Un libro sobre la tecnología CCD
Dado que Sony y Fuji fabrican mejores CCD, nos centramos en el desarrollo de su tecnología CCD. Si usted es un profesional de TI o el jefe de un fabricante de TI, después de leer esto, debería analizar detenidamente lo que debe aprender de las empresas de TI japonesas. ¿Por qué hay tantos fanáticos de Sony y de Fuji ahora? ¿Es esto simplemente porque a su mercado le está yendo bien? ¿Están funcionando bien los canales de venta? ¡Aprenda del estilo realista de los demás, aprenda de la visión estratégica de los demás y aprenda del espíritu de trabajo duro de los demás!
Nota: Este artículo tiene un gran valor referencial para expertos que utilizan cámaras digitales y videocámaras digitales o profesionales relacionados con este campo.
1. Desarrollo de la tecnología CCD de Sony
Debido al complejo proceso de producción de CCD, hasta el momento sólo seis fabricantes en el mundo, entre ellos Sony, Fujifilm, Kodak, Philips, Panasonic y Sharp, puede producir CCD, siendo Sony el proveedor más importante. Sony es el primer fabricante dedicado a la fabricación de CCD y ha estado desarrollando CCD desde la década de 1970. Desde el inicio de la producción de CCD, la producción acumulada ha superado los 654,38 mil millones de piezas, convirtiéndose en el líder del mercado de CCD con una participación de mercado del 50%. La siguiente es una breve historia del desarrollo de la tecnología CCD de Sony.
En 1969, el Bell Telephone Research Institute de Estados Unidos inventó el CCD. Es un mago que convierte información "luz" en información "eléctrica". En ese momento, en el equipo de desarrollo de Sony, había un joven llamado Yue que estaba muy interesado en CCD y comenzó a estudiar CCD. Pero debido a que esta investigación aún está lejos de la comercialización, cuanto más inteligente es, más sólo puede estudiarse sola y en silencio. En 1973, un operador exigente, Iwatani, entonces vicepresidente de Sony, descubrió una investigación más inteligente y dijo muy emocionado: "¡Esta debería ser una tarea realizada por el departamento de semiconductores de Sony! Bueno, cultivemos esta plántula". Sólo pude dibujar una "S" aproximada con 64 píxeles. Sin embargo, hubo una frase entre Shanshi que desconcertó a Yue Zhi: "Use un CCD para hacer una cámara. Nuestro oponente no es un fabricante de electrodomésticos, sino un fabricante de películas, Eastman Kodak. ¡En ese momento, se podría decir Sony y Kodak!" no tener nada que ver el uno con el otro. ¿Por qué Kodak es un rival? Hoy, casi 40 años después, cuando Sony lanzó la cámara digital F828 de 8 megapíxeles y entró en el mercado, el misterio finalmente quedó revelado. Iwatani dijo: "¡El desarrollo del CCD debería apuntar a una calidad de imagen superior a la de las fotografías en película de Kodak!"
Iwatani es un operador visionario. Cuando Sony empezó a introducir transistores, Iwatani estaba en primera línea. Visitó personalmente los Estados Unidos y envió informes técnicos desde Estados Unidos. Con estos informes, el predecesor de Sony, Tokyo Communication Industry, produjo transistores y se convirtió en un fabricante de semiconductores de clase mundial. En ese momento, el CCD era sólo algo en el laboratorio y nadie pensó que podría convertirse en un producto comercial. Porque según el nivel técnico de la época, en general se creía que era casi imposible utilizar tecnología de circuitos integrados a gran escala para producir perfectamente un CCD con más de 654,38 millones de componentes en un bloque integrado. Generalmente las empresas se retiran de la investigación al descubrir esta situación. Sin embargo, Iwatani no lo cree así. Su conclusión fue: "¡Es precisamente porque nadie ha aprovechado la oportunidad que tenemos que hacerlo!"
