Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с датчиков изображения )
Перейти к навигации Перейти к поиску
ПЗС - датчик изображения на гибкой печатной плате
1-килобитный чип DRAM от American Microsystems, Inc. (AMI) (центральный чип со стеклянным окном), используемый в Cromemco Cyclops в качестве датчика изображения.

Датчик изображения или имидж- сканер - это датчик, который обнаруживает и передает информацию, используемую для создания изображения . Это достигается путем преобразования переменного затухания световых волн (когда они проходят через объекты или отражаются от них ) в сигналы , небольшие всплески тока , передающие информацию. Волны могут быть световыми или другим электромагнитным излучением . Датчики изображения используются в электронных устройствах формирования изображений как аналоговых, так и цифровыхтипы, которые включают в себя цифровые камеры , модули камеры , камерофоны , оптическая мышь устройство, [1] [2] [3] рентгенография оборудование, приборы ночного видения оборудование , такие как тепловизионные приборы, радар , сонар и другие. По мере изменения технологий электронные и цифровые изображения стремятся вытеснить химические и аналоговые изображения.

Двумя основными типами электронных датчиков изображения являются устройство с зарядовой связью (ПЗС) и датчик с активным пикселем ( датчик КМОП ). Оба ПЗС и КМОП - датчики на основе металл-оксид-полупроводник (МОП), с ПЗС - матрицы на основе МОП - конденсаторов и КМОП - датчиков на основе полевого МОП - транзистора (МОП полевой транзистор) усилители . Аналоговые датчики невидимого излучения, как правило, включают в себя вакуумные лампы различных типов, в то время как цифровые датчики включают детекторы с плоскими панелями .

ПЗС и КМОП датчики [ править ]

Микрофотография угла матрицы фотодатчиков цифровой веб- камеры.
Датчик изображения (вверху слева) на материнской плате Nikon Coolpix L2 6 MP

Двумя основными типами цифровых датчиков изображения являются устройство с зарядовой связью (CCD) и датчик с активными пикселями (CMOS-датчик), изготовленные с использованием дополнительных технологий MOS (CMOS) или MOS N-типа ( NMOS или Live MOS ). Оба ПЗС и КМОП - датчики на основе МОП технологии , [4] с МОП - конденсаторы , являющиеся строительными блоками ПЗС, [5] и MOSFET усилители , являющиеся строительными блоками датчика CMOS. [6] [7]

Камеры, интегрированные в небольшие потребительские товары, обычно используют датчики CMOS, которые обычно дешевле и имеют меньшее энергопотребление в устройствах с батарейным питанием, чем CCD. [8] ПЗС-датчики используются для высококачественных видеокамер вещательного качества, а КМОП-датчики преобладают в фотосъемке и потребительских товарах, где общая стоимость является основной проблемой. Оба типа датчиков выполняют одну и ту же задачу по улавливанию света и преобразованию его в электрические сигналы.

Каждая ячейка датчика изображения CCD представляет собой аналоговое устройство. Когда свет попадает на чип, он сохраняется в виде небольшого электрического заряда в каждом фотодатчике . Заряды в строке пикселей, ближайшей к (одному или нескольким) выходным усилителям, усиливаются и выводятся, затем каждая строка пикселей сдвигает свои заряды на одну строку ближе к усилителям, заполняя пустую строку, ближайшую к усилителям. Затем этот процесс повторяется до тех пор, пока все линии пикселей не будут усилены и выведены. [9]

Датчик изображения CMOS имеет усилитель для каждого пикселя по сравнению с несколькими усилителями CCD. Это приводит к меньшей площади для захвата фотонов, чем у ПЗС-матрицы, но эту проблему удалось преодолеть за счет использования микролинз перед каждым фотодиодом, которые фокусируют свет на фотодиод, который в противном случае попал бы в усилитель и не был бы обнаружен. [9] Некоторые КМОП-датчики изображения также используют заднюю подсветку, чтобы увеличить количество фотонов, попадающих на фотодиод. [10] КМОП-датчики потенциально могут быть реализованы с меньшим количеством компонентов, потреблять меньше энергии и / или обеспечивать более быстрое считывание, чем ПЗС-датчики. [11] Они также менее уязвимы к разрядам статического электричества.

