Nuevo sensor CMOS Xensium-FT de Grass Valley

Si bien la tecnología CCD fue durante muchos años la mejor opción de sensores de imágenes en aplicaciones de teledifusión, la última generación de sensores CMOS de Grass Valley ofrece una amplia gama de ventajas sobre los CCD.  Esto incluye una mejor sensibilidad aún en modo progresivo, mayor potencial de resolución, rango dinámico ampliado y velocidad superior de exploración de cuadros por segundo.  El sensor CMOS Xensium-FT está estableciendo un nuevo estándar en la gama alta de cámaras de teledifusión.

Rolling-Shutter.   Los sensores CMOS comunes pueden producir imágenes distorsionadas en circunstancias especiales de trabajo.  Cuando la escena está expuesta a disparos múltiples de flash de cámaras fotográficas, es posible que una sección del cuadro se muestre oscura.  De igual forma, imágenes con movimiento muy rápido se muestran inclinadas o fuera de posición. Esto se debe a que la captura de la imagen no ocurre en un fotograma de video fijo o de en un solo instante en el tiempo, sino más bien a través de la exploración vertical u horizontal del cuadro. En otras palabras, no todas las partes de la imagen se registran exactamente en el mismo instante.  El obturador global del sensor Xensium-FT expone cada cuadro por 1/60 de un segundo, eliminando completamente el efecto Rolling-Shutter al bloquear cada pixel a la exposición de la luz durante el proceso de exploración.

Figura 1

Figura 1

Conversor A/D.  En los sensores CCD la carga individual de cada píxel es movida a través del CCD a un solo punto de muestra donde se convierte de una carga a un voltaje, a través de un conversor A/D externo. Este proceso consume mucha energía, produce mucho calor y requiere una velocidad muy alta del reloj interno.  En los sensores CMOS Xensium-FT, la carga contenida en cada píxel se muestrea de forma individual y es convertida a voltaje. Los voltajes de cada píxel se dirigen a través de una matriz y son enviados a la salida. Este proceso no demanda mucho consumo de energía, produce muy bajo calor y utiliza una velocidad de reloj interno muy baja al contar con múltiples conversores A/D en lugar de uno solo.

Figura 2

Figura 2

Sensibilidad.  Los sensores CCD siempre han tenido la ventaja de ser capaces de agregar o sumar la carga de dos pixeles adyacentes duplicando la carga total de la señal. Como los sensores CMOS convierten la señal de A/D en el interior de cada píxel, esta propiedad aditiva no existe en estos sensores.  Sin embargo, cuando se trata de formatos progresivos, esta ventaja desaparece en los CCD pues en este modo de trabajo no se combina la carga de pixeles adyacentes, perdiendo sensibilidad en un factor de 2 (1 F Stop).  Adicionalmente, los sensores CCD requieren una velocidad de lectura superior, en contraste con el CMOS que lee en paralelo a velocidades más bajas. Como el nivel de ruido aumenta proporcionalmente a la raíz cuadrada del ancho de banda, duplicarlo en el modo progresivo significa una pérdida adicional de 3dB en el rendimiento de ruido, llegando a un total de al menos 9 dB.   Por lo tanto, en los modos entrelazados, las cámaras con CCD ofrecen más del doble de sensibilidad en comparación con los formatos progresivos.  Con CMOS, la sensibilidad en los modos entrelazado y progresivo es prácticamente la misma.  Hasta ahora, el modo de exploración 1080i ha sido la referencia para especificar la sensibilidad de cámaras que utilizan sensores CCD, principalmente porque muestra mejores números.  En el futuro, los formatos progresivos (1080p50 o 1080p59.94) serán mucho más importantes, sobre todo porque en la televisión del futuro (como 4K, 8K y más allá) sólo utilizarán el modo progresivo.  Las cámaras GV con sensores Xensium-FT, cuando se utilizan en modo 1080i, ofrecen por lo menos igual o mejor sensibilidad que la mayoría de los casos de cualquier otro sensor CCD del mercado. Pero en formatos progresivos, las cámaras con sensores CMOS Xensium-FT ofrecen una mejora de 6 dB en la sensibilidad por encima de cualquier cámara CCD en el mercado. Esta sola característica deja claro que el final de la vida de la tecnología CCD en aplicaciones de teledifusión ya aconteció.

