✖


Jump to content

Датчик активных пикселей

Датчик с активными пикселями ( APS ) — это датчик изображения , который был изобретен Питером Дж. Ноублом в 1968 году, в котором каждая пиксельного ячейка датчика имеет фотодетектор (обычно закрепленный фотодиод ) и один или несколько активных транзисторов . [1] [2] В металл-оксид-полупроводник датчике с активным пикселем МОП-полевые транзисторы используются (МОП) в качестве усилителей (МОП-транзисторы) . Существуют различные типы APS, в том числе ранние NMOS APS и теперь гораздо более распространенные дополнительные MOS (CMOS) APS, также известные как CMOS-сенсоры . CMOS-датчики используются в технологиях цифровых камер, таких как камеры мобильных телефонов , веб-камеры , большинство современных цифровых карманных камер, большинство цифровых однообъективных зеркальных камер (DSLR), беззеркальные камеры со сменными объективами (MILC), [ нужна ссылка ] и безлинзовая визуализация клеток. [3]

Датчики CMOS появились как альтернатива датчикам изображения с зарядовой связью (CCD) и в конечном итоге превзошли их по продажам к середине 2000-х годов. [4]

CMOS- датчик изображения.

Термин «активный пиксельный датчик» также используется для обозначения самого отдельного пиксельного датчика, а не датчика изображения. [5] В этом случае датчик изображения иногда называют имидж-сканером с активным пиксельным датчиком . [6] или датчик изображения с активными пикселями . [7]

История

[ редактировать ]

Фон

[ редактировать ]
Дополнительная информация: Датчик изображения § История.

Исследуя металл-оксид-полупроводник технологию (МОП), Уиллард Бойл и Джордж Э. Смит поняли, что электрический заряд может храниться на крошечном МОП-конденсаторе , который стал основным строительным блоком устройства зарядовой пары (ПЗС), которое они изобрели в 1969 году. [8] [9] Проблема с технологией ПЗС заключалась в необходимости почти идеальной передачи заряда при считывании, что «делает их излучение [допуск?] «мягким», трудным для использования в условиях низкой освещенности, трудным для производства матриц больших размеров, трудным для интеграции. со встроенной электроникой , трудно использовать при низких температурах, трудно использовать при высокой частоте кадров и трудно производить из некремниевых материалов , которые расширяют диапазон длины волны». [1]

В RCA Laboratories исследовательская группа, в которую входили Пол К. Веймер , У.С. Пайк и Г. Садасив, в 1969 году предложила твердотельный датчик изображения со схемами сканирования, использующими тонкопленочные транзисторы (TFT), с фотопроводящей пленкой, используемой в качестве фотодетектора . [10] [11] (NMOS) с низким разрешением «В основном цифровой» N-канальный МОП-транзистор и внутрипиксельным усилением для оптической мыши был продемонстрирован Ричардом Ф. Лайоном в 1981 году. [12] Другой тип технологии датчиков изображения, связанный с APS, — это гибридная инфракрасная матрица в фокальной плоскости (IRFPA). [1] предназначен для работы при криогенных температурах в инфракрасном спектре . Устройства представляют собой два чипа, собранных вместе как сэндвич: один чип содержит детекторные элементы, изготовленные из InGaAs или HgCdTe , а другой чип обычно изготавливается из кремния и используется для считывания показаний фотодетекторов. Точная дата происхождения этих устройств засекречена, но они использовались с середины 1980-х годов. [ нужна ссылка ]

Ключевым элементом современного КМОП-сенсора является закрепленный фотодиод (PPD). [2] Его изобрели Нобуказу Тераниши , Хиромицу Шираки и Ясуо Исихара в NEC в 1980 году. [2] [13] а затем публично сообщили Тераниши и Исихара вместе с А. Кохоно, Э. Одой и К. Араи в 1982 году с добавлением структуры, препятствующей цветению . [2] [14] Штыревой фотодиод представляет собой структуру фотодетектора с малой задержкой , низким уровнем шума , высокой квантовой эффективностью и низким темновым током . [2] Новая структура фотодетектора, изобретенная в NEC, получила название «штыревой фотодиод» (PPD) Б.С. Берки из Kodak в 1984 году. В 1987 году PPD начал включаться в большинство ПЗС-сенсоров, став неотъемлемой частью потребительских электронных видеокамер , а затем цифровые фотоаппараты . С тех пор PPD использовался почти во всех датчиках CCD, а затем и в датчиках CMOS. [2]

Пассивно-пиксельный сенсор

[ редактировать ]

