Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с датчика активных пикселей )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Датчик с активным пикселем ( APS ) - это датчик изображения, в котором каждая единичная ячейка пиксельного датчика имеет фотодетектор (обычно закрепленный фотодиод ) и один или несколько активных транзисторов . [1] [2] В датчике с активным пикселем металл-оксид-полупроводник (МОП) полевые МОП-транзисторы (МОП-транзисторы) используются в качестве усилителей . Существуют различные типы APS, включая ранний NMOS APS и гораздо более распространенный дополнительный MOS (CMOS) APS, также известный как датчик CMOS , который широко используется втехнологии цифровых камер, такие как камеры сотовых телефонов , веб-камеры , большинство современных карманных цифровых фотоаппаратов, большинство цифровых однообъективных зеркальных фотоаппаратов (DSLR) и беззеркальных фотоаппаратов со сменными объективами (MILC). КМОП-сенсоры появились как альтернатива сенсорам изображения с устройствами с зарядовой связью (ПЗС) и в конечном итоге превзошли их по продажам к середине 2000-х годов.

CMOS- датчик изображения.

Термин «активный пиксельный датчик» также используется для обозначения самого отдельного пиксельного датчика, в отличие от датчика изображения. [3] В этом случае датчик изображения иногда называют КМОП-матрица формирования изображения , [4] или датчик изображения активного пикселя . [5]

История [ править ]

Фон [ править ]

Дополнительная информация: Датчик изображения § История

Исследуя технологию металл-оксид-полупроводник (МОП), Уиллард Бойл и Джордж Э. Смит поняли, что электрический заряд может храниться на крошечном МОП-конденсаторе , который стал основным строительным блоком устройства с зарядовой связью (ПЗС), которое они были изобретены в 1969 году. [6] [7] Проблема с технологией CCD заключалась в том, что она требовала почти идеального переноса заряда, что, по словам Эрика Фоссума , «делает их излучение« мягким », трудным для использования в условиях низкой освещенности. , трудно производить в больших размерах, трудно интегрировать со встроенной электроникой, Трудно использовать при низких температурах, трудно использовать при высокой частоте кадров , и трудно изготовить в не кремниевых материалах , которые проходят по длине волны ответа.» [1]

В RCA Laboratories группа исследователей, в которую входили Пол К. Веймер , В.С. Пайк и Г. Садасив, в 1969 году предложила твердотельный датчик изображения со схемами сканирования с использованием тонкопленочных транзисторов (TFT) с фотопроводящей пленкой, используемой для фотодетектора . [8] [9] В 1981 году Ричард Ф. Лайон продемонстрировал "в основном цифровой" N-канальный MOSFET (NMOS) формирователь изображения низкого разрешения с внутрипиксельным усилением для оптической мыши . [10]Другой тип технологии датчиков изображения, связанный с APS, - это гибридная матрица инфракрасной фокальной плоскости (IRFPA) [1], предназначенная для работы при криогенных температурах в инфракрасном спектре . Устройства представляют собой два чипа, которые собраны вместе, как сэндвич: один чип содержит элементы детектора, изготовленные из InGaAs или HgCdTe , а другой чип обычно сделан из кремния и используется для считывания показаний фотодетекторов. Точная дата происхождения этих устройств засекречена, но они использовались к середине 1980-х годов. [ необходима цитата ]

Ключевым элементом современного CMOS-датчика является фиксированный фотодиод (PPD). [2] Он был изобретен Нобуказу Тераниси , Хиромицу Сираки и Ясуо Исихара в NEC в 1980 году [2] [11], а затем публично опубликован Тераниши и Исихара с А. Кохоно, Э. Ода и К. Араи в 1982 году с добавление структуры, предотвращающей поседение . [2] [12] Штыревой фотодиод представляет собой структуру фотодетектора с низкой задержкой , низким уровнем шума , высокой квантовой эффективностью и низким темновым током . [2]Новая структура фотодетектора, изобретенная в NEC, получила название «прикрепленный фотодиод» (PPD) от BC Burkey в Kodak в 1984 году. В 1987 году PPD начали встраивать в большинство CCD-сенсоров, став креплением в бытовых электронных видеокамерах, а затем цифровые фотоаппараты . С тех пор PPD использовался почти во всех датчиках CCD, а затем в датчиках CMOS. [2]

Пассивно-пиксельный сенсор [ править ]

Предшественником APS был датчик с пассивным пикселем (PPS), тип матрицы фотодиодов (PDA). [2] Пассивный пиксельный датчик состоит из пассивных пикселей, которые считываются без усиления , причем каждый пиксель состоит из фотодиода и переключателя MOSFET . [13] В матрице фотодиодов пиксели содержат pn-переход , интегрированный конденсатор и полевые МОП-транзисторы в качестве селективных транзисторов . Матрица фотодиодов была предложена Г. Веклером в 1968 году, еще до появления ПЗС-матрицы. [1] Это было основой для PPS, [2]в котором были элементы датчика изображения с транзисторами выбора в пикселях, предложенные Питером Дж. У. Ноблом в 1968 г. [14] [2] [8] и Саввасом Г. Чемберленом в 1969 г. [15]