Figura 3

Figura 3

Píxeles 3T versus Píxeles 5T.  Los sensores CMOS usados hasta la fecha en aplicaciones de teledifusión utilizan píxeles 3T (véase la Figura 4). Esto significa que cada píxel tiene tres transistores. En estos píxeles, un fotodiodo convierte la luz entrante (fotones) en una señal de carga (electrones). Esta carga se almacena dentro de un capacitor que está conectado directamente al fotodiodo.  El transistor SFT (en el centro), el cual está conectado directamente al fotodiodo y al capacitor, convierte la señal de carga en un voltaje. El segundo transistor SEL (a la derecha), conmuta la señal a la salida para la lectura.  Después de la lectura de la señal, el tercer transistor RST (a la izquierda), desgarga el fotodiodo y el capacitor permitiendo que la próxima exposición pueda iniciar.  Puesto que no hay espacio físico para una memoria dentro del pixel, es evidente que el tiempo de exposición y el tiempo de lectura no pueden separarse en un diseño de píxeles 3T.  Dado que los píxeles tienen que ser leídos uno tras otro, cada píxel tiene un inicio y un final de tiempo de exposición diferente.  Por lo tanto, los sensores CMOS que utilizan píxeles 3T siempre serán propensos a exhibir un comportamiento de Rolling-Shutter.

Figura 4

Figura 4

Las nuevas cámaras LDX con sensores Xensium-FT de Grass Valley están basadas en un diseño de píxeles 5T (véase la Figura 5).  El primero de los transistores adicionales (TXG o transistor de compuerta de transferencia) se utiliza para controlar la transferencia de la carga desde el fotodiodo al capacitor. Luego que se realiza la transferencia, el transistor abre la conexión entre los dos componentes, y el fotodiodo puede ser descargado por el transistor SG, iniciando una nueva exposición.  La carga de la señal que se almacena en el capacitor puede ser leída cuando sea ecesario. Después de la lectura de la señal, el transistor adicional de restablecimiento (RST) restablecerá la carga del capacitor preparándolo para la siguiente transferencia de señal del fotodiodo.  Los dos transistores adicionales por píxel permiten la separación del período de exposición y el período de transferencia.  Debido a esto, el sensor de imágenes Xensium-FT ofrece lo que es denominado comportamiento obturador global, idéntico a todos los CCDs. Las cámaras con sensores Xensium-FT no tienen ninguna limitación propia de los anteriores sensores CMOS con efecto Rolling-Shutter,  tales como sensibilidad a movimientos rápidos de cámara con tiempo de exposición corto y sensibilidad a la luz flash. En este aspecto,  los nuevos sensores Xensium-FT no son  diferentes a ninguno de los mejores CCD. 

Figura 5

Figura 5

Si los 2 transistores adicionales por píxel son tan importantes en los sensores CMOS, ¿por qué nadie los implementó antes? Una mirada histórica al camino de fabricación de sensores responde esta pregunta. Un sensor de imágenes HD 2/3" con 1920 x 1080 píxeles progresivos tiene un píxel de tamaño de 5 micras x 5 micras.  En el momento de desarrollo del sensor original CMOS Xensium™ de 3T, la tecnología de enmascaramiento 0,25 micras era la mejor disponible. Utilizando esta tecnología de enmascaramiento, los 3 transistores ocupan alrededor del 44% del tamaño del píxel total y sólo el 56% restante se utiliza para el foto-diodo que convierte la luz que entra a señal de carga. Esto se conoce como el factor de relleno.  Con los 2 transistores adicionales necesarios para un píxel 5T, el factor de relleno sería de alrededor de sólo 40%, lo que habría reducido la sensibilidad de los píxeles 5T a un valor inaceptable de 1/3 menor.

¿Cuál es la diferencia en el nuevo sensor de imágenes Xensium-FT?   El nuevo sensor de imágenes Xensium-FT desarrollado recientemente, utiliza una máscara de solo 0,18 micras haciendo el tamaño de los transistores mucho más pequeños. Por lo tanto, el sensor Xensium-FT 5T ofrece un píxel con un factor de relleno similar al sensor original Xensium de 3T.  Estas diferencias se pueden ver en la ilustración en la Figura 6.

Figura 6

Figura 6