stringtranslate.com

Датчик изображений

ПЗС - датчик изображения на гибкой плате
1-килобитный чип DRAM компании American Microsystems, Inc. (AMI) (центральный чип со стеклянным окном), используемый в качестве датчика изображения Cromemco Cyclops.

Датчик изображения или имидж-сканер — это датчик , который обнаруживает и передает информацию, используемую для формирования изображения . Он делает это путем преобразования переменного затухания световых волн (по мере того, как они проходят через объекты или отражаются от них) в сигналы — небольшие всплески тока , которые передают информацию. Волны могут быть светом или другим электромагнитным излучением . Датчики изображения используются в электронных устройствах обработки изображений как аналогового , так и цифрового типов, которые включают в себя цифровые камеры , модули камер , телефоны с камерами , устройства оптической мыши , [1] [2] [3] медицинское оборудование для визуализации, оборудование ночного видения , такое как тепловидение. устройства, радары , гидролокаторы и другие. По мере изменения технологий электронные и цифровые изображения имеют тенденцию заменять химические и аналоговые изображения.

Двумя основными типами электронных датчиков изображения являются датчики с зарядовой связью (CCD) и датчики с активными пикселями ( датчик CMOS ). И ПЗС-сенсоры, и КМОП-сенсоры основаны на технологии металл-оксид-полупроводник (МОП), при этом ПЗС-матрицы основаны на МОП-конденсаторах , а КМОП-сенсоры основаны на усилителях МОП-транзисторов (МОП-полевых транзисторов) . Аналоговые датчики невидимого излучения, как правило, включают в себя различные электронные лампы , тогда как цифровые датчики включают плоские детекторы .

ПЗС-сенсоры и CMOS-сенсоры

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

Двумя основными типами цифровых датчиков изображения являются устройства с зарядовой связью (CCD) и датчики с активными пикселями (датчик CMOS), изготовленные с использованием дополнительных технологий MOS (CMOS) или MOS N-типа ( NMOS или Live MOS ). И ПЗС-сенсоры, и КМОП-сенсоры основаны на технологии МОП , [4] при этом МОП-конденсаторы являются строительными блоками ПЗС-матрицы, [5] и усилители МОП-транзисторы являются строительными блоками КМОП-сенсора. [6] [7]

В камерах, интегрированных в небольшие потребительские товары, обычно используются CMOS-датчики, которые обычно дешевле и имеют более низкое энергопотребление в устройствах с батарейным питанием, чем ПЗС-матрицы. [8] ПЗС-сенсоры используются в высококачественных видеокамерах вещательного качества, а КМОП-сенсоры доминируют в фотосъемке и потребительских товарах, где общая стоимость является серьезной проблемой. Оба типа датчиков выполняют одну и ту же задачу: улавливают свет и преобразуют его в электрические сигналы.

Каждая ячейка ПЗС- датчика изображения представляет собой аналоговое устройство. Когда свет падает 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 заряд всех строк пикселей не будет усилен и выведен. [9]

Датчик изображения CMOS имеет усилитель для каждого пикселя по сравнению с несколькими усилителями в CCD. Это приводит к меньшей площади захвата фотонов, чем у ПЗС-матрицы, но эта проблема была решена за счет использования микролинз перед каждым фотодиодом, которые фокусируют свет на фотодиод, который в противном случае попал бы на усилитель и не был бы обнаружен. [9] Некоторые КМОП-датчики изображения 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 к разрядам статического электричества.

Другая конструкция, гибридная архитектура ПЗС/КМОП (продается под названием « sCMOS »), состоит из интегральных схем считывания КМОП (ROIC), которые прикрепляются к подложке изображения ПЗС - технология, которая была разработана для инфракрасных матриц наблюдения 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 достигнуты путем разделения отдельных поликремниевых затворов очень небольшим зазором; хотя гибридные датчики все еще являются продуктом исследований, они потенциально могут использовать преимущества как ПЗС-, так и КМОП-матриц. [13]

Производительность

Существует множество параметров, которые можно использовать для оценки производительности датчика изображения, включая динамический диапазон , соотношение сигнал/шум и чувствительность при слабом освещении. Для датчиков сопоставимых типов соотношение сигнал/шум и динамический диапазон улучшаются по мере увеличения размера . Это связано с тем, что за определенное время интегрирования (экспозиции) больше фотонов попадает в пиксель большей площади.