Пассивные пиксельные датчики исследуются как твердотельная альтернатива устройствам формирования изображений на электронных лампах . [ необходима цитата ] MOS-датчик с пассивным пикселем использовал простой переключатель в пикселе для считывания встроенного заряда фотодиода. [16] Пиксели были сгруппированы в двумерную структуру с проводом разрешения доступа, общим для пикселей в одной строке, и выходным проводом, общим для столбцов. В конце каждого столбца был транзистор. Пассивные пиксельные сенсоры страдали от многих ограничений, таких как высокий уровень шума , медленное считывание и отсутствие масштабируемости . [ необходима цитата ]Ранние фотодиодные матрицы были сложными и непрактичными, что требовало изготовления селективных транзисторов в каждом пикселе вместе со схемами мультиплексора на кристалле . Шум из фотодиодных матриц был также ограничение на производительность, так как фотодиод считывание автобус емкость приводит к увеличению уровня шума. Коррелированная двойная выборка (CDS) также не может использоваться с матрицей фотодиодов без внешней памяти . В 1970-х годах было невозможно изготовить активные пиксельные датчики с практическим размером пикселя из-за ограниченной технологии микролитографии в то время. [1]Поскольку процесс МОП был очень изменчивым, а характеристики МОП-транзисторов менялись с течением времени ( нестабильность Vth ), работа ПЗС-матрицы в области заряда была более технологичной, чем пассивные пиксельные МОП-датчики. [ необходима цитата ]

Датчик с активным пикселем [ править ]

Датчик с активными пикселями состоит из активных пикселей, каждый из которых содержит один или несколько усилителей MOSFET, которые преобразуют фотогенерируемый заряд в напряжение, усиливают напряжение сигнала и уменьшают шум. [13] Концепция устройства с активными пикселями была предложена Питером Ноблом в 1968 году. Он создал матрицы датчиков с активными усилителями считывания МОП на пиксель, по сути, в современной трехтранзисторной конфигурации: скрытая фотодиодная структура, селективный транзистор и МОП. усилитель звука. [17] [14]

Концепция активного пикселя MOS была реализована как устройство модуляции заряда (CMD) компанией Olympus в Японии в середине 1980-х годов. Это стало возможным благодаря достижениям в производстве полупроводниковых устройств MOSFET , при этом масштабирование MOSFET достигало меньших микронных, а затем и субмикронных уровней в течение 1980-х - начала 1990-х годов. [1] [18] Первый MOS APS был изготовлен командой Цутому Накамуры на Olympus в 1985 году. Термин активный пиксельный сенсор (APS) был придуман Накамурой во время работы над сенсором CMD с активными пикселями в Olympus. [19]Устройство формирования изображения CMD имело вертикальную структуру APS, которая увеличивает коэффициент заполнения (или уменьшает размер пикселя) за счет сохранения заряда сигнала под выходным транзистором NMOS . Вскоре последовали и другие японские полупроводниковые компании, выпустившие свои собственные активные пиксельные сенсоры в конце 1980-х - начале 1990-х годов. Между 1988 и 1991 годами компания Toshiba разработала датчик «транзистор с плавающей поверхностью с двойным затвором », который имел боковую структуру APS, в которой каждый пиксель содержал фотозатвор МОП со скрытым каналом и выходной усилитель PMOS . В период с 1989 по 1992 год Canon разработала датчик изображения с базовым хранением (BASIS), в котором использовалась вертикальная структура APS, аналогичная датчику Olympus, но сбиполярные транзисторы, а не полевые МОП-транзисторы. [1]

В начале 1990-х американские компании начали разработку практических активных пиксельных МОП-сенсоров. В 1991 году компания Texas Instruments разработала датчик объемного CMD (BCMD), который был изготовлен в японском филиале компании и имел вертикальную структуру APS, аналогичную датчику Olympus CMD, но был более сложным и использовал PMOS, а не транзисторы NMOS. [2]

CMOS-сенсор [ править ]

К концу 1980-х - началу 1990-х годов процесс CMOS был хорошо зарекомендовал себя как хорошо управляемый стабильный процесс производства полупроводников и был базовым процессом почти для всех логических схем и микропроцессоров . Возродилось использование сенсоров с пассивными пикселями для приложений низкоуровневой визуализации [20], в то время как сенсоры с активными пикселями начали использоваться для высокофункциональных приложений с низким разрешением, таких как моделирование сетчатки [21] и высокоэнергетические частицы. детекторы. Однако ПЗС-матрицы по-прежнему имели гораздо более низкий временной шум и шум с фиксированной диаграммой направленности и были доминирующей технологией для потребительских приложений, таких как видеокамеры, а также для вещательных камер., где перемещали трубки видеокамер .