Предшественником APS был пассивно-пиксельный датчик (PPS), разновидность фотодиодной матрицы (PDA). [2] Пассивно-пиксельный датчик состоит из пассивных пикселей, которые считываются без усиления , причем каждый пиксель состоит из фотодиода и MOSFET- переключателя. [15] В матрице фотодиодов пиксели содержат pn-переход , встроенный конденсатор и МОП-транзисторы в качестве транзисторов выбора . Матрица фотодиодов была предложена Г. Веклером в 1968 году, до ПЗС-матрицы. [1] Это послужило основой для ППС. [2] которые имели элементы датчика изображения с транзисторами внутрипиксельной селекции, предложенные Питером Дж. В. Ноблом в 1968 году, [16] [2] [10] и Саввасом Г. Чемберленом в 1969 году. [17]

Датчики с пассивными пикселями исследовались как твердотельная альтернатива устройствам визуализации на электронных лампах . [ нужна ссылка ] Пассивно-пиксельный МОП-сенсор использовал простой переключатель в пикселе для считывания встроенного заряда фотодиода. [18] Пиксели были расположены в двухмерной структуре: провод разрешения доступа был общим для пикселей в одной строке, а выходной провод — для каждого столбца. В конце каждой колонки находился транзистор. Пассивно-пиксельные датчики страдают от многих ограничений, таких как высокий уровень шума , медленное считывание и отсутствие масштабируемости . [ нужна ссылка ] Ранние (1960–1970-е годы) фотодиодные матрицы с селективными транзисторами внутри каждого пикселя, а также схемы встроенного мультиплексора были непрактично большими. Шум . фотодиодных матриц также ограничивал производительность, поскольку емкость шины считывания фотодиодов приводила к увеличению уровня шума считывания Коррелированная двойная выборка (CDS) также не может использоваться с матрицей фотодиодов без внешней памяти . В 1970-х годах было невозможно изготовить датчики с активными пикселями практического размера пикселя из-за ограниченности технологии микролитографии в то время. [1] Поскольку процесс МОП был настолько изменчивым, а характеристики МОП-транзисторов менялись со временем ( V- нестабильность), работа ПЗС-матрицы в зарядовой области была более технологичной и более производительной, чем МОП-датчики с пассивными пикселями. [ нужна ссылка ]

Датчик активных пикселей

[ редактировать ]

Датчик с активными пикселями состоит из активных пикселей, каждый из которых содержит один или несколько MOSFET усилителей , которые преобразуют фотогенерируемый заряд в напряжение, усиливают напряжение сигнала и уменьшают шум. [15] Концепция устройства с активными пикселями была предложена Питером Ноублом в 1968 году. Он создал матрицы датчиков с активными МОП-усилителями считывания на пиксель, по сути, в современной трехтранзисторной конфигурации: скрытая фотодиодная структура, селективный транзистор и МОП-усилитель. [19] [16]

Концепция МОП -активных пикселей была реализована в виде устройства 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 достигло меньших микронных, а затем и субмикронных уровней в период с 1980-х по начало 1990-х годов. [1] [20] Первый МОП-APS был изготовлен командой Цутому Накамуры в компании Olympus в 1985 году. Термин «датчик активных пикселей» (APS) был придуман Накамурой во время работы над датчиком активных пикселей CMD в компании Olympus. [21] Сканер CMD имел вертикальную структуру APS, которая увеличивает коэффициент заполнения (или уменьшает размер пикселя) за счет сохранения заряда сигнала под выходным NMOS- транзистором. другие японские полупроводниковые компании Вскоре в конце 1980-х - начале 1990-х годов последовали этому примеру, представив свои собственные датчики с активными пикселями. Между 1988 и 1991 годами Toshiba разработала датчик « поверхностью с двойным затвором транзистор с плавающей », который имел боковую структуру APS, в которой каждый пиксель содержал МОП-фотозатвор со скрытым каналом и выходной усилитель PMOS . Между 1989 и 1992 годами компания Canon разработала датчик изображения с сохранением на базе (BASIS), в котором использовалась вертикальная структура APS, аналогичная датчику Olympus, но с биполярными транзисторами , а не с МОП-транзисторами. [1]

В начале 1990-х годов американские компании начали разработку практичных МОП-датчиков с активными пикселями. 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 NMOS-транзисторы. [2]

КМОП-сенсор

[ редактировать ]

К концу 1980-х - началу 1990-х годов процесс КМОП был хорошо зарекомендован как хорошо контролируемый стабильный процесс производства полупроводников и был базовым процессом почти для всех логических и микропроцессоров . Произошло возрождение использования пассивно-пиксельных датчиков для недорогих приложений обработки изображений. [22] в то время как датчики с активными пикселями начали использоваться для высокофункциональных приложений с низким разрешением, таких как моделирование сетчатки. [23] и детекторы частиц высоких энергий. Однако ПЗС-матрицы по-прежнему имели гораздо меньший временной шум и шум с фиксированной диаграммой направленности и были доминирующей технологией для потребительских приложений, таких как видеокамеры , а также для вещательных камер , где они вытесняли трубки видеокамер .

