stringtranslate.com

Датчик изображения

Датчик изображения ПЗС на гибкой печатной плате
Чип DRAM компании American Microsystems, Inc. (AMI) емкостью 1 килобит (центральный чип со стеклянным окном), используемый в качестве датчика изображения в Cromemco Cyclops

Датчик изображения или формирователь изображения — это датчик , который обнаруживает и передает информацию, используемую для формирования изображения . Он делает это путем преобразования переменного затухания световых волн (при прохождении через объекты или отражении от них ) в сигналы , небольшие всплески тока , которые передают информацию. Волны могут быть светом или другим электромагнитным излучением . Датчики изображения используются в электронных устройствах формирования изображений как аналогового , так и цифрового типа, которые включают в себя цифровые камеры , модули камер , телефоны с камерой , оптические мыши , [1] [2] [3] медицинское оборудование для формирования изображений, оборудование ночного видения , такое как тепловизоры , радары , сонары и другие. По мере изменения технологий электронная и цифровая визуализация имеет тенденцию заменять химическую и аналоговую визуализацию.

Два основных типа электронных датчиков изображения — это прибор с зарядовой связью (ПЗС) и датчик с активными пикселями ( датчик КМОП ). Оба датчика — ПЗС и КМОП — основаны на технологии металл-оксид-полупроводник (МОП), при этом ПЗС основаны на МОП-конденсаторах , а КМОП-датчики — на усилителях на основе МОП-транзисторов (МОП-полевых транзисторов) . Аналоговые датчики для невидимого излучения, как правило, включают вакуумные трубки различных типов, в то время как цифровые датчики включают в себя плоскопанельные детекторы .

Датчики CCD и CMOS

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

Два основных типа цифровых датчиков изображения — это прибор с зарядовой связью (ПЗС) и датчик с активными пикселями (КМОП-датчик), изготовленные по комплементарной МОП-технологии (КМОП) или МОП-технологии N-типа ( NМОП или Live МОП ). Оба датчика — ПЗС и КМОП — основаны на технологии МОП , [4] причем МОП-конденсаторы являются строительными блоками ПЗС, [5] а усилители МОП-транзисторов являются строительными блоками КМОП-датчика. [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] Датчики CCD используются для высококачественных вещательных видеокамер, а датчики CMOS доминируют в неподвижной фотографии и потребительских товарах, где общая стоимость является основным фактором. Оба типа датчиков выполняют одну и ту же задачу захвата света и преобразования его в электрические сигналы.

Каждая ячейка датчика изображения ПЗС является аналоговым устройством. Когда свет попадает на чип, он удерживается 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 смещает свои заряды на одну строку ближе к усилителям, заполняя пустую строку, ближайшую к усилителям. Затем этот процесс повторяется до тех пор, пока заряд всех строк пикселей не будет усилен и выведен. [9]

Датчик изображения CMOS имеет усилитель для каждого пикселя по сравнению с несколькими усилителями CCD. Это приводит к меньшей площади захвата фотонов, чем у CCD, но эта проблема была преодолена с помощью микролинз перед каждым фотодиодом, которые фокусируют свет на фотодиоде, который в противном случае попал бы на усилитель и не был бы обнаружен. [9] Некоторые датчики изображения CMOS также используют заднюю подсветку для увеличения количества фотонов, попадающих на фотодиод. [10] Датчики CMOS потенциально могут быть реализованы с меньшим количеством компонентов, потреблять меньше энергии и/или обеспечивать более быстрое считывание, чем датчики CCD. [11] Они также менее уязвимы для разрядов статического электричества.