En ese momento, era un aprendizaje marginal y era difícil que los esfuerzos mediocres fueran efectivos. Además, este es un estudio muy costoso. Se dice que Sony gastó hasta 20 mil millones de yenes en CCD desde la etapa de desarrollo hasta la comercialización. Aunque la investigación del proyecto solo gastó 3 mil millones de yenes, debido a que el procesamiento y fabricación de CCD requiere mucha tecnología patentada, el proceso de acumulación de tecnología es el más difícil de lograr en producción en masa, por lo que se invirtieron 65,438+0,7 mil millones de yenes en este aspecto. Por lo tanto, este proyecto no sería posible sin el apoyo de un excelente personal de operaciones. Iwatani fue presidente de la sucursal estadounidense de Sony. Después de regresar a Sony en Japón, se desempeñó como vicepresidente y director del Instituto Central de Investigación de Sony. Según Kihara, jefe del equipo de desarrollo de Sony: "Al comienzo de su regreso a Japón, Iwatani inspeccionó a todos los miembros de la Academia Sínica. Con el paso del tiempo, su atención se desplazó gradualmente hacia el desarrollo del CCD. La gente notó que pasó la mitad del tiempo ste día El tiempo lo ocupó Yue Zhicheng, quien se dedicaba a la investigación de CCD. En junio de 1973, finalmente se estableció el proyecto CCD y se estableció un equipo de desarrollo con Yuezhi como núcleo. de toda la empresa se puso en marcha el proyecto. El equipo superó numerosas dificultades y finalmente produjo un bloque integrado que se consideró "imposible" en marzo de 1978, con 110.000 componentes instalados en una placa de circuito. Se necesitaron otros dos años para mejorar la calidad de la imagen y finalmente se construyó la primera cámara CCD en color del mundo. Sobre esta base se comercializaron por primera vez las cámaras CCD. En ese momento, la tasa de rendimiento de CCD era muy baja. Cada 100 piezas eran calificadas, y una vez que la línea de producción estaba a plena capacidad, solo podía producir una pieza. Alguien bromeó: ¡Esta no es la tasa de aprobación, es simplemente la tasa de incidencia! Sony recibió un pedido de ANA por 13 cámaras CCD y la producción del colector CCD utilizado en ellas llevó un año completo.
En octubre de 1980, Iwatani, que fue ascendido a presidente, fijó un nuevo objetivo para el equipo de desarrollo: "Desarrollar una cámara con grabación integrada de vídeo y audio utilizando tecnología CCD". Esta es otra lucha.
Con el lanzamiento de muestras, especificaciones unificadas y los esfuerzos conjuntos del equipo de desarrollo de cámaras CCD y el equipo de desarrollo de cámaras ordinarias, finalmente nació la primera cámara de 8 mm "CCD-V8" en 1985. Han pasado 15 años desde el inicio de la investigación CCD hasta la producción de la primera cámara CCD de 8 mm.
Desde el desarrollo del CCD hasta la comercialización de las cámaras digitales, esto es sólo el comienzo. Todavía queda un largo camino por recorrer antes de que podamos lograr realmente una calidad de imagen comparable a la de las cámaras ópticas. Aunque los CCD utilizados originalmente para cámaras digitales se convirtieron a partir de productos dedicados a grabadoras de vídeo, pronto surgió la "competencia de píxeles" en los CCD dedicados a cámaras digitales y la calidad de los CCD para imágenes fijas mejoró rápidamente.
La siguiente es una breve introducción al desarrollo de Sony en la tecnología de sensores CCD desde que entró en la década de 1980 en orden cronológico:
1 Hay sensores (principios de la década de 1980)
>El sensor HAD (DIODO DE ACUMULACIÓN DE AGUJEROS) es la estructura única de Sony, que agrega una capa positiva de acumulación de orificios en la superficie del sustrato tipo N, tipo P y cuerpo de polo N+2. Gracias al diseño de esta capa de acumulación de agujeros positivos, se puede resolver el problema común de la corriente oscura en la superficie del sensor. Además, se diseña un túnel vertical sobre el sustrato tipo N que permite el paso de los electrones, lo que aumenta la relación de apertura, es decir, también mejora la sensibilidad. A principios de la década de 1980, Sony fue el primero en utilizarlo en productos de obturador electrónico de velocidad variable de estilo interlínea, lo que permitía obtener imágenes claras incluso al fotografiar objetos en rápido movimiento.
