, wordt andere kleurinformatie geïnterpoleerd uit omringende pixels.
[2] Overspraak in kleur
Het mixen van signalen van een pixel naar een aangrenzende pixel. In een beeldsensor van het Bayer-arraytype worden, aangezien aangrenzende pixels verschillende kleuren hebben, kleursignalen gemengd, wat resulteert in een toestand waarin nauwkeurige kleuren niet kunnen worden gereproduceerd.
[3] Kleurweergave
Hoe nauwkeurig het vastgelegde beeld de kleuren van het onderwerp kan reproduceren. Dit wordt beïnvloed door het spectrum van de beeldsensor, het spectrum van de lichtbron en het reflectiespectrum van het doelobject.
Credit : Source Post