В 1993 году первые практические APS быть успешно изготовлены за пределами Японии был разработан в НАСА «s Лаборатории реактивного движения (JPL), который изготовил CMOS APS совместимые с ее развитие во главе с Эриком Фоссум . Он имел боковую структуру APS, аналогичную датчику Toshiba, но изготовлен с использованием КМОП, а не транзисторов PMOS. [1] Это был первый КМОП-датчик с внутрипиксельной передачей заряда. [2]

Фоссум, который работал в JPL, руководил разработкой датчика изображения, который использовал внутрипиксельную передачу заряда вместе с внутрипиксельным усилителем для достижения истинно коррелированной двойной дискретизации (CDS) и работы с низким временным шумом, а также встроенных схем для фиксированного -шумоподавление шаблона. Он также опубликовал в 1993 году обширную статью, в которой предсказал появление формирователей изображения APS в качестве коммерческого преемника ПЗС-матриц. [1] Активный пиксельный сенсор (APS) был широко определен Fossum в этой статье. Он классифицировал два типа структур APS: боковой и вертикальный. Он также сделал обзор истории технологии APS, от первых датчиков APS в Японии до разработки датчика CMOS в JPL. [1]

В 1994 году Фоссум предложил усовершенствование датчика CMOS: интеграцию закрепленного фотодиода (PPD). Датчик CMOS с технологией PPD был впервые изготовлен в 1995 году совместной командой JPL и Kodak, в которую входили Fossum вместе с PPK Lee, RC Gee, RM Guidash и TH Lee. [2] Между 1993 и 1995 годами Лаборатория реактивного движения разработала ряд прототипов устройств, которые подтвердили ключевые особенности технологии. Несмотря на примитивность, эти устройства продемонстрировали хорошее качество изображения, высокую скорость считывания и низкое энергопотребление.

В 1995 году, разочаровавшись медленными темпами внедрения технологии, Фоссум и его тогдашняя жена доктор Сабрина Кемени стали соучредителями Photobit Corporation с целью коммерциализации технологии. [17] Компания продолжила разработку и коммерциализацию технологии APS для ряда приложений, таких как веб-камеры, высокоскоростные камеры и камеры захвата движения, цифровая рентгенография , эндоскопические (таблеточные) камеры, цифровые однообъективные зеркальные камеры (DSLR) и камеры- телефоны. Вскоре после этого возникли многие другие небольшие компании, производящие сенсоры изображений, благодаря доступности процесса CMOS, и все они быстро приняли подход с использованием сенсоров с активными пикселями.

КМОП-сенсоры Photobit нашли свое применение в веб-камерах, производимых Logitech и Intel , до того, как Photobit была куплена Micron Technology в 2001 году. На раннем рынке КМОП-сенсоров первоначально лидировали американские производители, такие как Micron и Omnivision, что позволило Соединенным Штатам на короткое время восстановить доля рынка сенсоров изображения в Японии до того, как на рынке сенсоров CMOS, в конечном итоге, доминировали Япония, Южная Корея и Китай. [22] КМОП-сенсор с технологией PPD был усовершенствован и усовершенствован Р.М. Гуидашем в 1997 г., К. Йонемото и Х. Суми в 2000 г. и И. Иноуэ в 2003 г. Это привело к тому, что КМОП-сенсоры достигли качества изображения наравне с сенсорами ПЗС. , а позже превышающие датчики CCD. [2]

К 2000 году CMOS-датчики использовались во множестве приложений, включая недорогие камеры, камеры ПК , факс , мультимедиа , безопасность , наблюдение и видеотелефоны . [23]

Видеоиндустрия перешла на CMOS-камеры с появлением видео высокой четкости (HD-видео), поскольку большое количество пикселей потребует значительно более высокого энергопотребления с датчиками CCD, что приведет к перегреву и разрядке батарей. [22] В 2007 году Sony выпустила на рынок КМОП-сенсоры с оригинальной схемой аналого-цифрового преобразования столбца для быстрой работы с низким уровнем шума, за которой в 2009 году последовал КМОП -сенсор с задней подсветкой (датчик BI) с вдвое большей чувствительностью по сравнению с обычными сенсорами изображения. и выходя за рамки человеческого глаза. [24]

КМОП-сенсоры оказали значительное культурное влияние, что привело к массовому распространению цифровых фотоаппаратов и телефонов с камерой , что способствовало росту социальных сетей и культуры селфи , а также повлияло на социальные и политические движения по всему миру. [22] К 2007 году продажи КМОП-сенсоров с активными пикселями превысили ПЗС-сенсоры, при этом на КМОП-сенсоры приходилось 54% мирового рынка сенсоров изображения в то время. К 2012 году КМОП-сенсоры увеличили свою долю до 74% рынка. По состоянию на 2017 год на КМОП-сенсоры приходится 89% мировых продаж сенсоров изображения. [25] В последние годы технология CMOS-сенсора распространилась на среднеформатную фотографию с Phase One. быть первым, кто выпустил среднеформатный цифровой задник с CMOS-сенсором Sony.