Другая конструкция, гибридная архитектура ПЗС/КМОП (продается под названием « sCMOS »), состоит из интегральных схем считывания КМОП (ROIC), которые соединены с подложкой формирования изображения ПЗС методом столбчатого соединения — технология, разработанная для инфракрасных матриц и адаптированная к технологии детекторов на основе кремния. [12] Другой подход заключается в использовании очень малых размеров, доступных в современной технологии КМОП, для реализации структуры, подобной ПЗС, полностью в технологии КМОП: такие структуры могут быть получены путем разделения отдельных затворов из поликремния очень маленьким зазором; хотя гибридные датчики по-прежнему являются продуктом исследований, они потенциально могут использовать преимущества как ПЗС, так и КМОП-формирователей изображения. [13]

Производительность

Существует множество параметров, которые можно использовать для оценки производительности датчика изображения, включая динамический диапазон , отношение сигнал/шум и чувствительность к низкой освещенности. Для датчиков сопоставимых типов отношение сигнал/шум и динамический диапазон улучшаются с увеличением размера . Это происходит потому, что за заданное время интеграции (экспозиции) больше фотонов попадают в пиксель с большей площадью.

Контроль времени экспозиции

Время экспозиции датчиков изображения обычно контролируется либо обычным механическим затвором , как в пленочных камерах, либо электронным затвором . Электронный затвор может быть «глобальным», в этом случае накопление фотоэлектронов всей области датчика изображения начинается и останавливается одновременно, или «скользящим», в этом случае интервал экспозиции каждой строки непосредственно предшествует считыванию этой строки, в процессе, который «прокатывается» по кадру изображения (обычно сверху вниз в альбомном формате). Глобальный электронный затвор встречается реже, так как он требует «хранения» цепей для удержания заряда с конца интервала экспозиции до тех пор, пока не начнется процесс считывания, обычно через несколько миллисекунд. [14]

Цветоделение

Образец Байера на датчике
Схема вертикальной фильтрации Foveon для определения цвета

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

Специальные датчики

Инфракрасное изображение туманности Ориона , полученное с помощью широкоугольного криогенного телескопа ESO HAWK-I [ 19]

Специальные датчики используются в различных приложениях, таких как создание многоспектральных изображений , видеоларингоскопы , гамма-камеры , плоскопанельные детекторы и другие сенсорные матрицы для рентгеновских лучей , микроболометрические матрицы в термографии и другие высокочувствительные матрицы для астрономии . [20]

В то время как в целом цифровые камеры используют плоский датчик, Sony в 2014 году создала прототип изогнутого датчика, чтобы уменьшить/устранить кривизну поля Петцваля , которая возникает при использовании плоского датчика. Использование изогнутого датчика позволяет использовать более короткий и меньший диаметр объектива с уменьшенными элементами и компонентами с большей апертурой и уменьшенным падением освещенности на краю фотографии. [21]

История

Ранние аналоговые датчики для видимого света представляли собой трубки видеокамер . Они датируются 1930-ми годами, и несколько типов были разработаны вплоть до 1980-х годов. К началу 1990-х годов они были заменены современными твердотельными датчиками изображения ПЗС. [22]

Основой современных твердотельных датчиков изображения является технология МОП, [23] [24], которая берет свое начало с изобретения МОП-транзистора Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году. [25] Более поздние исследования технологии МОП привели к разработке твердотельных полупроводниковых датчиков изображения, включая прибор с зарядовой связью (ПЗС), а позднее и датчик с активными пикселями ( датчик КМОП ). [23] [24]

Пассивно -пиксельный датчик (PPS) был предшественником активно-пиксельного датчика (APS). [7] PPS состоит из пассивных пикселей, которые считываются без усиления , причем каждый пиксель состоит из фотодиода и переключателя MOSFET . [26] Это тип фотодиодной матрицы , в которой пиксели содержат pn-переход , встроенный конденсатор и MOSFET в качестве транзисторов выбора . Фотодиодная матрица была предложена Г. Веклером в 1968 году. [6] Это было основой для PPS. [7] Эти ранние фотодиодные матрицы были сложными и непрактичными, требуя изготовления транзисторов выбора в каждом пикселе вместе со схемами мультиплексора на кристалле . Шум фотодиодных матриц также был ограничением производительности, поскольку емкость шины считывания фотодиода приводила к увеличению уровня шума. Коррелированная двойная выборка (CDS) также не могла использоваться с фотодиодной матрицей без внешней памяти . [6] Однако в 1914 году заместитель генерального консула Карл Р. Луп в консульском отчете о системе Televista Арчибальда М. Лоу сообщил государственному департаменту , что «заявлено, что селен в передающем экране может быть заменен любым диамагнитным материалом ». [27]