В 1993 году первый практический APS, который был успешно изготовлен за пределами Японии, был разработан в НАСА Лаборатории реактивного движения (JPL), которая изготовила APS, совместимый с КМОП. Он имел боковую структуру APS, аналогичную датчику Toshiba, но был изготовлен с использованием КМОП-транзисторов, а не PMOS. [1] Это был первый CMOS-сенсор с внутрипиксельной передачей заряда. [2]

В 1999 году Hyundai Electronics объявила о коммерческом производстве цветного CMOS-датчика изображения с разрешением 800x600 на основе пикселя 4T с высокопроизводительным закрепленным фотодиодом со встроенными АЦП и изготовленного по базовой технологии DRAM 0,5 мкм.

CMOS-сенсоры Photobit нашли свое применение в веб-камерах, производимых Logitech и Intel , до того, как Photobit была приобретена Micron Technology в 2001 году. Ранний рынок CMOS-сенсоров первоначально возглавлялся американскими производителями, такими как Micron и Omnivision, что позволило Соединенным Штатам ненадолго вернуть себе лидирующие позиции. часть общего рынка датчиков изображения из Японии, прежде чем на рынке датчиков CMOS в конечном итоге стали доминировать Япония, Южная Корея и Китай. [24] Датчик CMOS с технологией PPD был дополнительно усовершенствован Р. М. Гуидашем в 1997 году, К. Йонемото и Х. Суми в 2000 году и И. Иноуэ в 2003 году. Это привело к тому, что датчики CMOS достигли производительности изображения на одном уровне с датчиками CCD, а позже превышает датчики CCD. [2]

К 2000 году CMOS-сенсоры использовались в различных приложениях, включая недорогие камеры, камеры для ПК , факсы , мультимедиа , системы безопасности , наблюдения и видеотелефоны . [25]

Видеоиндустрия перешла на CMOS-камеры с появлением видео высокой четкости (HD-видео), поскольку большое количество пикселей потребовало бы значительно более высокого энергопотребления с помощью CCD-сенсоров, что привело бы к перегреву и разрядке батарей. [24] В 2007 году компания Sony выпустила на рынок CMOS-сенсоры с оригинальной схемой аналого-цифрового преобразования с колонкой, обеспечивающей быструю работу с низким уровнем шума, а в 2009 году последовала CMOS- матрица с обратной засветкой (датчик BI), чувствительность которой вдвое выше, чем у обычных датчиков изображения. [26]

CMOS-сенсоры оказали значительное влияние на культуру, что привело к массовому распространению цифровых камер и телефонов с камерой , что способствовало развитию социальных сетей и культуры селфи , а также повлияло на социальные и политические движения по всему миру. [24] К 2007 году продажи КМОП-сенсоров с активными пикселями превысили ПЗС-сенсоры, при этом на долю КМОП-сенсоров в то время приходилось 54% мирового рынка сенсоров изображения. К 2012 году доля КМОП-сенсоров увеличилась до 74% рынка. По состоянию на 2017 год на долю КМОП-сенсоров приходится 89% мировых продаж датчиков изображения. [27] В последние годы, [ когда? ] Технология датчика CMOS распространилась на фотографию среднего формата, причем компания Phase One первой выпустила цифровой задник среднего формата с датчиком CMOS производства Sony.

В 2012 году Sony представила многослойный датчик CMOS BI. [26] В области датчиков изображения проводится несколько исследований. Одним из них является квантовый датчик изображения (QIS), который может стать сдвигом парадигмы в том, как мы собираем изображения в камере. В QIS цель состоит в том, чтобы подсчитать каждый фотон, попадающий на датчик изображения, и обеспечить разрешение от менее 1 миллиона до 1 миллиарда или более специализированных фотоэлементов (называемых джотами) на датчик, а также считывать сотни или тысячи битовых плоскостей джотов. раз в секунду, что приводит к терабитам данных в секунду. Идея QIS находится в зачаточном состоянии и, возможно, никогда не станет реальностью из-за ненужной сложности, необходимой для захвата изображения. [28]

Бойд Фаулер из OmniVision известен своей работой в области разработки КМОП-датчиков изображения. Его вклад включает в себя создание первого цифропиксельного датчика изображения CMOS в 1994 году; первый научный линейный КМОП-датчик изображения с одноэлектронным среднеквадратичным шумом считывания в 2003 году; первый многомегапиксельный CMOS-датчик изображения для научной области с одновременным высоким динамическим диапазоном (86 дБ), быстрым считыванием (100 кадров в секунду) и сверхнизким шумом считывания (1,2e-RMS) (sCMOS) в 2010 году. Он также запатентовал первый CMOS-датчик изображения для внутриротовой дентальной рентгенографии со срезанными углами для большего комфорта пациента. [29] [30]