В 2012 году Sony представила многослойную матрицу CMOS BI. [24] Сейчас Fossum проводит исследования по технологии Quanta Image Sensor (QIS). [26] QIS - это революционное изменение в способе сбора изображений с помощью камеры, изобретенной в Дартмуте. В QIS цель состоит в том, чтобы подсчитать каждый фотон, попадающий на датчик изображения, и обеспечить разрешение в 1 миллиард или более специализированных фотоэлементов (называемых джотами) для каждого датчика, а также считывать битовые плоскости джотов сотни или тысячи раз в секунду, в результате чего в терабит / сек данных. [27]

Бойд Фаулер из OmniVision известен своей работой в области разработки датчиков изображения CMOS. Он внес свой вклад в создание первого датчика изображения CMOS с цифровыми пикселями в 1994 году; первый научный линейный датчик изображения CMOS с одноэлектронным среднеквадратичным шумом считывания в 2003 году; первый многомегапиксельный CMOS-датчик изображения для научных исследований с одновременным высоким динамическим диапазоном (86 дБ), быстрым считыванием (100 кадров в секунду) и сверхнизким шумом чтения (1,2e-RMS) (sCMOS) в 2010 году. Он также запатентовал [28 ] первый датчик изображения CMOS для межротовой дентальной рентгенографии с обрезанными углами для большего комфорта пациента. [29]

К концу 2010-х годов КМОП-датчики в значительной степени, если не полностью, заменили ПЗС-датчики, поскольку КМОП-датчики можно не только изготавливать на существующих линиях по производству полупроводников, что снижает затраты, но они также потребляют меньше энергии, и это лишь некоторые преимущества. ( см. ниже )

Сравнение с ПЗС [ править ]

Пиксели APS решают проблемы скорости и масштабируемости пассивного пиксельного сенсора. Как правило, они потребляют меньше энергии, чем ПЗС-матрицы, имеют меньшую задержку изображения и требуют менее специализированных производственных мощностей. В отличие от CCD, датчики APS могут совмещать в одной интегральной схеме функцию датчика изображения и функции обработки изображения . Датчики APS нашли применение во многих потребительских приложениях, особенно в телефонах с камерой . Они также использовались в других областях, включая цифровую рентгенографию , сверхвысокоскоростное получение изображений в военных целях, камеры видеонаблюдения и оптические мыши . Производители включают Aptina Imaging (независимое подразделение Micron Technology, который приобрел Photobit в 2001 году), Canon , Samsung , STMicroelectronics , Toshiba , OmniVision Technologies , Sony и Foveon , среди других. Датчики APS типа CMOS обычно подходят для приложений, в которых важны упаковка, управление питанием и обработка на кристалле. Датчики типа CMOS широко используются, от высококачественной цифровой фотографии до камер мобильных телефонов.

Преимущества CMOS по сравнению с CCD [ править ]

Цветение на ПЗС-изображении

Основным преимуществом датчика CMOS является то, что его производство обычно дешевле, чем датчик CCD, поскольку элементы захвата изображения и считывания изображения могут быть объединены на одной ИС, что требует более простой конструкции. [30]

CMOS-сенсор также обычно лучше контролирует цветение (то есть перетекание фото-заряда из переэкспонированного пикселя в другие близлежащие пиксели).

В трехсенсорных системах камер, которые используют отдельные датчики для разрешения красной, зеленой и синей составляющих изображения в сочетании с призмами светоделителя, три КМОП-сенсора могут быть идентичными, тогда как для большинства призм делителя требуется, чтобы один из ПЗС-сенсоров имел быть зеркальным отображением двух других, чтобы считывать изображение в совместимом порядке. В отличие от датчиков CCD, датчики CMOS имеют возможность обратной адресации сенсорных элементов. CMOS - датчик с светочувствительностью ИСА 4 миллиона существует. [31]

Недостатки CMOS по сравнению с CCD [ править ]

Искажение, вызванное рольставнями

Поскольку CMOS-датчик обычно захватывает строку в течение примерно 1/60 или 1/50 секунды (в зависимости от частоты обновления), это может привести к эффекту « скользящего затвора », когда изображение перекошено (наклонено влево). или вправо, в зависимости от направления движения камеры или объекта). Например, при отслеживании автомобиля, движущегося на высокой скорости, автомобиль не будет искажаться, но фон будет казаться наклонным. ПЗС-сенсор с кадровой передачей или КМОП-сенсор с «глобальным затвором» не имеют этой проблемы; вместо этого он сразу захватывает все изображение в хранилище кадров.

Давнее преимущество ПЗС-сенсоров заключается в их способности снимать изображения с низким уровнем шума . [32] Благодаря усовершенствованиям в технологии CMOS, это преимущество исчезло с 2020 года, когда доступны современные CMOS-датчики, способные превзойти датчики CCD. [33]

Активная схема в пикселях CMOS занимает некоторую область на поверхности, которая не является светочувствительной, что снижает эффективность обнаружения фотонов устройством ( датчики с задней подсветкой могут смягчить эту проблему). Но ПЗС-матрица с передачей кадров также имеет примерно половину нечувствительной области для узлов хранения кадров, поэтому относительные преимущества зависят от того, какие типы датчиков сравниваются.