Другая конструкция, гибридная архитектура CCD / CMOS (продаваемая под названием « sCMOS ») состоит из интегральных схем считывания CMOS (ROIC), которые прикреплены к подложке изображения CCD - технология, которая была разработана для матриц с инфракрасным наблюдением и была адаптирована к кремниевой детекторной технологии. [12] Другой подход заключается в использовании очень мелких размеров, доступных в современной КМОП-технологии, для реализации ПЗС-подобной структуры полностью в КМОП-технологии: такие структуры могут быть получены путем разделения отдельных поликремниевых затворов очень маленьким зазором; хотя гибридные датчики, все еще являющиеся продуктом исследований, потенциально могут использовать преимущества как ПЗС-, так и КМОП-формирователей изображений. [13]

Производительность [ править ]

См. Также: EMVA1288

Существует множество параметров, которые можно использовать для оценки характеристик датчика изображения, включая динамический диапазон , отношение сигнал / шум и чувствительность при слабом освещении. Для датчиков сопоставимых типов отношение сигнал / шум и динамический диапазон улучшаются по мере увеличения размера .

Контроль времени выдержки [ править ]

Время экспозиции датчиков изображения обычно регулируется либо обычным механическим затвором , как в пленочных камерах, либо электронным затвором . Электронная опалубка может быть «глобальной», и в этом случае накопление фотоэлектронов во всей области датчика изображения начинается и прекращается одновременно, или «вращением», и в этом случае интервал экспозиции каждой строки непосредственно предшествует считыванию этой строки в процессе, который «вращается». поперек кадра изображения (обычно сверху вниз в альбомном формате). Глобальная электронная опалубка менее распространена, так как требует, чтобы схемы «хранения» удерживали заряд с конца интервала экспонирования до момента считывания, обычно через несколько миллисекунд. [14]

Цветоделение [ править ]

Шаблон Байера на датчике
Схема вертикальной фильтрации Foveon для восприятия цвета

Существует несколько основных типов датчиков цветного изображения, различающихся типом механизма цветоделения:

  • Датчик с фильтром Байера , недорогой и наиболее распространенный, использующий массив цветных фильтров , пропускающий красный, зеленый и синий свет к выбранным пиксельным датчикам . Каждый отдельный сенсорный элемент сделан чувствительным к красному, зеленому или синему цвету с помощью цветного геля из химических красителей, нанесенных на элементы. Наиболее распространенная матрица фильтров, шаблон Байера , использует два зеленых пикселя для каждого красного и синего. Это приводит к меньшему разрешению для красного и синего цветов. Отсутствующие образцы цвета могут интерполироваться с использованиемалгоритма демозаики или вообще игнорироваться сжатием с потерями . Чтобы улучшить информацию о цвете, такие методы, как выборка цветного совмещения, используютпьезоэлемент для смещения датчика цвета с шагом пикселя.
  • Датчик Foveon X3 , использующий массив многослойных пиксельных датчиков, разделяет свет с помощью присущего кремнию свойства поглощения, зависящего от длины волны, так что каждое место воспринимает все три цветовых канала. Этот метод похож на то, как работает цветная пленка для фотографии.
  • 3CCD , использующий три дискретных датчика изображения, с разделением цветов с помощью дихроичной призмы . Дихроичные элементы обеспечивают более четкое разделение цветов, улучшая тем самым качество цвета. Поскольку каждый датчик одинаково чувствителен в пределах своей полосы пропускания и при полном разрешении, датчики 3-CCD обеспечивают лучшее качество цвета и лучшие характеристики при слабом освещении. Датчики 3-CCD воспроизводят полныйсигнал 4: 4: 4 , который предпочтителен при телевещании , редактировании видео ивизуальных эффектах цветности .