Контроль времени экспозиции

Время экспозиции датчиков изображения обычно контролируется либо обычным механическим затвором , как в пленочных фотоаппаратах, либо электронным затвором . Электронный затвор может быть «глобальным», и в этом случае накопление фотоэлектронов во всей области датчика изображения начинается и останавливается одновременно, или «прокручивающимся», и в этом случае интервал экспозиции каждого ряда непосредственно предшествует считыванию этого ряда, в процессе, который «прокручивается». по всему кадру изображения (обычно сверху вниз в альбомном формате). Глобальное электронное затворение встречается реже, поскольку для него требуются схемы «хранения» для удержания заряда от конца интервала экспозиции до тех пор, пока не начнется процесс считывания, обычно через несколько миллисекунд. [14]

Цветоделение

Рисунок Байера на датчике
Схема вертикальной фильтрации Фовеона для определения цвета

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

Специальные датчики

Инфракрасный снимок туманности Ориона , сделанный криогенным широкоугольным имидж-сканером ESO HAWK-I [ 19]

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

Хотя в целом в цифровых камерах используется плоский сенсор, в 2014 году компания Sony разработала прототип изогнутого сенсора, чтобы уменьшить/устранить кривизну поля Петцваля , возникающую при использовании плоского сенсора. Использование изогнутого сенсора позволяет использовать более короткий и меньший диаметр объектива с меньшим количеством элементов и компонентов, большей диафрагмой и меньшим падением света по краям фотографии. [21]

История

Ранними аналоговыми датчиками видимого света были трубки видеокамер . Они датируются 1930-ми годами, а несколько типов были разработаны до 1980-х годов. К началу 1990-х годов их заменили современные твердотельные ПЗС-датчики изображения. [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, в том числе устройств с зарядовой связью (ПЗС), а позднее и датчиков с активными пикселями ( КМОП- датчиков). [23] [24]

Датчик с пассивными пикселями (PPS) был предшественником датчика с активными пикселями (APS). [7] PPS состоит из пассивных пикселей, которые считываются без усиления , причем каждый пиксель состоит из фотодиода и МОП- транзистора. [26] Это тип фотодиодной матрицы с пикселями, содержащими pn-переход , встроенный конденсатор и МОП-транзисторы в качестве транзисторов выбора . Фотодиодная матрица была предложена Г. Веклером в 1968 г. [6] Она легла в основу ППС. [7] Эти первые фотодиодные матрицы были сложными и непрактичными, требуя изготовления селекционных транзисторов внутри каждого пикселя, а также встроенных схем мультиплексора . Шум фотодиодных матриц также ограничивал производительность, поскольку емкость шины считывания фотодиодов приводила к увеличению уровня шума . Коррелированная двойная выборка (CDS) также не может использоваться с матрицей фотодиодов без внешней памяти . [6] Однако в 1914 году заместитель генерального консула Карл Р. Луп сообщил государственному департаменту в консульском отчете о системе Televista Арчибальда М. Лоу , что «утверждается, что селен в передающем экране может быть заменен любым диамагнитным материалом . ". [27]

В июне 2022 года компания Samsung Electronics объявила о создании датчика изображения на 200 миллионов пикселей. 200-мегапиксельная камера ISOCELL HP3 имеет размер пикселей 0,56 микрометра. Samsung сообщает, что предыдущие датчики имели пиксели 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]

Устройство с зарядовой связью

Устройство с зарядовой связью (ПЗС) было изобретено Уиллардом С. Бойлом и Джорджем Э. Смитом в Bell Labs в 1969 году. [29] Исследуя технологию МОП, они поняли, что электрический заряд является аналогией магнитного пузыря и что он может храниться на крошечном МОП-конденсаторе . Поскольку изготовить серию МОП-конденсаторов подряд было довольно просто, к ним подавали подходящее напряжение, чтобы можно было поэтапно перемещать заряд 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 срабатывания затвора . Эта проблема была во многом решена с изобретением закрепленного фотодиода (PPD). [7] Его изобрели Нобуказу Тераниши , Хиромицу Шираки и Ясуо Исихара 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 начал использоваться в большинстве 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 и в датчиках CMOS. [7]

Датчик активных пикселей

Датчик активных пикселей NMOS (APS) был изобретен компанией Olympus в Японии в середине 1980-х годов. Это стало возможным благодаря достижениям в производстве полупроводниковых МОП-приборов , когда масштабирование МОП-транзисторов достигло меньших микронных, а затем и субмикронных уровней. [6] [32] Первый NMOS APS был изготовлен командой Цутому Накамуры на Олимпе в 1985 году. [33] КМОП - сенсор с активными пикселями (КМОП-сенсор) позже был усовершенствован группой ученых из Лаборатории реактивного движения НАСА в 1993 году. [7] К 2007 году продажи датчиков CMOS превысили 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 , выпущенная в 1975 году, использовала МОП-датчик изображения 32×32. Это была модифицированная микросхема динамической памяти MOS ( DRAM ) . [35]