Архитектура [ править ]

Пиксель [ править ]

Трехтранзисторный активный пиксельный сенсор.

Стандартный пиксель CMOS APS сегодня [ когда? ] Состоит из фотоприемника ( прижато фотодиод ), [2] плавающая диффузия, так называемый 4T элемент , состоящий из четыре КМОПА (комплементарный металл-оксид-полупроводник ) транзисторы , в том числе передачи ворота , сброс ворота, выбор ворота и источника -следующий считывающий транзистор. [34]Прикрепленный фотодиод изначально использовался в ПЗС-матрице с межстрочным переносом из-за его низкого темнового тока и хорошего синего отклика, а в сочетании с передаточным затвором позволяет полностью переносить заряд от закрепленного фотодиода к плавающему диффузионному (который дополнительно подключен к затвору считывающий транзистор), устраняющий запаздывание. Использование внутрипиксельной передачи заряда может снизить уровень шума за счет использования коррелированной двойной выборки (CDS). Пиксель Noble 3T все еще иногда используется, поскольку требования к изготовлению менее сложны. Пиксель 3T содержит те же элементы, что и пиксель 4T, за исключением передаточного затвора и фотодиода. Транзистор сброса, M rst , действует как переключатель для сброса плавающей диффузии на V RST., который в данном случае представлен как затвор M sf транзистора. Когда транзистор сброса включен, фотодиод эффективно подключается к источнику питания V RST , очищая весь встроенный заряд. Поскольку транзистор сброса n-типа , пиксель работает в режиме мягкого сброса. Считывающий транзистор M sf действует как буфер (в частности, истоковый повторитель ), усилитель, который позволяет наблюдать напряжение пикселя без удаления накопленного заряда. Его источник питания V DD обычно подключается к источнику питания транзистора сброса V RST . Транзистор выбора, M sel, позволяет считывающей электронике считывать одну строку массива пикселей. Существуют и другие инновации пикселей, такие как пиксели 5T ​​и 6T. При добавлении дополнительных транзисторов возможны такие функции, как глобальный затвор, в отличие от более распространенного рольставни . Чтобы увеличить плотность пикселей, можно использовать совместно используемое считывание строк, четырех- и восьмистороннее совместное считывание и другие архитектуры. Вариантом активного пикселя 3T является датчик Foveon X3, изобретенный Диком Мерриллом . В этом устройстве три фотодиода наложены друг на друга с использованием планарных технологий изготовления., каждый фотодиод имеет свою собственную схему 3Т. Каждый последующий слой действует как фильтр для слоя под ним, сдвигая спектр поглощенного света в последовательных слоях. Путем деконволюции отклика каждого многоуровневого детектора можно восстановить красный, зеленый и синий сигналы.

Массив [ править ]

Типичный двумерный массив пикселей организован в строки и столбцы. Пиксели в заданной строке разделяют линии сброса, так что за один раз сбрасывается вся строка. Линии выбора строки каждого пикселя в строке также связываются вместе. Выходные данные каждого пикселя в любом заданном столбце связаны вместе. Поскольку в данный момент времени выбирается только одна строка, конкуренция за строку вывода не возникает. Дополнительная схема усилителя обычно построена на колонке.

Размер [ править ]

Размер пиксельного сенсора часто указывается по высоте и ширине, а также в оптическом формате .

Боковые и вертикальные конструкции [ править ]

Существует два типа структур датчика с активными пикселями (APS): боковой и вертикальный. [1] Эрик Фоссум определяет боковой APS следующим образом:

Боковая структура APS определяется как структура, в которой часть области пикселей используется для фотодетектирования и хранения сигнала, а другая часть используется для активного транзистора (ов). Преимущество этого подхода по сравнению с вертикально интегрированным APS состоит в том, что процесс изготовления проще и хорошо совместим с современными процессами устройств CMOS и CCD. [1]

Fossum определяет вертикальный APS следующим образом:

Вертикальная структура APS увеличивает коэффициент заполнения (или уменьшает размер пикселя) за счет сохранения заряда сигнала под выходным транзистором. [1]

Тонкопленочные транзисторы [ править ]

Двухтранзисторный активный / пассивный пиксельный датчик

Для таких приложений, как цифровое рентгеновское изображение большой площади, в архитектуре APS также могут использоваться тонкопленочные транзисторы (TFT). Однако из-за большего размера и меньшего усиления крутизны TFT по сравнению с CMOS транзисторами необходимо иметь меньше TFT на пикселях, чтобы поддерживать разрешение и качество изображения на приемлемом уровне. Было показано, что двухтранзисторная архитектура APS / PPS является многообещающей для APS с использованием TFT на аморфном кремнии . В двухтранзисторной архитектуре APS справа T AMP используется как переключаемый усилитель, интегрирующий функции как M sf, так и M sel.в трехтранзисторном АПС. Это приводит к уменьшению количества транзисторов на пиксель, а также к увеличению крутизны пикселя. [35] Здесь C pix - это емкость хранения пикселя, и она также используется для емкостной связи импульса адресации «Считывание» с логическим элементом T AMP для переключения ВКЛ-ВЫКЛ. Такие схемы считывания пикселей лучше всего работают с детекторами на фотопроводниках с малой емкостью, такими как аморфный селен .