Специальные датчики [ править ]

Инфракрасный снимок туманности Ориона, сделанный с помощью криогенного широкопольного тепловизора ESO HAWK-I [15]

Специальные датчики используются в различных приложениях, таких как термография , создание многоспектральных изображений , видеоларингоскопы , гамма-камеры , матрицы датчиков для рентгеновских лучей и другие высокочувствительные матрицы для астрономии . [ необходима цитата ]

В то время как в цифровых камерах обычно используется плоский датчик, Sony в 2014 году создала прототип изогнутого датчика, чтобы уменьшить / устранить искривление поля Петцваля, которое возникает при использовании плоского датчика. Использование изогнутого датчика позволяет использовать объектив все короче и меньшего диаметра с уменьшенными элементами и компонентами с большей диафрагмой и уменьшенным падением света по краям фотографии. [16]

История [ править ]

См. Также: Цифровое изображение

Ранние аналоговые датчики для видимого света были трубками видеокамер . Они датируются 1930-ми годами, а несколько типов были разработаны до 1980-х годов. К началу 1990-х их заменили современные твердотельные датчики изображения CCD. [17]

Основой современных твердотельных датчиков изображения является технология MOS [18] [19], которая берет свое начало в результате изобретения MOSFET Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году. [20] Позже исследования в области технологии MOS привели к успеху. к разработке твердотельных полупроводниковых датчиков изображения, включая устройство с зарядовой связью (ПЗС), а затем и датчик с активными пикселями ( датчик КМОП ). [18] [19]

Датчика пассивно-пиксела (ПФС) был предшественником датчика активного пикселя (APS). [7] PPS состоит из пассивных пикселей, которые считываются без усиления , причем каждый пиксель состоит из фотодиода и переключателя MOSFET . [21] Это тип матрицы фотодиодов с пикселями, содержащими pn переход , интегрированный конденсатор и полевые МОП-транзисторы в качестве селективных транзисторов . Матрица фотодиодов была предложена Г. Веклером в 1968 году. [6] Это была основа для PPS. [7]Эти первые матрицы фотодиодов были сложными и непрактичными, поэтому требовалось изготовление 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 . [6]

Устройство с зарядовой связью [ править ]

Основная статья: Устройство с зарядовой связью

Устройство с зарядовой связью (ПЗС) было изобретено Уиллардом С. Бойлом и Джорджем Э. Смитом в Bell Labs в 1969 году. [22] Исследуя технологию МОП, они поняли, что электрический заряд является аналогом магнитного пузыря и что он может храниться на крошечном МОП-конденсаторе . Поскольку было довольно просто изготовить серию МОП-конденсаторов в ряд, они подключали к ним подходящее напряжение, чтобы заряд мог переходить от одного к другому. [18] ПЗС-матрица представляет собой полупроводниковую схему, которая позже использовалась в первых цифровых видеокамерах для телевещания . [23]

Ранние датчики CCD страдали от задержки срабатывания затвора . Это было в значительной степени решено с изобретением закрепленного фотодиода (PPD). [7] Он был изобретен Нобуказу Тераниши , Хиромицу Шираки и Ясуо Исихара в NEC в 1980 году. [7] [24] Это была структура фотодетектора с низкой задержкой, низким уровнем шума , высокой квантовой эффективностью и низким темновым током . [7] В 1987 году PPD начали встраиваться в большинство устройств CCD, став неотъемлемой частью бытовых электронных видеокамер, а затем и цифровых фотоаппаратов.. С тех пор PPD использовался почти во всех датчиках CCD, а затем в датчиках CMOS. [7]

Датчик с активным пикселем [ править ]

Основная статья: Датчик с активным пикселем

NMOS датчика активного пикселя (APS) , был изобретен Olympus в Японии в середине 1980-х годов. Это стало возможным благодаря достижениям в производстве полупроводниковых МОП- устройств , когда масштабирование МОП-транзисторов достигало более мелких микронных, а затем и субмикронных уровней. [6] [25] Первый NMOS АПС был изготовлен командой Цутого Накамур на Olympus в 1985 году [26] КМОП - датчик активного пикселя (КМОП - датчик) был позже разработан Эрик фоссум команды «ы в НАСА Лаборатории реактивного движения в 1993. [7] К 2007 году продажи КМОП-сенсоров превысили ПЗС-сенсоры.[27] К 2010-м годам КМОП-датчики в значительной степени вытеснили ПЗС-датчики во всех новых приложениях.