МОП-датчики изображения широко используются в технологии оптических мышей . Первая оптическая мышь, изобретенная Ричардом Ф. Лайоном из Xerox в 1980 году, использовала интегральный сенсорный чип NMOS размером 5  мкм . [2] [1] Начиная с первой коммерческой оптической мыши IntelliMouse , представленной в 1999 году, в большинстве оптических мышей используются 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 «точками». Каждая йота может обнаружить одну частицу света, называемую фотоном . [37]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ аб Лион, Ричард Ф. (август 1981 г.). «Оптическая мышь и архитектурная методология интеллектуальных цифровых датчиков» (PDF) . В ХТ Кунг; Роберт Ф. Спроулл; Гай Л. Стил (ред.). Системы СБИС и вычисления . Пресса по информатике. стр. 1–19. дои : 10.1007/978-3-642-68402-9_1. ISBN 978-3-642-68404-3. S2CID  60722329.
  2. ^ аб Лион, Ричард Ф. (2014). «Оптическая мышь: раннее биомиметическое встроенное зрение». Достижения в области встроенного компьютерного зрения . Спрингер. стр. 3–22 (3). ISBN 9783319093871.
  3. ^ Брэйн, Маршалл; Кармак, Кармен (24 апреля 2000 г.). «Как работают компьютерные мыши». Как это работает . Проверено 9 октября 2019 г.
  4. ^ Кресслер, Джон Д. (2017). «Да будет свет: Яркий мир фотоники». Кремниевая Земля: Введение в микроэлектронику и нанотехнологии, второе издание . ЦРК Пресс . п. 29. ISBN 978-1-351-83020-1.
  5. ^ Сзе, Саймон Мин ; Ли, Минг-Квей (май 2012 г.). «МОП-конденсатор и МОП-транзистор». Полупроводниковые приборы: Физика и технология: Международная студенческая версия . Джон Уайли и сыновья . ISBN 9780470537947. Проверено 6 октября 2019 г.
  6. ^ abcd Фоссум, Эрик Р. (12 июля 1993 г.). Блук, Морли М. (ред.). «Активные пиксельные датчики: ПЗС-матрицы — динозавры?». Труды SPIE Vol. 1900: Устройства с зарядовой связью и твердотельные оптические датчики III . Приборы с зарядовой связью и твердотельные оптические датчики III. Международное общество оптики и фотоники. 1900 : 2–14. Бибкод : 1993SPIE.1900....2F. CiteSeerX 10.1.1.408.6558 . дои : 10.1117/12.148585. S2CID  10556755. 
  7. ^ abcdefgh Фоссум, Эрик Р .; Хондонгва, Д.Б. (2014). «Обзор закрепленного фотодиода для датчиков изображения CCD и CMOS». Журнал IEEE Общества электронных устройств . 2 (3): 33–43. дои : 10.1109/JEDS.2014.2306412 .
  8. ^ «CMOS выигрывает битву за датчики камеры, и вот почему» . techhive.com . 2011-12-29. Архивировано из оригинала 1 мая 2017 г. Проверено 27 апреля 2017 г.
  9. ^ ab «Датчики CCD и CMOS». Профессиональная сеть Canon . Архивировано из оригинала 28 апреля 2018 года . Проверено 28 апреля 2018 г.
  10. ^ «Что такое CMOS-датчик с подсветкой?». techradar.com . 02 июля 2012 г. Архивировано из оригинала 6 мая 2017 г. Проверено 27 апреля 2017 г.
  11. ↑ Мойнихан, Том (29 декабря 2011 г.). «CMOS выигрывает битву за датчики камеры, и вот почему». Архивировано из оригинала 25 сентября 2015 года . Проверено 10 апреля 2015 г.
  12. ^ scmos.com. Архивировано 3 июня 2012 г. на Wayback Machine , домашняя страница.
  13. ^ ieee.org - ПЗС-матрица в КМОП. Архивировано 22 июня 2015 г. в Wayback Machine Падмакумар Р. Рао и др., «Структуры ПЗС, реализованные в стандартной КМОП-технологии 0,18 мкм».
  14. ^ Накамура, Дзюнъити (2005). Датчики изображения и обработка сигналов для цифровых фотоаппаратов. ЦРК Пресс. стр. 169–172. ISBN 9781420026856.
  15. ^ Диллон, Питер (декабрь 1976 г.). «Встроенные массивы цветных фильтров для твердотельных тепловизоров». 1976 Международная встреча по электронным устройствам . стр. 400–403. doi :10.1109/IEDM.1976.189067. S2CID  35103154 – через IEEE. {{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )
  16. ^ Парульски, Кеннет (август 1985 г.). «Цветовые фильтры и альтернативы обработки для одночиповых камер». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 32 (8): 1381–1389. Бибкод : 1985ITED...32.1381P. дои : 10.1109/T-ED.1985.22133. S2CID  9008653.
  17. ^ Диллон, Питер (февраль 1978 г.). «Изготовление и характеристики матриц цветных фильтров для твердотельных тепловизоров». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 25 (2): 97–101. Бибкод : 1978ITED...25...97D. дои : 10.1109/T-ED.1978.19045.
  18. ^ Диллон, Питер (февраль 1978 г.). «Система цветного изображения с использованием одной матрицы ПЗС». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 25 (2): 102–107. дои : 10.1109/T-ED.1978.19046.
  19. ^ "Самый глубокий взгляд на Орион" . Архивировано из оригинала 13 июля 2016 года . Проверено 13 июля 2016 г.
  20. ^ Гитто, Симона (2020). Arduino с MATLAB в термографии: От датчика к тепловизионной камере (Arduino and Beyond) . Независимо опубликовано. ISBN 979-8698999171.
  21. ↑ Дент, Стив (8 июля 2014 г.). «Первая фотография Sony с изогнутым сенсором может предвещать лучшее изображение и более дешевые объективы». Архивировано из оригинала 11 июля 2014 года . Проверено 8 июля 2014 г.
  22. ^ Масбургер, Роберт Б.; Огден, Майкл Р. (2014). Производство видео одной камерой. ЦРК Пресс . п. 64. ИСБН 9781136778445.
  23. ^ abc Уильямс, JB (2017). Электронная революция: изобретая будущее. Спрингер. стр. 245–8. ISBN 9783319490885.
  24. ^ аб Охта, июнь (2017). Интеллектуальные CMOS-датчики изображения и их приложения. ЦРК Пресс . п. 2. ISBN 9781420019155.
  25. ^ «1960: Демонстрация металлооксидно-полупроводникового (МОП) транзистора» . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров . Проверено 31 августа 2019 г.
  26. ^ Козловский, ЖЖ; Луо, Дж.; Кляйнханс, МЫ; Лю, Т. (14 сентября 1998 г.). Боль, Бедабрата; Ломхейм, Терренс С. (ред.). «Сравнение схем пассивных и активных пикселей для КМОП-матриц видимого диапазона». Инфракрасная считывающая электроника IV . Международное общество оптики и фотоники. 3360 : 101–110. Бибкод : 1998SPIE.3360..101K. дои : 10.1117/12.584474. S2CID  123351913.
  27. ^ Ежедневные консульские и торговые отчеты. Министерство торговли и труда, Бюро производителей. 1914.
  28. ^ Интернет, стол (25 июня 2022 г.). «Samsung Electronics выпускает сенсор с 200 миллионами пикселей». Новости БОЛ . Проверено 25 июня 2022 г.
  29. ^ Джейнесик, Джеймс Р. (2001). Научные устройства с зарядовой связью. СПАЙ Пресс. стр. 3–4. ISBN 978-0-8194-3698-6.
  30. ^ Бойл, Уильям С; Смит, Джордж Э. (1970). «Полупроводниковые приборы с зарядовой связью». Белл Сист. Тех. Дж . 49 (4): 587–593. Бибкод : 1970BSTJ...49..587B. doi :10.1002/j.1538-7305.1970.tb01790.x.
  31. ^ Патент США 4484210: Твердотельное устройство формирования изображения с уменьшенной задержкой изображения.
  32. ^ Фоссум, Эрик Р. (2007). «Активные пиксельные датчики» (PDF) . Семантический учёный . S2CID  18831792. Архивировано из оригинала (PDF) 9 марта 2019 года . Проверено 8 октября 2019 г.
  33. ^ Мацумото, Казуя; и другие. (1985). «Новый МОП-фототранзистор, работающий в режиме неразрушающего считывания». Японский журнал прикладной физики . 24 (5А): Л323. Бибкод : 1985JaJAP..24L.323M. дои :10.1143/JJAP.24.L323. S2CID  108450116.
  34. ^ «Продажи датчиков изображения CMOS остаются рекордными темпами» . IC-инсайты . 8 мая 2018 г. Проверено 6 октября 2019 г.
  35. ↑ Бенчофф, Брайан (17 апреля 2016 г.). «Создание первой цифровой камеры». Хакадей . Проверено 30 апреля 2016 г. Циклоп был первым цифровым фотоаппаратом
  36. ^ Брэйн, Маршалл; Кармак, Кармен (24 апреля 2000 г.). «Как работают компьютерные мыши». Как это работает . Проверено 9 октября 2019 г.
  37. ^ «Сверхчувствительный датчик видит то, чего вы не можете» . npr.org . Архивировано из оригинала 24 марта 2018 года . Проверено 28 апреля 2018 г.

Внешние ссылки