Nacimiento del primer HPV
Cámara de video de alta velocidad: HyperVision HPV-1
0. Introducción
¿Cómo se deforma una pelota de golf en el momento del impacto con un conductor?
¿Cómo se descarga gasolina de la boquilla del inyector de un motor?
¿Cómo se propagan las grietas en un trozo de vidrio en el momento de la rotura?
Las cámaras de video de alta velocidad son esenciales para visualizar fenómenos momentáneos ultrarrápidos que ocurren más rápido que el parpadeo de un ojo.
La HyperVision HPV-1, lanzada por Shimadzu en 2005, ha permitido la visualización previamente inaudita de fenómenos ultrarrápidos en campos donde se requieren imágenes de alta velocidad, como desarrollo de productos, investigación causal de defectos, investigación en ciencia, ingeniería y medicina y ciencia deportiva.
Sin embargo, fue necesario superar varias dificultades y desafíos para lograr esta tecnología de última generación que combina una velocidad de grabación máxima de 1 Mfps con captura de imágenes de alta resolución.
1. Sensor de imagen CCD con memoria incorporada en el chip del sensor
(afiliación en el momento del desarrollo del producto)
En 1999, Yasushi Kondo, del Laboratorio de Investigación Tecnológica de Shimadzu Corporation (en ese entonces) recibió una solicitud para participar en un proyecto de investigación conjunta.
El profesor Etoh del (entonces) Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Kindai se acercó a él con lo que parecía ser una propuesta absurda: desarrollar una cámara de video de ultra alta velocidad con memoria integrada en el chip del sensor de imagen.
Kondo realizó una visita urgente al profesor Etoh. Después de escuchar los detalles de su propuesta, Kondo se dio cuenta de que era una idea innovadora usar la estructura del CCD para crear memoria adyacente a los píxeles e integrar esta memoria en el sensor de imágenes del CCD. Sin embargo, tenía dudas persistentes sobre la viabilidad del concepto.
Sin embargo, tras seguir investigando, Kondo descubrió que el concepto básico de este CCD de alta velocidad ya había sido publicado en un artículo por el mundialmente conocido profesor Walter Kosonocky. También se enteró de que el profesor Etoh ha colaborado previamente con un fabricante de cámaras de video de alta velocidad en Japón para desarrollar la primera cámara de video de alta velocidad del mundo con un sensor de imagen de estado sólido.
Con este telón de fondo, el par se aferró a débiles esperanzas de realizar un CCD con memoria integrada en un chip del sensor y se inició la investigación.
2. Desarrollo conjunto con el fabricante del CCD
(el chip está empaquetado diagonalmente por diseño porque los píxeles están dispuestos diagonalmente)
La clave de este proyecto fue cómo fabricar de manera viable los CCD de alta velocidad concebidos por el profesor Etoh.
Los CCD son costosos de fabricar y requieren que muchos sensores se fabriquen al mismo tiempo. Como resultado, los creadores no pudieron encontrar un fabricante nacional que pudiera cumplir con sus requisitos.
Sin embargo, gracias a los esfuerzos del profesor Etoh, un importante fabricante de productos electrónicos con sede en los Países Bajos (a quien se menciona aquí con el seudónimo de “Empresa P”) aceptó desarrollar conjuntamente el producto.
El profesor Etoh y luego la investigadora Soya de nuestra empresa viajaron a Alemania y comenzaron a diseñar el CCD de alta velocidad con la ayuda de ingenieros de la Empresa P.
En ese momento, la Empresa P estaba al frente de la tecnología de CCD y empleaba a muchos investigadores de renombre mundial.
Su interés y voluntad de colaborar en esta investigación nos permitió fabricar los CCD de alta velocidad utilizando la tecnología de vanguardia de la Compañía P.
Finalmente, se completó el CCD de alta velocidad y luego el investigador Takubo de nuestra empresa, que estaba esperando ansiosamente su llegada, comenzó a probar la operación del CCD.
Las pruebas fueron exitosas y finalmente logramos realizar una grabación de alta velocidad de 1 Mfps.
3. Pruebas de uso práctico
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La tecnología que nos esforzamos por desarrollar no tendría sentido si no hubiera sido adoptada por nuestros clientes.
Por lo tanto, construimos prototipos de cámaras utilizando un pequeño lote de prototipos de chips de CCD de alta velocidad y los llevamos a los laboratorios de usuarios potenciales, para demostrar sus capacidades de grabación a fin de medir el posible mercado.