Варианты дизайна [ править ]

Было предложено и изготовлено множество различных пиксельных дизайнов. Стандартный пиксель является наиболее распространенным, потому что он использует наименьшее количество проводов и наименьшее количество транзисторов с максимальной плотностью упаковки, возможных для активного пикселя. Важно, чтобы активная схема в пикселе занимала как можно меньше места, чтобы оставить больше места для фотоприемника. Большое количество транзисторов снижает коэффициент заполнения, то есть процент области пикселей, чувствительный к свету. Размер пикселя можно обменять на желаемые качества, такие как уменьшение шума или уменьшение задержки изображения. Шум - это мера точности, с которой можно измерить падающий свет. Задержка возникает, когда следы предыдущего кадра остаются в будущих кадрах, т. Е. Пиксель не полностью сбрасывается. Дисперсия шума напряжения в пикселе с мягким сбросом (регулируемое напряжение затвора) составляет, но запаздывание изображения и фиксированный структурный шум могут быть проблематичными. В среднеквадратичных электронах шум равен .

Аппаратный сброс [ править ]

Использование пикселя с помощью аппаратного сброса приводит к появлению шума Джонсона – Найквиста на фотодиоде или , но предотвращает запаздывание изображения, что иногда является желательным компромиссом. Один из способов использования аппаратного сброса - заменить M rst транзистором p-типа и инвертировать полярность сигнала RST. Наличие устройства p-типа снижает коэффициент заполнения, так как требуется дополнительное пространство между p- и n-устройствами; он также исключает возможность использования транзистора сброса в качестве стока для предотвращения переполнения, что является часто используемым преимуществом полевого транзистора сброса n-типа. Другой способ выполнить полный сброс с помощью полевого транзистора n-типа - снизить напряжение V RST.относительно напряжения включения RST. Это уменьшение может уменьшить запас по емкости или полную емкость заряда, но не влияет на коэффициент заполнения, если только V DD не будет затем проложен по отдельному проводу с его исходным напряжением.

Комбинации аппаратного и программного сброса [ править ]

Такие методы, как сброс с сбросом, сброс псевдо-вспышки и жесткий программный сброс сочетают в себе программный и аппаратный сброс. Детали этих методов различаются, но основная идея та же. Сначала выполняется полная перезагрузка, устраняющая задержку изображения. Затем выполняется мягкий сброс, вызывающий сброс с низким уровнем шума без добавления каких-либо задержек. [36] Сброс псевдо-вспышки требует отделения V RST от V DD , в то время как два других метода добавляют более сложную схему столбцов. В частности, сброс псевдо-вспышки и жесткий программный сброс добавляют транзисторы между источниками питания пикселей и фактическим V DD . Результат - меньший запас по высоте без влияния на коэффициент заполнения.

Активный сброс [ править ]

Более радикальный дизайн пикселей - это пиксель с активным сбросом. Активный сброс может привести к гораздо более низкому уровню шума. Компромисс - это сложная схема сброса, а также либо гораздо больший пиксель, либо дополнительная схема на уровне столбцов.

См. Также [ править ]

  • Угловой пиксель
  • Датчик с задней подсветкой
  • Устройство с зарядовой связью
  • Планарный массив захвата Фурье
  • Датчик двоичного изображения с передискретизацией
  • Категория: Цифровые фотоаппараты с датчиком изображения CMOS

Ссылки [ править ]