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

HV-КМОП

[ редактировать ]

Устройства HV-CMOS представляют собой особый случай обычных КМОП-датчиков, используемых в высоковольтных приложениях (для обнаружения частиц высокой энергии ЦЕРН ), таких как Большой адронный коллайдер , где необходимо высокое напряжение пробоя до ~ 30-120 В. [31] Однако такие устройства не используются для коммутации высокого напряжения. [31] HV-CMOS обычно реализуются в виде обедненной n-легированной зоны (n-ямы) транзистора глубиной ~ 10 мкм на подложке пластины p-типа . [31]

Сравнение с ПЗС-матрицами

[ редактировать ]

Пиксели APS решают проблемы скорости и масштабируемости пассивно-пиксельного датчика. Они обычно потребляют меньше энергии, чем ПЗС-матрицы, имеют меньшую задержку изображения и требуют менее специализированных производственных мощностей. В отличие от ПЗС-матриц, датчики APS могут совмещать функцию датчика изображения и функции обработки изображения в одной интегральной схеме . Датчики APS нашли применение во многих потребительских приложениях, особенно в телефонах с камерами . Они также использовались в других областях, включая цифровую рентгенографию , сверхскоростную военную съемку изображений, камеры видеонаблюдения и оптические мыши . Производители включают Aptina Imaging (независимое подразделение Micron Technology , которая приобрела Photobit в 2001 году), Canon , Samsung , STMicroelectronics , Toshiba , OmniVision Technologies , Sony и Foveon и другие. Датчики APS КМОП-типа обычно подходят для приложений, в которых важны корпусирование, управление питанием и встроенная обработка. Датчики типа CMOS широко используются: от высококачественной цифровой фотографии до камер мобильных телефонов. [ нужна ссылка ]

Преимущества КМОП по сравнению с ПЗС

[ редактировать ]
Цветение на ПЗС-изображении

Основное преимущество датчика CMOS заключается в том, что его производство обычно дешевле, чем датчик CCD, поскольку элементы захвата изображения и элементы восприятия изображения могут быть объединены в одну и ту же микросхему, что требует более простой конструкции. [32]

Датчик CMOS также обычно лучше контролирует размытие (то есть утечку фотозаряда из переэкспонированного пикселя в другие близлежащие пиксели).

В системах камер с тремя датчиками , в которых используются отдельные датчики для разрешения красного, зеленого и синего компонентов изображения в сочетании с светоделительными призмами, три датчика CMOS могут быть идентичными, тогда как для большинства разделительных призм требуется, чтобы один из датчиков CCD имел быть [ сомнительно – обсудить ] зеркальное изображение двух других, чтобы прочитать изображение в совместимом порядке. В отличие от датчиков CCD, датчики CMOS имеют возможность обратной адресации сенсорных элементов. Существуют CMOS-сенсоры со светочувствительностью пленки 4 миллиона ISO. [33]

Недостатки КМОП по сравнению с ПЗС

[ редактировать ]
Искажение, вызванное рольставнями. Два лезвия должны образовывать одну и ту же прямую линию, чего нельзя сказать о ближнем лезвии. Преувеличенный эффект обусловлен тем, что оптическое положение ближнего лезвия становится ниже в кадре одновременно с прогрессивным считыванием кадров.

Поскольку CMOS-датчик обычно захватывает строку за раз примерно за 1/60 или 1/50 секунды (в зависимости от частоты обновления), это может привести к эффекту « скользящего затвора », когда изображение искажается (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 наклоненным. Датчик CCD с передачей кадров или датчик CMOS с «глобальным затвором» не имеют этой проблемы; вместо этого он захватывает все изображение сразу в хранилище кадров.

Давним преимуществом датчиков CCD является их способность захватывать изображения с меньшим шумом . [34] С развитием технологии КМОП это преимущество исчезло с 2020 года, когда стали доступны современные КМОП-сенсоры, способные превосходить ПЗС-сенсоры. [35]

Активная схема в КМОП-пикселях занимает некоторую область на поверхности, которая не является светочувствительной, снижая эффективность обнаружения фотонов устройством ( микролинзы и датчики с обратной засветкой могут смягчить эту проблему). Но ПЗС-матрица с передачей кадров также имеет примерно вдвое меньшую нечувствительную область для узлов хранения кадров, поэтому относительные преимущества зависят от того, какие типы датчиков сравниваются. [ нужна ссылка ]

Архитектура

[ редактировать ]

Пиксель

[ редактировать ]
Трехтранзисторный датчик с активными пикселями.