2. Microlente en chip (finales de los 80)
A finales de los 80, debido a la contracción de cada píxel en el CCD, el área de recepción de luz se reducirá y el la sensibilidad será menor. Para mejorar este problema, Sony instaló una microlente especial delante de cada fotodiodo para aumentar el área fotosensible del CCD. Por lo tanto, después de usar esta microlente, el área fotosensible no está determinada por el área de apertura del sensor, sino por el área de superficie de la microlente. Por lo tanto, la relación de apertura se ha incrementado en términos de especificaciones y el brillo también se ha mejorado considerablemente.
3. Super tenía CCD (mediados de los años 1990)
Desde mediados de los años 1990, la tecnología CCD se ha desarrollado rápidamente. Al mismo tiempo, el área unitaria del CCD es cada vez más pequeña. Debido a la limitación del área del CCD, la tecnología de microlentes desarrollada por Sony en 1989 no ha podido mejorar el brillo del CCD. Si se aumenta el factor de amplificación del amplificador interno del módulo CCD, el ruido también aumentará y la calidad de la imagen se verá muy afectada. Para resolver este problema, Sony mejoró la tecnología de la pequeña lente utilizada anteriormente para CCD, mejoró la tasa de utilización de la luz y desarrolló una tecnología para optimizar la forma de la lente, a saber, la tecnología Sony SUPER HAD CCD. Las mejoras en esta tecnología mejoran aún más el rendimiento sensorial de los CCD de Sony.
4. Nueva estructura CCD (1998)
A medida que el valor de apertura f de la lente óptica de la cámara continúa aumentando, entra cada vez más luz oblicua, pero más holmio. no puede incidir al 100% en el sensor CCD, lo que limita la sensibilidad del CCD. En 1998, Sony notó el impacto negativo de este problema en la calidad de la imagen y llevó a cabo relaciones públicas técnicas. Para mejorar este problema, agregaron una lente interna entre el filtro de color y la película protectora de luz. Después de agregar esta capa de lente, se puede mejorar la trayectoria de la luz interna, de modo que la luz oblicua pueda enfocarse completamente en el fotorreceptor CCD. Al mismo tiempo, la capa aislante entre el sustrato de silicio y el electrodo se adelgaza, de modo que la capa aislante entre el sustrato de silicio y el electrodo se adelgaza. La señal que causa ruido en la imagen CCD vertical no entrará, las características de mancha mejorarán.
5.EXVIEW tiene CCD (1999)
La luz infrarroja con una longitud de onda más larga que la luz visible sufrirá una conversión fotoeléctrica en el chip de silicio semiconductor. Pero hasta ahora, los CCD no pueden recoger eficazmente estas cargas convertidas fotoeléctricamente en sensores. Por lo tanto, la tecnología "EXVIEW HAD CCD" recientemente desarrollada por Sony en 1999 puede convertir efectivamente la luz del infrarrojo cercano que no se había utilizado de manera efectiva antes en datos de imagen para su uso. De este modo, el rango de luz visible se amplía a infrarrojos y el brillo se puede mejorar considerablemente. Cuando se utiliza el módulo "EXVIEW HAD CCD", se pueden obtener fotografías de alto brillo en ambientes oscuros. Además, durante el proceso de conversión fotoeléctrica en lo profundo de la oblea de silicio, los componentes finales que se filtran hacia la parte vertical del CCD también pueden recogerse en el sensor, por lo que el ruido que afecta a la calidad de la imagen se reducirá considerablemente.
A partir de la producción de CCD, la capacidad de producción de Sony ha superado los 654,38 mil millones. En el futuro, Sony reducirá activamente el consumo de energía del producto, reducirá la complejidad de los circuitos de accionamiento, reducirá la cantidad de pines IC, reducirá la carga de los productos electrónicos en el medio ambiente ecológico de la Tierra y desarrollará y diseñará nuevos componentes CCD. Bajo la tendencia de aplicaciones CCD cada vez más diversificadas, las características básicas de la miniaturización CCD y los píxeles altos deben fortalecerse para proporcionar productos más atractivos y de alto valor agregado para satisfacer las necesidades de los usuarios.