  1. ^ Б с д е е г ч я J к л м Фоссум, Эрик Р. (12 июля 1993 года). Блуке, Морли М. (ред.). «Активные пиксельные сенсоры: динозавры ли ПЗС?». Труды SPIE, том. 1900: Устройства с зарядовой связью и твердотельные оптические датчики. III . Международное общество оптики и фотоники. 1900 : 2–14. Bibcode : 1993SPIE.1900 .... 2F . CiteSeerX  10.1.1.408.6558 . DOI : 10.1117 / 12.148585 . S2CID  10556755 .
  2. ^ Б с д е е г ч я J к л м н Фоссум, Эрик Р. ; Хондонгва, ДБ (2014). «Обзор закрепленного фотодиода для датчиков изображения CCD и CMOS» . Журнал IEEE Общества электронных устройств . 2 (3): 33–43. DOI : 10,1109 / JEDS.2014.2306412 .
  3. ^ Александр Г. Дикинсон и др., «Активный пиксельный датчик и система формирования изображения, имеющая дифференциальный режим», US 5631704 
  4. ^ Циммерманн, Хорст (2000). Интегрированная кремниевая оптоэлектроника . Springer. ISBN 978-3-540-66662-2.
  5. ^ Лоуренс Т. Кларк, Марк А. Бейли, Эрик Дж. Хоффман, "Сенсорная ячейка, имеющая схему мягкого насыщения" US 6133563 [1] 
  6. ^ Уильямс, JB (2017). Революция в электронике: изобретение будущего . Springer. п. 245. ISBN 9783319490885.
  7. ^ Sze, Саймон Мин ; Ли, Мин-Квэй (май 2012 г.). "МОП-конденсатор и МОП-транзистор" . Полупроводниковые приборы: физика и техника . Джон Вили и сыновья . ISBN 9780470537947. Дата обращения 6 октября 2019 .
  8. ^ a b Ohta, июнь (2017). Датчики изображения Smart CMOS и приложения . CRC Press . п. 2. ISBN 9781420019155.
  9. ^ Пол К. Веймер ; WS Pike; Г. Садасов; FV Shallcross; Л. Мерай-Хорват (март 1969 г.). «Мозаичные многоэлементные датчики с самосканированием». IEEE Spectrum . 6 (3): 52–65. Bibcode : 1969ITED ... 16..240W . DOI : 10.1109 / MSPEC.1969.5214004 .
  10. ^ Лион, Ричард Ф. (август 1981). «Оптическая мышь и архитектурная методология интеллектуальных цифровых датчиков» (PDF) . В HT Kung; Р. Спроул; Г. Стил (ред.). Конференция CMU по структурам и вычислениям СБИС . Питтсбург: Computer Science Press. С. 1–19. DOI : 10.1007 / 978-3-642-68402-9_1 . ISBN  978-3-642-68404-3.
  11. ^ Патент США 4484210: Твердотельное устройство формирования изображения , имеющая большое запаздывание уменьшенного изображения
  12. ^ Тераниши, Нобузаку ; Kohono, A .; Исихара, Ясуо; Oda, E .; Араи, К. (декабрь 1982 г.). «Фотодиодная структура без запаздывания изображения в межстрочном ПЗС-матрице». 1982 Международное совещание по электронным устройствам : 324–327. DOI : 10.1109 / IEDM.1982.190285 . S2CID 44669969 . 
  13. ^ a b Козловский, LJ; Luo, J .; Kleinhans, WE; Лю Т. (14 сентября 1998 г.). «Сравнение пассивных и активных схем пикселей для КМОП-формирователей видимого изображения» . Инфракрасная считывающая электроника IV . Международное общество оптики и фотоники. 3360 : 101–110. Bibcode : 1998SPIE.3360..101K . DOI : 10.1117 / 12.584474 . S2CID 123351913 . 
  14. ^ a b Питер Дж. У. Ноубл (апрель 1968 г.). "Самосканирующие кремниевые матрицы детекторов изображений". Транзакции IEEE на электронных устройствах . IEEE. ED-15 (4): 202–209. Bibcode : 1968ITED ... 15..202N . DOI : 10,1109 / Т-ED.1968.16167 . (Позже Нобл был удостоен награды Международного общества сенсоров изображений за `` Важнейший вклад в первые годы создания сенсоров изображений ''.)
  15. ^ Саввас Г. Чемберлен (декабрь 1969). "Фоточувствительность и сканирование кремниевых решеток детекторов изображений". Журнал IEEE по твердотельным схемам . СК-4 (6): 333–342. Bibcode : 1969IJSSC ... 4..333C . DOI : 10.1109 / JSSC.1969.1050032 .
  16. ^ Р. Дайк; Г. Веклер (1968). «Интегрированные матрицы кремниевых фотоприемников для считывания изображений». IEEE Trans. Электронные устройства . ED-15 (4): 196–201. Bibcode : 1968ITED ... 15..196D . DOI : 10,1109 / Т-ED.1968.16166 .
  17. ^ a b Fossum, Эрик Р. (18 декабря 2013 г.). «Камера на чипе: передача технологий с Сатурна на ваш мобильный телефон». Технологии и инновации . 15 (3): 197–209. DOI : 10.3727 / 194982413X13790020921744 .
  18. ^ Фоссум, Eric R. (2007). «Активные пиксельные датчики». S2CID 18831792 .  Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  19. ↑ Мацумото, Кадзуя; и другие. (1985). «Новый МОП-фототранзистор, работающий в режиме неразрушающего считывания». Японский журнал прикладной физики . 24 (5A): L323. Bibcode : 1985JaJAP..24L.323M . DOI : 10,1143 / JJAP.24.L323 .
  20. ^ Д. Реншоу; PB Denyer; Г. Ван; М. Лу (1990). «Датчики изображения ASIC». Международный симпозиум IEEE по цепям и системам 1990 .
  21. ^ MA Mahowald; К. Мид (12 мая 1989 г.). «Кремниевая сетчатка». Scientific American . 264 (5): 76–82. Bibcode : 1991SciAm.264e..76M . DOI : 10.1038 / Scientificamerican0591-76 . PMID 2052936 . 
  22. ^ a b c «Датчики CMOS позволяют использовать камеры телефона, HD-видео» . НАСА Spinoff . НАСА . Дата обращения 6 ноября 2019 .
  23. ^ Veendrick, Гарри (2000). ИС Deep-Submicron CMOS: от основ до ASIC (PDF) (2-е изд.). Kluwer Academic Publishers . п. 215. ISBN  9044001116.
  24. ^ а б «Технология визуализации и зондирования» . Sony Semiconductor Solutions Group . Sony . Дата обращения 13 ноября 2019 .
  25. ^ "Продажи датчиков изображения CMOS остаются рекордными темпами" . IC Insights . 8 мая 2018 . Дата обращения 6 октября 2019 .
  26. ^ Фоссум, ER (1 сентября 2013). «Моделирование производительности одно- и многобитовых датчиков изображения Quanta». Журнал IEEE Общества электронных устройств . 1 (9): 166–174. CiteSeerX 10.1.1.646.5176 . DOI : 10,1109 / JEDS.2013.2284054 . S2CID 14510385 .  
  27. ^ "Продвинутые датчики изображения и камеры | Техническая школа Тайера в Дартмуте" . engineering.dartmouth.edu .
  28. ^ [2] , «Датчики изображения CMOS, адаптированные для стоматологических применений», выпущено 26 июля 2006 г. 
  29. ^ "Sensors Expo 2019: Кто есть кто в Sensor Tech" . FierceElectronics . Проверено 25 июня 2020 .
  30. ^ Стефано, Мероли. «CMOS против датчика CCD. Кто явный победитель?» . meroli.web.cern.ch . Проверено 28 марта 2020 .
  31. ^ «Canon: Технология | CMOS сенсор» . www.canon.com .
  32. ^ Группа, Techbriefs Media. «Датчики CCD и CMOS» . www.techbriefs.com . Проверено 28 марта 2020 .
  33. ^ «Разница между распознаванием изображений CCD и CMOS» . www.testandmeasurementtips.com . Проверено 28 марта 2020 .
  34. ^ Лин, Че-я; Лай, Чэн-Сяо; Кинг, Я-Чин (5 августа 2004 г.). «Четырехтранзисторный датчик CMOS с активными пикселями с широким динамическим диапазоном». Материалы Азиатско-Тихоокеанской конференции IEEE 2004 г. по усовершенствованным системным интегральным схемам : 124–127. DOI : 10.1109 / APASIC.2004.1349425 . ISBN 0-7803-8637-X. S2CID  13906445 .
  35. ^ Ф. Тагибахш; k. С. Карим (2007). «Двухтранзисторный датчик с активными пикселями для цифровой рентгеновской визуализации большой площади с высоким разрешением». IEEE International Electron Devices Meeting : 1011–1014.
  36. ^ IEEE СДЕЛКИ НА ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВАХ, ТОМ. 50, № 1 ЯНВАРЯ 2003 ГОДА

