На годовой конференции International Solid-State Circuits Conference 2018 (ISSCC), стартовавшей 11 февраля в Сан-Франциско, компания Sony представила новую архитектуру датчиков изображения. Созданный в компании датчик с 1,46 млн эффективных пикселей способен без искажений снимать со скоростью до 660 кадров в секунду. Избежать искажений в фокальной плоскости при съёмке движущихся объектов удалось за счёт работы датчика в режиме глобального затвора, когда данные одновременно снимаются со всего массива пикселей, а не построчно.
Пример изображения, полученного с новых датчиков (светосила f/2,8, освещение 7300 люкс, выдержка 0,56 мс, гамма 1.0)
Но даже режима глобального затвора могло оказаться недостаточно для эффективной скоростной съёмки. Для улучшения работы датчиков Sony полностью изменила архитектуру аналогово-цифровых преобразователей. Традиционно АЦП считывают и преобразовывают данные с датчиков построчно, что создаёт временной лаг при обработке целого кадра и ведёт к искажениям при съёмке быстродвижущихся объектов. Поэтому в компании разработали архитектуру, которая даёт возможность считывать данные одновременно со всех пикселей. И не просто считывать, что компания ранее уже реализовала в виде встроенного в датчик буфера памяти, а производить параллельное аналогово-цифровое преобразование сигнала с каждого пикселя. Ещё раз — каждый пиксель датчика подсоединён к 14-битному АЦП.
Новые датчики состоят из двух выпускаемых отдельно частей, которые затем соединяются в один чип
Переход от построчной к попиксельной обработке сигнала привёл к 1000-кратному увеличению количества блоков АЦП в составе логики для обработки сигнала. Соответственно, это должно было привести к многократному увеличению потребления датчиков и обвязки. Однако инженеры Sony этого не допустили. Компараторы в АЦП работают на напряжениях ниже пороговых значений с малыми токами. Потребление 1,46-Мп датчика составляет 654 мВт для режима сниженного потребления и 746 мВт для режима съёмки со сниженным уровнем шумов. При этом получаемая с датчиков картинка имеет максимальное разрешение 1632 × 896 пикселей.
Новый датчик изображения Sony состоит из двух частей: из датчика со светочувствительными фотодиодами с обратным освещением и из блока с АЦП и управляющей логикой. В последнем блоке также расположена память для хранения промежуточных данных цифрового изображения. Для надёжного объединения обоих частей датчика в единую схему пришлось разработать специальную технологию поконтактного соединения медь-медь, как её назвали в Sony. В этой схеме каждый пиксель датчика соединяется с входом предназначенного для него АЦП. Для этого нужна небывалая механическая точность, иначе часть пикселей просто не будут работать.
Срез датчика, демонстрирующий необходимость высокой точности совмещения пиксельной матрицы и логики
О планах начать массовое производство датчиков с попиксельным преобразованием компания не сообщает. Впрочем, для конференций уровня ISSCC это обычная практика. На конференцию съезжаются инженеры, а не представители маркетинга.