Стандартный пиксель CMOS APS состоит из фотоприемника ( штыревого фотодиода ), [2] плавающая , диффузия и так называемая ячейка 4T, состоящая из четырех , включая передающий затвор КМОП (дополнительных металл-оксид-полупроводниковых) транзисторов затвор сброса , затвор выбора и транзистор считывания исток-повторитель. [36] Штыревой фотодиод первоначально использовался в ПЗС-матрицах с межстрочным переносом из-за его низкого темнового тока и хорошего отклика синего цвета, а в сочетании с передаточным затвором он обеспечивает полный перенос заряда от закрепленного фотодиода к плавающей диффузии (которая дополнительно соединена с затвором переноса). считывающий транзистор), устраняющий задержку. Использование внутрипиксельного переноса заряда может снизить уровень шума за счет использования коррелированной двойной выборки (CDS). Пиксель Noble 3T до сих пор иногда используется, поскольку требования к изготовлению менее сложны. Пиксель 3Т содержит те же элементы, что и пиксель 4Т, за исключением передаточного затвора и фотодиода. Транзистор сброса M rst действует как переключатель для сброса плавающей диффузии в состояние V RST , которое в данном случае представлено как затвор M SF- транзистора. Когда транзистор сброса включен, фотодиод фактически подключается к источнику питания V RST , сбрасывая весь встроенный заряд. Поскольку транзистор сброса имеет n-тип , пиксель работает в режиме мягкого сброса. Считывающий транзистор, М 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 . Выбранный транзистор M sel позволяет считывающей электронике считывать одну строку массива пикселей. Существуют и другие инновации в области пикселей, такие как пиксели 5T ​​и 6T. такие функции, как глобальный затвор, в отличие от более распространенного роллетного затвора Путем добавления дополнительных транзисторов возможны . Чтобы увеличить плотность пикселей, можно использовать совместное считывание с общими строками, четырех- и восьмиканальное считывание и другие архитектуры. Вариантом активного пикселя 3T является сенсор Foveon X3, изобретенный Диком Мерриллом . В этом устройстве три фотодиода наложены друг на друга с использованием планарной технологии изготовления , причем каждый фотодиод имеет собственную схему 3Т. Каждый последующий слой действует как фильтр для слоя ниже него, сдвигая спектр поглощаемого света в последующих слоях. Путем деконволюции отклика каждого многоуровневого детектора можно восстановить красный, зеленый и синий сигналы. [ нужна ссылка ]

Множество

[ редактировать ]

Типичный двумерный массив пикселей организован в строки и столбцы. Пиксели в данной строке имеют общие линии сброса, так что за раз сбрасывается вся строка. Строки выбора строки каждого пикселя в строке также связаны друг с другом. Выходные данные каждого пикселя в любом столбце связаны друг с другом. Поскольку в данный момент времени выбирается только одна строка, конкуренции за выходную строку не происходит. Дальнейшая схема усилителя обычно строится на основе колонки. [ нужна ссылка ]

Размер

[ редактировать ]

Размер пиксельного датчика часто указывается в высоте и ширине, а также в оптическом формате . [ нужна ссылка ]

Боковые и вертикальные конструкции

[ редактировать ]

Существует два типа структур датчиков с активными пикселями (APS): боковая APS и вертикальная APS. [1] Эрик Фоссум определяет латеральный APS следующим образом:

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

Фоссум определяет вертикальную APS следующим образом:

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

Тонкопленочные транзисторы

[ редактировать ]
Двухтранзисторный датчик с активным/пассивным пикселем.

больших площадей Для таких приложений, как цифровая рентгеновская визуализация тонкопленочные транзисторы , в архитектуре APS также можно использовать (TFT). Однако из-за большего размера и более низкого коэффициента усиления крутизны TFT по сравнению с КМОП-транзисторами необходимо иметь меньшее количество однопиксельных TFT, чтобы поддерживать разрешение и качество изображения на приемлемом уровне. Было показано, что двухтранзисторная архитектура APS/PPS перспективна для APS с использованием TFT из аморфного кремния . В двухтранзисторной архитектуре APS справа T AMP используется в качестве переключаемого усилителя, интегрирующего функции M sf и M sel в трехтранзисторном APS. Это приводит к уменьшению количества транзисторов на пиксель, а также к увеличению крутизны пикселей. [37] Здесь C pix — это емкость хранения пикселей, и она также используется для емкостной связи адресного импульса «Чтение» с затвором T AMP для переключения ВКЛ-ВЫКЛ. Такие схемы считывания пикселей лучше всего работают с фотопроводниковыми детекторами с низкой емкостью, такими как аморфный селен .