В июне 2022 года Samsung Electronics объявила о создании датчика изображения на 200 миллионов пикселей. 200-мегапиксельный ISOCELL HP3 имеет пиксели размером 0,56 микрометра, в то время как Samsung сообщила, что предыдущие датчики имели пиксели размером 0,64 микрометра, что на 12% меньше, чем в 2019 году. Новый датчик содержит 200 миллионов пикселей в объективе размером 1 на 1,4 дюйма (25 на 36 мм). [28]

Прибор с зарядовой связью

Прибор с зарядовой связью (ПЗС) был изобретен Уиллардом С. Бойлом и Джорджем Э. Смитом в Bell Labs в 1969 году. [29] 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 ряд МОП-конденсаторов в ряд, они подключили к ним подходящее напряжение, чтобы заряд мог передаваться от одного к другому. [23] ПЗС — это полупроводниковая схема, которая позже использовалась в первых цифровых видеокамерах для телевизионного вещания . [30]

Ранние датчики CCD страдали от задержки затвора . Эта проблема была в значительной степени решена с изобретением закрепленного фотодиода (PPD). [7] Он был изобретен Нобуказу Тераниши , Хиромицу Шираки и Ясуо Исихарой ​​в NEC в 1980 году. [7] [31] Это была структура фотодетектора с малой задержкой, низким уровнем шума , высокой квантовой эффективностью и низким темновым током . [7] В 1987 году PPD начали включать в большинство устройств CCD, став неотъемлемой частью потребительских электронных видеокамер , а затем цифровых фотоаппаратов . С тех пор PPD использовался почти во всех датчиках CCD, а затем и в датчиках CMOS. [7]

Датчик с активным пикселем

Датчик с активными пикселями NMOS (APS) был изобретен компанией Olympus в Японии в середине 1980-х годов. Это стало возможным благодаря достижениям в производстве полупроводниковых устройств MOS , при этом масштабирование MOSFET достигло микронных , а затем и субмикронных уровней. [6] [32] Первый датчик с активными пикселями NMOS был изготовлен командой Цутому Накамуры в Olympus в 1985 году. [33] Датчик с активными пикселями CMOS (CMOS-датчик) был позже усовершенствован группой ученых из Лаборатории реактивного движения NASA в 1993 году. [7] К 2007 году продажи датчиков CMOS превзошли продажи датчиков CCD. [34] К 2010-м годам датчики CMOS в значительной степени вытеснили датчики CCD во всех новых приложениях.

Другие датчики изображения

Первая коммерческая цифровая камера , Cromemco Cyclops в 1975 году, использовала датчик изображения MOS 32×32. Это был модифицированный чип памяти MOS dynamic RAM ( DRAM ) . [35]

Датчики изображения MOS широко используются в технологии оптических мышей . Первая оптическая мышь, изобретенная Ричардом Ф. Лайоном в Xerox в 1980 году, использовала чип датчика интегральной схемы NMOS размером 5  мкм . [2] [1] С момента появления первой коммерческой оптической мыши IntelliMouse в 1999 году большинство устройств оптических мышей используют датчики CMOS. [36]