El producto fue bien recibido y muchas universidades y empresas expresaron interés en comprarlo.Una respuesta particularmente memorable provino del gerente técnico de un fabricante de impresoras que vio el prototipo en una feria comercial y comentó: “Esta cámara nos permitirá ver gotitas de chorro de tinta que antes eran invisibles”, y luego, tentativamente, pidió varias unidades del producto terminado que consideraba esenciales para el desarrollo futuro de impresoras de alta definición.
El proyecto parecía progresar sin inconvenientes.
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Descarga de tinta de una impresora de inyección de tinta
Grabación usando una versión de prueba del CCD
4. Lanzamiento del HPV-1
Después de recibir grandes elogios del prototipo por parte de los usuarios, Shimadzu hizo un pedido a la Empresa P para fabricar chips para el producto, en cuyo momento los eventos tomaron un giro drástico.
La Empresa P acababa de vender su división de CCD y la fabricación de CCD de alta velocidad se transfirió a otra planta.
La fabricación de CCD es extremadamente compleja, por lo que es difícil recrear las condiciones de fabricación si la planta cambia.
En consecuencia, los CCD de alta velocidad fabricados en la nueva planta no funcionaron según lo previsto, lo que resultó en prácticamente cero rendimiento.
Shimadzu trabajó con ingenieros de procesos en la nueva planta para realizar numerosas mejoras y prototipos.
Mientras tanto, el fabricante de impresoras esperaba con paciencia la entrega, y nuestra alta gerencia alentó al equipo de desarrollo de productos a no renunciar y continuar el desarrollo.
Finalmente, se necesitaron tres años para lograr una iteración estable y operativa del CCD de alta velocidad.
Luego, después de superar estas dificultades, se lanzó HyperVision HPV-1 el 23 de marzo de 2005 como la primera cámara de video de alta velocidad de 1 Mfps del mundo.
5. Mercadotecnia
Presidente, Hadland Imaging
Durante algún tiempo después de su lanzamiento, el HPV-1 se vendió bien para aplicaciones de investigación, como impresoras de chorro de tinta y desarrollo espacial.
Sin embargo, el volumen de ventas en Japón fue lento debido a la cantidad limitada de usuarios que requierían una grabación de ultra alta velocidad.
Superar este obstáculo implicaría cambiar nuestro enfoque de ventas nacionales a ventas en el extranjero.
Sin embargo, el HPV-1 estaba sujeto a restricciones de exportación, por lo que las ventas en el extranjero se limitaron a los EE. UU. y Europa, lo que hizo crucial comercializar el producto de manera eficaz en estas regiones.
Por casualidad, uno de nuestros distribuidores en los EE. UU. empleaba a un representante de ventas que estaba logrando resultados de ventas fenomenales. Ese representante de ventas era Todd Rumbaugh.
Debido a su amplio conocimiento de las cámaras de video de ultra alta velocidad y de los usuarios involucrados en investigaciones de vanguardia, Todd fue seleccionado como nuestro contacto de ventas principal en los EE. UU.
También proporcionó información significativa a nuestro equipo de desarrollo de productos sobre los tipos de usuarios que realizan grabaciones de ultra alta velocidad.
6. El desafío de desarrollar un sensor de imágenes CMOS
A medida que aumentaban las ventas del HPV-1, los usuarios comenzaron a pedir cámaras de alta velocidad aún más rápidas.
Sin embargo, se había vuelto evidente que los CCD tienen varias desventajas, como un mayor riesgo de falla debido al calor excesivo generado por los aumentos en la operación a alta velocidad y la inestabilidad eléctrica si la luz incidente es demasiado intensa.
Para resolver estos problemas, el equipo de desarrollo de productos decidió cambiar el sensor de un CCD a un sensor de imágenes CMOS (CIS).
Sin embargo, los CCD y los CIS emplean diferentes principios y estructuras, lo que hace necesario volver a crear los procesos de diseño y fabricación completamente desde cero.
Por lo tanto, con el futuro de la cámara de video de alta velocidad de Shimadzu en juego, visitamos al profesor Sugawa de la Universidad Tohoku, un experto líder en investigación de CIS, para buscar su participación en la investigación conjunta de un CIS de alta velocidad capaz de operar a una velocidad de grabación de 10 Mfps.