Другие датчики изображения [ править ]

Новый iPad оснащен лидарным датчиком

Первая коммерческая цифровая камера , Cromemco Cyclops в 1975 году, использовала MOS-датчик изображения 32 × 32. Это был модифицирован МОП динамического ОЗУ ( DRAM ) чип памяти . [28]

Датчики изображения MOS широко используются в технологии оптических мышей . В первой оптической мыши, изобретенной Ричардом Ф. Лайоном в Xerox в 1980 году, использовался сенсорный чип с интегральной схемой NMOS 5  мкм . [29] [30] С момента появления первой коммерческой оптической мыши IntelliMouse, представленной в 1999 году, в большинстве оптических мышей используются датчики CMOS. [31]

В феврале 2018 года исследователи из Дартмутского колледжа объявили о новой технологии распознавания изображений, которую исследователи назвали QIS, для Quanta Image Sensor. Вместо пикселей в чипах QIS есть то, что исследователи называют «jots». Каждая йота может обнаружить одну частицу света, называемую фотоном . [32]

См. Также [ править ]

  • Список датчиков, используемых в цифровых камерах
  • Контактный датчик изображения (СНГ)
  • Электрооптический датчик
  • Трубка видеокамеры
  • Полупроводниковый детектор
  • Коэффициент заполнения
  • Полнокадровая цифровая SLR
  • Разрешение изображения
  • Формат датчика изображения , размеры и формы обычных датчиков изображения
  • Массив цветных фильтров , мозаика из крошечных цветных фильтров над датчиками цветного изображения
  • Сенситометрия , научное исследование светочувствительных материалов.
  • История телевидения , развитие технологий электронного изображения с 1880-х гг.
  • Список видеокамер со сменными объективами с большим сенсором
  • Датчик двоичного изображения с передискретизацией
  • Компьютерное зрение
  • Сканер для метлы
  • Сканер метлы-венчика

Ссылки [ править ]