В феврале 2018 года исследователи из Дартмутского колледжа анонсировали новую технологию распознавания изображений, которую исследователи назвали QIS (Quanta Image Sensor). Вместо пикселей чипы QIS имеют то, что исследователи называют «джотами». Каждый джот может обнаружить одну частицу света, называемую фотоном . [ 37]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Lyon, Richard F. (август 1981 г.). «Оптическая мышь и архитектурная методология для интеллектуальных цифровых датчиков» (PDF) . В HT Kung; Robert F. Sproull; Guy L. Steele (ред.). VLSI Systems and Computations . Computer Science Press. стр. 1–19. doi :10.1007/978-3-642-68402-9_1. ISBN 978-3-642-68404-3. S2CID  60722329.
  2. ^ ab Lyon, Richard F. (2014). «Оптическая мышь: раннее биомиметическое встроенное зрение». Достижения во встроенном компьютерном зрении . Springer. стр. 3–22 (3). ISBN 9783319093871.
  3. ^ Брэйн, Маршалл; Кармак, Кармен (24 апреля 2000 г.). «Как работают компьютерные мыши». HowStuffWorks . Получено 9 октября 2019 г. .
  4. ^ Кресслер, Джон Д. (2017). «Да будет свет: яркий мир фотоники». Кремниевая Земля: Введение в микроэлектронику и нанотехнологии, второе издание . CRC Press . стр. 29. ISBN 978-1-351-83020-1.
  5. ^ Sze, Simon Min ; Lee, Ming-Kwei (май 2012). "MOS Capacitor and MOSFET". Полупроводниковые приборы: физика и технология : Международная студенческая версия . John Wiley & Sons . ISBN 9780470537947. Получено 6 октября 2019 г. .
  6. ^ abcd Fossum, Eric R. (12 июля 1993 г.). «Активные пиксельные датчики: динозавры ли CCDS?». В Blouke, Morley M. (ред.). Charge-Coupled Devices and Solid State Optical Sensors III . Vol. 1900. International Society for Optics and Photonics. pp. 2–14. Bibcode : 1993SPIE.1900....2F. CiteSeerX 10.1.1.408.6558 . doi : 10.1117/12.148585. S2CID  10556755. 
  7. ^ abcdefgh Фоссум, Эрик Р .; Хондонгва, ДБ (2014). «Обзор закрепленного фотодиода для датчиков изображения ПЗС и КМОП». Журнал IEEE Общества электронных приборов . 2 (3): 33–43. doi : 10.1109/JEDS.2014.2306412 .
  8. ^ «CMOS побеждает в битве за сенсоры камер, и вот почему». techhive.com . 29.12.2011. Архивировано из оригинала 01.05.2017 . Получено 27.04.2017 .
  9. ^ ab "CCD и CMOS датчики". Canon Professional Network . Архивировано из оригинала 28 апреля 2018 г. Получено 28 апреля 2018 г.
  10. ^ "Что такое подсвечиваемый CMOS-датчик?". techradar.com . 2012-07-02. Архивировано из оригинала 2017-05-06 . Получено 2017-04-27 .
  11. ^ Мойнихан, Том (29 декабря 2011 г.). «CMOS побеждает в битве сенсоров камер, и вот почему». Архивировано из оригинала 25 сентября 2015 г. Получено 10 апреля 2015 г.
  12. ^ scmos.com Архивировано 2012-06-03 на Wayback Machine , домашняя страница
  13. ^ ieee.org - ПЗС в КМОП Архивировано 22 июня 2015 г. на Wayback Machine Падмакумар Р. Рао и др., "Структуры ПЗС, реализованные в стандартной технологии КМОП 0,18 мкм"
  14. ^ Накамура, Дзюнъити (2005). Датчики изображения и обработка сигнала для цифровых фотокамер. CRC Press. С. 169–172. ISBN 9781420026856.
  15. ^ Диллон, Питер (декабрь 1976 г.). «Интегральные матрицы цветных фильтров для твердотельных формирователей изображений». Международная встреча по электронным приборам 1976 г. Технический сборник Международной встречи по электронным приборам (IEDM), Вашингтон, округ Колумбия, декабрь 1976 г. стр. 400–403. doi :10.1109/IEDM.1976.189067. S2CID  35103154 – через IEEE.
  16. ^ Парульски, Кеннет (август 1985 г.). «Цветные фильтры и альтернативы обработки для однокристальных камер». Труды IEEE по электронным устройствам . 32 (8): 1381–1389. Bibcode : 1985ITED...32.1381P. doi : 10.1109/T-ED.1985.22133. S2CID  9008653.