Варианты дизайна

[ редактировать ]

Было предложено и изготовлено множество различных пиксельных дизайнов. Стандартный пиксель использует наименьшее количество проводов и наименьшее количество плотно упакованных транзисторов, возможное для активного пикселя. Важно, чтобы активная схема в пикселе занимала как можно меньше места, чтобы освободить больше места для фотодетектора. Большое количество транзисторов ухудшает коэффициент заполнения, то есть процент области пикселя, чувствительной к свету. Размер пикселя можно обменять на желаемые качества, такие как снижение 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 сбрасывается полностью. Отклонение шума напряжения в пикселе с программным сбросом (регулируемым напряжением на затворе) равно , но задержка изображения и фиксированный структурный шум могут быть проблематичными. В среднеквадратичных электронах шум .

Аппаратный сброс Пиксель при аппаратном сбросе приводит к появлению шума Джонсона-Найквиста на фотодиоде. или , но предотвращает задержку 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; это также исключает возможность использования транзистора сброса в качестве стока, предотвращающего переполнение, что является широко используемым преимуществом полевого транзистора сброса n-типа. Другой способ добиться аппаратного сброса с помощью полевого транзистора n-типа — снизить напряжение V RST относительно напряжения включения RST. Это уменьшение может уменьшить запас или полную зарядную емкость, но не влияет на коэффициент заполнения, если только V DD не будет затем проложен по отдельному проводу с исходным напряжением. [ нужна ссылка ]

Комбинации аппаратного и мягкого сброса

[ редактировать ]

Такие методы, как сброс со сбросом данных, псевдомгновенный сброс и аппаратный сброс, сочетают в себе мягкий и аппаратный сброс. Детали этих методов различаются, но основная идея одна и та же. Сначала делается полный сброс, устраняющий задержку изображения. Затем выполняется программный сброс, вызывающий сброс с низким уровнем шума без добавления каких-либо задержек. [38] Псевдо-мгновенный сброс требует разделения V RST и V DD , в то время как два других метода добавляют более сложную схему столбцов. В частности, псевдо-вспышка и аппаратный сброс добавляют транзисторы между источниками питания пикселей и реальным V DD . В результате снижается запас по высоте без влияния на коэффициент заполнения. [ нужна ссылка ]

Активный сброс

[ редактировать ]

Более радикальный дизайн пикселей — это пиксель с активным сбросом. Активный сброс может привести к значительному снижению уровня шума. Компромиссом является сложная схема сброса, а также либо гораздо больший пиксель, либо дополнительная схема на уровне столбца. [ нужна ссылка ]

См. также

[ редактировать ]

Ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к 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. 1900 год . Международное общество оптики и фотоники: 2–14. Бибкод : 1993SPIE.1900....2F . CiteSeerX   10.1.1.408.6558 . дои : 10.1117/12.148585 . S2CID   10556755 .
  2. ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м 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 .
  3. ^ Фанг, Юань; Ю, Нинмей; Ван, Ранлун; Су, Донг (28 марта 2017 г.). «Встроенный прибор для классификации лейкоцитов, основанный на методе теневой визуализации без линз» . ПЛОС ОДИН . 12 (3): e0174580. Бибкод : 2017PLoSO..1274580F . дои : 10.1371/journal.pone.0174580 . ПМК   5370127 . ПМИД   28350891 .
  4. ^ Фоссум, Эрик Р. (1993). «Активные пиксельные датчики против устройств с зарядовой связью» (PDF) . Секция систем визуализации, Лаборатория реактивного населения, Калифорнийский технологический институт .
  5. ^ US 5631704 , Дикинсон, Александр Г.; Эйд, Эль-Сайед И. и Инглис, Дэвид А., «Активный пиксельный датчик и система формирования изображения с дифференциальным режимом», опубликовано 20 мая 1997 г., передано Lucent Technologies Inc.  
  6. ^ Циммерманн, Хорст (2000). Интегрированная кремниевая оптоэлектроника . Спрингер. ISBN  978-3-540-66662-2 . [ нужна страница ]
  7. ^ США 6133563 , Кларк, Лоуренс Т.; Бейли, Марк А. и Хоффман, Эрик Дж., «Сенсорная ячейка, имеющая схему мягкого насыщения», опубликовано 17 октября 2000 г., передано корпорации Intel.  
  8. ^ Уильямс, Дж. Б. (2017). Электронная революция: изобретая будущее . Спрингер. п. 245. ИСБН  978-3-319-49088-5 .
  9. ^ Сзе, Саймон Мин ; Ли, Минг-Квей (май 2012 г.). «МОП-конденсатор и МОП-транзистор» . Полупроводниковые приборы: физика и технология . Джон Уайли и сыновья . ISBN  978-0-470-53794-7 . Проверено 6 октября 2019 г.
  10. ^ Jump up to: а б Охта, июнь (2017). Интеллектуальные CMOS-датчики изображения и их применение . ЦРК Пресс . п. 2. ISBN  9781420019155 .
  11. ^ Пол К. Веймер ; У.С. Пайк; Г. Садасив; Ф. В. Шоллкросс; Л. Мерай-Хорват (март 1969 г.). «Многоэлементные самосканирующиеся мозаичные датчики». IEEE-спектр . 6 (3): 52–65. Бибкод : 1969ITED...16..240W . дои : 10.1109/MSPEC.1969.5214004 . S2CID   51669416 .
  12. ^ Лион, Ричард Ф. (август 1981 г.). «Оптическая мышь и архитектурная методология интеллектуальных цифровых датчиков» (PDF) . В ХТ Кунг; Р. Спроролл; Дж. Стил (ред.). Конференция CMU по структурам и вычислениям СБИС . Питтсбург: Computer Science Press. стр. 1–19. дои : 10.1007/978-3-642-68402-9_1 . ISBN  978-3-642-68404-3 . S2CID   60722329 .
  13. ^ Патент США 4484210: Твердотельное устройство формирования изображения с уменьшенной задержкой изображения.
  14. ^ Тераниши, Н. ; Кохоно, А.; Исихара, Ю.; Ода, Э.; Арай, К. (1982). «Нет структуры фотодиода с задержкой изображения в межстрочном ПЗС-датчике изображения». 1982 Международная встреча по электронным устройствам . стр. 324–327. дои : 10.1109/IEDM.1982.190285 . OCLC   5872168293 . S2CID   44669969 .
  15. ^ Jump up to: а б Козловский, LJ; 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 . 3360 : 101–110. Бибкод : 1998SPIE.3360..101K . дои : 10.1117/12.584474 . S2CID   123351913 .
  16. ^ Jump up to: а б Питер Дж. В. Ноубл (апрель 1968 г.). «Самосканирующиеся кремниевые детекторные матрицы». Транзакции IEEE на электронных устройствах . ЭД-15(4). ИИЭР: 202–209. Бибкод : 1968ITED...15..202N . дои : 10.1109/T-ED.1968.16167 . (Позже в 2015 году Международное общество датчиков изображения вручило Ноубл награду за «Выдающийся вклад в первые годы разработки датчиков изображения».)
  17. ^ Саввас Г. Чемберлен (декабрь 1969 г.). «Светочувствительность и сканирование кремниевых матриц детекторов изображений». Журнал IEEE твердотельных схем . СК-4 (6): 333–342. Бибкод : 1969IJSSC...4..333C . дои : 10.1109/JSSC.1969.1050032 .
  18. ^ Р. Дайк; Г. Веклер (1968). «Интегрированные матрицы кремниевых фотодетекторов для распознавания изображений». IEEE Транс. Электронные устройства . ЭД-15 (4): 196–201. Бибкод : 1968ITED...15..196D . дои : 10.1109/T-ED.1968.16166 .
  19. ^ Фоссум, Эрик Р. (18 декабря 2013 г.). «Камера-на-чипе: перенос технологий с Сатурна на ваш мобильный телефон». Технологии и инновации . 15 (3): 197–209. дои : 10.3727/194982413X13790020921744 .
  20. ^ Фоссум, Эрик Р. (2007). «Активные пиксельные датчики» (PDF) . S2CID   18831792 .
  21. ^ Мацумото, Казуя; и др. (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 .
  22. ^ Реншоу, Д.; Денайер, ПБ; Ван, Г.; Лу, М. (1990). «Датчики изображения ASIC». Международный симпозиум IEEE по схемам и системам . стр. 3038–3041. дои : 10.1109/ISCAS.1990.112652 . OCLC   5872149939 . S2CID   57512087 .
  23. ^ Маховальд, Миша А.; Мид, Карвер (май 1991 г.). «Силиконовая сетчатка». Научный американец . 264 (5): 76–82. Бибкод : 1991SciAm.264e..76M . doi : 10.1038/scientificamerican0591-76 . ПМИД   2052936 .
  24. ^ Jump up to: а б с «CMOS-сенсоры позволяют камерам телефонов снимать HD-видео» . Спинофф НАСА . НАСА . Проверено 6 ноября 2019 г.
  25. ^ Вендрик, Гарри (2000). Глубоко-субмикронные КМОП-ИС: от основ к ASIC (PDF) (2-е изд.). Академическое издательство Kluwer . п. 215. ИСБН  978-90-440-0111-2 . Архивировано из оригинала (PDF) 6 декабря 2020 г. Проверено 19 ноября 2019 г.
  26. ^ Jump up to: а б «Технологии визуализации и зондирования» . Группа полупроводниковых решений Sony . Сони . Архивировано из оригинала 18 мая 2020 года . Проверено 13 ноября 2019 г. .
  27. ^ «Продажи CMOS-матриц остаются рекордными» . IC-инсайты . 8 мая 2018 г. Проверено 6 октября 2019 г.
  28. ^ «Усовершенствованные датчики изображения и системы камер | Инженерная школа Тайера в Дартмуте» . Engineering.dartmouth.edu . Архивировано из оригинала 6 июня 2019 года.
  29. ^ США 7655918 , Лю, Синьцяо и Фаулер, Бойд, «КМОП-датчики изображения, адаптированные для применения в стоматологии», опубликовано 2 февраля 2010 г., передано Fairchild Imaging Inc.  
  30. ^ «Sensors Expo 2019: Кто есть кто в области сенсорных технологий» . Жестокая электроника . 18 июня 2019 года . Проверено 25 июня 2020 г.
  31. ^ Jump up to: а б с Мюнстерманн, Даниэль (2014). Обзор устройств HV-CMOS (PDF) . 23-й международный семинар по вершинным детекторам – через CERN Indico.
  32. ^ Стефано, Мероли. «CMOS против CCD-сенсора. Кто явный победитель?» . meroli.web.cern.ch . Проверено 28 марта 2020 г.
  33. ^ «Canon: Технология | Датчик CMOS» . www.canon.com .
  34. ^ Группа, Techbriefs Media (июль 2014 г.). «ПЗС и КМОП-сенсоры» . www.techbriefs.com . Проверено 28 марта 2020 г.
  35. ^ «Разница между распознаванием изображения CCD и CMOS» . www.testandmeasurementtips.com . Проверено 28 марта 2020 г.
  36. ^ Че-и Линь; Чэн-Сяо Лай; Я-Чин Кинг (2004). «Четырехтранзисторный CMOS-сенсор с активными пикселями и широким динамическим диапазоном». Материалы Азиатско-Тихоокеанской конференции IEEE по передовым системным интегральным схемам 2004 г. стр. 124–127. дои : 10.1109/APASIC.2004.1349425 . ISBN  978-0-7803-8637-2 . S2CID   13906445 .
  37. ^ Тагибахш, Фархад; Карим, Карим С. (2007). «Двухтранзисторный датчик с активными пикселями для цифровой рентгеновской визуализации больших площадей с высоким разрешением». 2007 Международная конференция IEEE по электронным устройствам . стр. 1011–1014. дои : 10.1109/IEDM.2007.4419126 . ISBN  978-1-4244-1507-6 . S2CID   28540663 .
  38. ^ ТРАНЗАКЦИИ IEEE НА ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВАХ, VOL. 50, НЕТ. 1 ЯНВАРЯ 2003 ГОДА [ название отсутствует ] [ нужна страница ]