6. Tecnología de filtro de cuatro colores (julio de 2003)
El 16 de julio de 2003, Sony anunció oficialmente que utilizaría una nueva tecnología de filtro de color en su nuevo CCD de consumo. Productos con tecnología de filtro de cuatro colores. La actual cámara digital F828 de 8 megapíxeles de Sony se produce utilizando este nuevo diseño CCD.
Sabemos que la percepción de la luz tradicional no es más que roja, verde, azul y RGB.
La unidad de detección de luz CCD/CMOS utilizada en las cámaras digitales utiliza el principio de filtro de color. Cada píxel detecta un color diferente y luego recombina estos colores en un píxel efectivo. El nuevo estándar de filtro de cuatro colores se llama RGBE. En comparación con RGB, Sony considera el nuevo E un estándar de azul brillante, donde E es la abreviatura de la palabra inglesa Emerald (debería considerarse como turquesa). Sony cree que la nueva tecnología de filtro de cuatro colores se acercará más al estándar de reconocimiento de color natural del ojo humano, logrando así un estándar de reproducción de color más realista. Mientras lanzaba la tecnología RGBE, Sony también anunció un nuevo módulo de procesamiento de imágenes que coincide con el nuevo módulo CCD de filtro de cuatro colores. Con la nueva tecnología RGBE y el nuevo módulo de procesamiento de imágenes, el módulo CCD RGBE de nueva generación puede reducir el error de reproducción de color de las cámaras digitales al menos a la mitad, y el efecto de reproducción de los colores azul, verde y rojo de la cámara digital también se mejorará en al mismo tiempo. Además, la nueva unidad de procesamiento de imágenes también se optimizará en términos de consumo de energía, lo que puede ahorrar al menos un 30 % del consumo de energía en comparación con el módulo de procesamiento de imágenes anterior que utiliza tecnología RGB. Por supuesto, la nueva unidad de procesamiento de imágenes aumentará efectivamente la velocidad de disparo y la velocidad de reproducción de las cámaras digitales. Sony cree que el nuevo diseño del módulo RGBE mejorará en general el rendimiento de los productos de cámaras digitales existentes.
2. Desarrollo de Fujifilm Super CCD
Aunque Fujifilm no es tan fuerte como Sony en investigación y desarrollo de CCD, y su proceso de investigación y desarrollo de CCD no es tan largo como el de Sony, su El súper CCD es único.
La tecnología Super CCD de Fuji se desarrolló en 1999. Hoy en día, la mayoría de las cámaras digitales del mercado utilizan CCD de matriz de área como sensores. La desventaja de este tipo de CCD es que el área de píxeles no es consistente con la del CCD, porque para mejorar la calidad de la imagen es necesario aumentar los píxeles del CCD. Por lo tanto, cuando el tamaño del CCD es determinado, aumentar los píxeles significa reducir el número de fotodiodos en los píxeles. Sabemos que cuanto más pequeña es el área de una unidad de píxel, menor es su sensibilidad a la luz, menor es la relación señal-ruido y más estrecho es el rango dinámico. Por tanto, este método no puede aumentar la resolución infinitamente. Por lo tanto, aumentar ciegamente la resolución sin aumentar el área del CCD sólo conducirá al deterioro de la calidad de la imagen. Sin embargo, si desea aumentar los píxeles del CCD manteniendo la calidad de imagen existente, debe aumentar el área total del CCD manteniendo al menos el área de píxeles unitarios. Hasta el día de hoy, todavía es difícil fabricar CCD de mayor tamaño y la tasa de rendimiento es relativamente baja, por lo que el costo no se ha reducido. Esta contradicción es difícil de superar para la CCD. En 1999, Fujifilm se dio cuenta. Para solucionar este problema, desarrollaron el super CCD de primera generación. Super CCD utiliza fotodiodos octogonales y una disposición de píxeles en forma de panal, lo que mejora en gran medida la eficacia espacial de los fotodiodos en cada unidad de píxeles. Después de que los píxeles se organizan en un patrón de panal en un ángulo de 45 grados, se elimina la ruta de la señal de control. El espacio ahorrado permite amplificar el fotodiodo y el fotodiodo octogonal absorbe la luz de manera más eficiente que el fotodiodo rectangular porque está más cerca. Microlentes en forma redonda. La adición de fotodiodos y las mejoras en la eficiencia de absorción de luz aumentan la carga absorbida por cada píxel, mejorando así la sensibilidad y la relación señal-ruido del CCD. Por lo tanto, en comparación con los CCD tradicionales con el mismo número de píxeles, tiene mayor sensibilidad, mayor relación señal-ruido y un rango dinámico más amplio.