  1. ^ Лион, Ричард Ф. (август 1981). «Оптическая мышь и архитектурная методология интеллектуальных цифровых датчиков» (PDF) . В HT Kung; Роберт Ф. Спроул; Гай Л. Стил (ред.). Системы СБИС и вычисления . Computer Science Press. С. 1–19. DOI : 10.1007 / 978-3-642-68402-9_1 . ISBN 978-3-642-68404-3.
  2. ^ Лион, Ричард Ф. (2014). «Оптическая мышь: раннее биомиметическое встроенное видение» . Достижения в области встроенного компьютерного зрения . Springer. С. 3-22 (3). ISBN 9783319093871.
  3. ^ Мозг, Маршалл; Кармак, Кармен (24 апреля 2000 г.). «Как работают компьютерные мыши» . HowStuffWorks . Проверено 9 октября 2019 .
  4. ^ Кресслер, Джон Д. (2017). «Да будет свет: яркий мир фотоники» . Кремниевая Земля: Введение в микроэлектронику и нанотехнологии, второе издание . CRC Press . п. 29. ISBN 978-1-351-83020-1.
  5. ^ Sze, Саймон Мин ; Ли, Мин-Квэй (май 2012 г.). "МОП-конденсатор и МОП-транзистор" . Полупроводниковые приборы: физика и технологии: международная студенческая версия . Джон Вили и сыновья . ISBN 9780470537947. Дата обращения 6 октября 2019 .
  6. ^ a b c d Fossum, Эрик Р. (12 июля 1993 г.). 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 .  
  7. ^ a b c d e f g h 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 .
  8. ^ «CMOS выигрывает битву сенсоров камеры, и вот почему» . techhive.com . 2011-12-29. Архивировано 01 мая 2017 года . Проверено 27 апреля 2017 .
  9. ^ a b 2002-2017 гг., Canon Europa NV и Canon Europe Ltd. "CCD и CMOS сенсоры - Canon Professional Network" . Canon Professional Network . Архивировано 28 апреля 2018 года . Проверено 28 апреля 2018 .CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  10. ^ "Что такое CMOS-датчик с подсветкой?" . techradar.com . 2012-07-02. Архивировано 06 мая 2017 года . Проверено 27 апреля 2017 .
  11. ↑ Мойнихан, Том. «CMOS побеждает в битве за сенсор камеры, и вот почему» . Архивировано 25 сентября 2015 года . Проверено 10 апреля 2015 года .
  12. ^ scmos.com Архивировано 3 июня 2012 г. надомашней странице Wayback Machine.
  13. ^ ieee.org - ПЗС в КМОП- матрице. Архивировано 22 июня 2015 г. на Wayback Machine. Падмакумар Р. Рао и др., «Структуры ПЗС реализованы по стандартной технологии КМОП 0,18 мкм»
  14. Перейти ↑ Nakamura, Junichi (2005). Датчики изображения и обработка сигналов для цифровых фотоаппаратов . CRC Press. С. 169–172. ISBN 9781420026856.
  15. ^ "Самый глубокий взгляд на Орион" . Архивировано 13 июля 2016 года . Проверено 13 июля +2016 .
  16. ^ Стив Дент. «Первая фотография Sony с« изогнутым сенсором »может означать более качественные изображения и более дешевые объективы» . Архивировано 11 июля 2014 года . Проверено 8 июля 2014 года .
  17. ^ Musburger, Роберт Б .; Огден, Майкл Р. (2014). Производство однокамерного видео . CRC Press . п. 64. ISBN 9781136778445.
  18. ^ a b c Уильямс, JB (2017). Революция в электронике: изобретение будущего . Springer. С. 245–8. ISBN 9783319490885.
  19. ^ a b Ohta, июнь (2017). Датчики изображения Smart CMOS и приложения . CRC Press . п. 2. ISBN 9781420019155.
  20. ^ "1960: Металлооксидный полупроводниковый (МОП) транзистор продемонстрирован" . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров . Проверено 31 августа 2019 года .
  21. ^ 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 . 
  22. ^ Джеймс Р. Джейнсик (2001). Научные приборы с зарядовой связью . SPIE Press. С. 3–4. ISBN 978-0-8194-3698-6.
  23. ^ Бойл, Уильям S; Смит, Джордж Э. (1970). «Полупроводниковые приборы с зарядовой связью». Bell Syst. Tech. Дж . 49 (4): 587–593. DOI : 10.1002 / j.1538-7305.1970.tb01790.x .
  24. ^ Патент США 4484210: Твердотельное устройство формирования изображения , имеющая большое запаздывание уменьшенного изображения
  25. ^ Фоссум, Eric R. (2007). «Активные пиксельные датчики» (PDF) . Семантический ученый . S2CID 18831792 . Архивировано из оригинального (PDF) 9 марта 2019 года . Проверено 8 октября 2019 .  
  26. ↑ 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 .
  27. ^ "Продажи датчиков изображения CMOS остаются рекордными темпами" . IC Insights . 8 мая 2018 . Дата обращения 6 октября 2019 .
  28. ^ Benchoff, Брайан (17 апреля 2016). «Создание первой цифровой камеры» . Hackaday . Проверено 30 апреля 2016 года . Cyclops был первым цифровым фотоаппаратом
  29. ^ Лион, Ричард Ф. (2014). «Оптическая мышь: раннее биомиметическое встроенное видение» . Достижения в области встроенного компьютерного зрения . Springer. С. 3-22 (3). ISBN 9783319093871.
  30. ^ Лион, Ричард Ф. (август 1981). «Оптическая мышь и архитектурная методология интеллектуальных цифровых датчиков» (PDF) . В HT Kung; Роберт Ф. Спроул; Гай Л. Стил (ред.). Системы СБИС и вычисления . Computer Science Press. С. 1–19. DOI : 10.1007 / 978-3-642-68402-9_1 . ISBN  978-3-642-68404-3.
  31. ^ Мозг, Маршалл; Кармак, Кармен (24 апреля 2000 г.). «Как работают компьютерные мыши» . HowStuffWorks . Проверено 9 октября 2019 .
  32. ^ «Сверхчувствительный датчик видит то, чего вы не можете» . npr.org . Архивировано 24 марта 2018 года . Проверено 28 апреля 2018 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Сводка характеристик сенсора цифровой камеры , Роджер Кларк
  • Кларк, Роджер. "Имеет ли значение размер пикселя?" . clarkvision.com . (с графическими ведрами и аналогами дождевой воды)