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
  • Джон Л. Вампола (январь 1993 г.). «Считывающая электроника инфракрасных датчиков». Дэвид Л. Шумейкер (ред.). Справочник по инфракрасным и электрооптическим системам, том 3 – Электрооптические компоненты . Международное общество оптической инженерии. ISBN  978-0-8194-1072-6 . ДТИК ADA364023 . — одна из первых книг по проектированию матрицы КМОП-матриц.
  • 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 . 2226 (Инфракрасная считывающая электроника II). Международное общество оптической инженерии: 108–119. Бибкод : 1994SPIE.2226..108H . дои : 10.1117/12.178474 . S2CID   109585056 .
  • Марк Д. Нельсон; Джеррис Ф. Джонсон; Терренс С. Ломхейм (ноябрь 1991 г.). «Общие шумовые процессы в гибридных инфракрасных матрицах в фокальной плоскости». Оптическая инженерия . 30 (11). Международное общество оптической инженерии: 1682–1700. Бибкод : 1991OptEn..30.1682N . дои : 10.1117/12.55996 .
  • Стефано Мероли; Леонелло Серволи; Даниэле Пассери (июнь 2011 г.). «Использование стандартного КМОП-сканера в качестве детектора положения заряженных частиц». Ядерная физика Б: Приложения к сборнику трудов . 215 (1). Эльзевир: 228–231. Бибкод : 2011НуФС.215..228С . doi : 10.1016/j.nuclphysbps.2011.04.016 .
  • Мартин Васи (сентябрь 2009 г.). «Тестирование датчика изображения CMOS: комплексный подход» . Йова Решения . Сан-Франциско, Калифорния.
[ редактировать ]
Викискладе есть медиафайлы, связанные с CMOS-сенсорами .
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Active-pixel_sensor&oldid=1233065562#Passive-pixel_sensor"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 59897b89ec91cb9990536b6188d60345__1720309080
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/59/45/59897b89ec91cb9990536b6188d60345.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Active-pixel sensor - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)