En 2001, el super CCD de primera generación ganó el "Premio Walter Kosonokhi" por sus destacados resultados de investigación sobre componentes de cámaras de estado sólido CCD;
Nació el super CCD de segunda generación en 2001. En comparación con el super CCD de primera generación, su número de píxeles es mucho mayor, el ruido se reduce considerablemente y las imágenes capturadas tienen mayor definición. Esta tecnología ha sido muy elogiada, logrando avances en calidad de imagen y detalle.
La tercera generación del super CCD nació en 2002. Se caracteriza por alcanzar ISO1600, grabar películas VGA a 30 fotogramas por segundo y adoptar nuevos algoritmos de procesamiento de imágenes y tecnología de chip.
La cuarta generación del super CCD nació en 2003. A principios de 2003, en el Reino Unido, Fujifilm lanzó en una conferencia de prensa el contenido de la tecnología Super CCD SR/HR, que también es el derivado de cuarta generación de la tecnología Super CCD. A principios de marzo de 2003, en la exposición PMA 2003 en Las Vegas, Estados Unidos, Fujifilm presentó su cámara digital que utiliza tecnología súper CCD de cuarta generación: la Finepix F700. Su aparición anunció que la tecnología súper CCD de cuarta generación de Fujifilm ha entrado oficialmente en la etapa de promoción y aplicación.
El SR de la nueva tecnología súper CCD SR significa "rango súper dinámico", que puede mejorar el efecto de expansión dinámica dos veces o incluso más que la tecnología CCD tradicional existente. El concepto de Super CCD SR es que hay dos fotodiodos en cada microlente en la superficie del sensor CCD. Uno es responsable de capturar el negro sensible y la señal en estándares de luz normales, y el otro es responsable de capturar parte de la señal en las áreas más brillantes. La cámara combina las señales de luz capturadas por los dos fotodiodos en una fotografía completa, proporcionando una sorprendente respuesta dinámica más allá de la apertura de segundo orden de los CCD ordinarios.
La tecnología Super CCD SR amplía el rango dinámico del CCD a un nivel cercano al de las películas negativas tradicionales ordinarias, lo que significa que las cámaras digitales equipadas con la tecnología Fuji super CCD SR pueden capturar imágenes claras en condiciones extremadamente débiles o extremadamente Fotos de ambientes con mucha luz.
Fujifilm cree que la tecnología de película negativa existente, que se logra a través de múltiples capas de diferentes exposiciones estándar, también puede proporcionar un rango de expansión dinámica muy amplio. La tecnología SuperccCCD SR está diseñada para este efecto simulando la exposición negativa, proporcionando diferentes estándares de exposición a través de dos fotodiodos.
La tecnología súper CCD de Fuji ha recibido críticas mixtas desde sus inicios. De hecho, el super CCD puede aumentar efectivamente los píxeles de la imagen, pero los profesionales han dudado y menospreciado su rendimiento detallado y sus efectos de imagen. La nueva tecnología Super CCD SR de Fujifilm es una modificación y complemento de la tecnología Super CCD existente. Puede aumentar de manera efectiva los píxeles de las imágenes, optimizar los detalles y la calidad de las imágenes y satisfacer verdaderamente las necesidades cada vez más exigentes de los consumidores.