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Джон Л. Вампола (январь 1993 г.). «Глава 5 - Считывающая электроника для инфракрасных датчиков» . В Дэвид Л. Шумакер (ред.). Справочник по инфракрасным и электрооптическим системам, том 3 - Электрооптические компоненты . Международное общество оптической инженерии. ISBN 978-0-8194-1072-6. Архивировано из оригинала на 2011-07-16 . Проверено 21 сентября 2006 . - одна из первых книг по проектированию массива CMOS-тепловизоров
  • Мэри Дж. Хьюитт; Джон Л. Вампола; Стивен Х. Блэк; Кэролайн Дж. Нильсен (июнь 1994 г.). Эрик Р. Фоссум (ред.). «Инфракрасная считывающая электроника: историческая перспектива». Труды SPIE . Международное общество оптической инженерии. 2226 (Инфракрасная считывающая электроника II): 108–119. Bibcode : 1994SPIE.2226..108H . DOI : 10.1117 / 12.178474 . S2CID  109585056 .
  • Марк Д. Нельсон; Джеррис Ф. Джонсон; Терренс С. Ломхейм (ноябрь 1991 г.). «Общие шумовые процессы в гибридных решетках инфракрасной фокальной плоскости». Оптическая инженерия . Международное общество оптической инженерии. 30 (11): 1682–1700. Bibcode : 1991OptEn..30.1682N . DOI : 10.1117 / 12.55996 .
  • Стефано Мероли; Леонелло Серволи; Даниэле Пассери (июнь 2011 г.). «Использование стандартного КМОП-формирователя изображения в качестве детектора положения заряженных частиц». Nuclear Physics B - Proceedings Supplements . Эльзевир. 215 (1): 228–231. Bibcode : 2011NuPhS.215..228S . DOI : 10.1016 / j.nuclphysbps.2011.04.016 .
  • Мартин Васи (сентябрь 2009 г.). «Тестирование датчика изображения CMOS: комплексный подход» . Jova Solutions . Сан-Франциско, Калифорния.

Внешние ссылки [ править ]

  • CMOS-камера как датчик Учебное пособие, показывающее, как недорогая CMOS-камера может заменить датчики в робототехнических приложениях
  • CMOS APS против CCD CMOS Active Pixel Sensor против CCD. Сравнение производительности
  • Веб-страница изобретателя датчика изображения Питера Дж. У. Нобла с документами и видео презентации 2015 года
  • Изображение, показывающее топологию датчиков FSI и BSI