  17. ^ Диллон, Питер (февраль 1978 г.). «Изготовление и эксплуатационные характеристики матриц цветных фильтров для твердотельных формирователей изображений». IEEE Transactions on Electron Devices . 25 (2): 97–101. Bibcode : 1978ITED...25...97D. doi : 10.1109/T-ED.1978.19045.
  18. ^ Диллон, Питер (февраль 1978 г.). «Система цветного изображения с использованием однозонной матрицы ПЗС». IEEE Transactions on Electron Devices . 25 (2): 102–107. doi :10.1109/T-ED.1978.19046.
  19. ^ "Deepest Ever Look into Orion". Архивировано из оригинала 13 июля 2016 года . Получено 13 июля 2016 года .
  20. ^ Gitto, Simone (2020). Arduino с MATLAB в термографии: от датчика до тепловизионной камеры (Arduino и далее) . Независимо опубликовано. ISBN 979-8698999171.
  21. ^ Дент, Стив (8 июля 2014 г.). «Первое фото Sony с изогнутым сенсором может предвещать более качественные изображения и более дешевые объективы». Архивировано из оригинала 11 июля 2014 г. Получено 8 июля 2014 г.
  22. ^ Musburger, Robert B.; Ogden, Michael R. (2014). Видеопроизводство с одной камерой. CRC Press . стр. 64. ISBN 9781136778445.
  23. ^ abc Williams, JB (2017). Революция в электронике: изобретение будущего. Springer. стр. 245–248. ISBN 9783319490885.
  24. ^ ab Ohta, Jun (2017). Интеллектуальные датчики изображения CMOS и их применение. CRC Press . стр. 2. ISBN 9781420019155.
  25. ^ "1960: Демонстрация транзистора металл-оксид-полупроводник (МОП)". Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров . Получено 31 августа 2019 г.
  26. ^ Kozlowski, LJ; Luo, J.; Kleinhans, WE; Liu, T. (14 сентября 1998 г.). Pain, Bedabrata; Lomheim, Terrence S. (ред.). "Сравнение пассивных и активных пиксельных схем для КМОП-визуализаторов". Infrared Readout Electronics IV . 3360. International Society for Optics and Photonics: 101–110. Bibcode : 1998SPIE.3360..101K. doi : 10.1117/12.584474. S2CID  123351913.
  27. ↑ Ежедневные консульские и торговые отчеты. Министерство торговли и труда, Бюро мануфактур. 1914.
  28. ^ Web, Desk (2022-06-25). "Samsung Electronics выпускает сенсор с 200 миллионами пикселей". BOL News . Получено 2022-06-25 . {{cite news}}: |first=имеет общее название ( помощь )
  29. ^ Джейнесик, Джеймс Р. (2001). Научные приборы с зарядовой связью. SPIE Press. С. 3–4. ISBN 978-0-8194-3698-6.
  30. ^ Бойл, Уильям С.; Смит, Джордж Э. (1970). «Полупроводниковые приборы с зарядовой связью». Bell Syst. Tech. J . 49 (4): 587–593. Bibcode :1970BSTJ...49..587B. doi :10.1002/j.1538-7305.1970.tb01790.x.
  31. ^ Патент США 4,484,210: Твердотельное устройство формирования изображения с уменьшенной задержкой изображения.
  32. ^ Fossum, Eric R. (2007). "Active Pixel Sensors" (PDF) . Semantic Scholar . S2CID  18831792. Архивировано из оригинала (PDF) 9 марта 2019 года . Получено 8 октября 2019 года .
  33. ^ Мацумото, Казуя и др. (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. S2CID  108450116.
  34. ^ "Продажи датчиков изображения CMOS продолжают расти рекордными темпами". IC Insights . 8 мая 2018 г. Получено 6 октября 2019 г.
  35. ^ Benchoff, Brian (17 апреля 2016 г.). «Создание первой цифровой камеры». Hackaday . Получено 30 апреля 2016 г. . Cyclops был первой цифровой камерой
  36. ^ Брэйн, Маршалл; Кармак, Кармен (24 апреля 2000 г.). «Как работают компьютерные мыши». HowStuffWorks . Получено 9 октября 2019 г. .
  37. ^ "Super Sensitive Sensor Sees What You Can't". npr.org . Архивировано из оригинала 24 марта 2018 года . Получено 28 апреля 2018 года .

Внешние ссылки