Датчик с активным пикселем

Датчик с активным пикселем(APS) - это датчик изображения, где каждая элементарная ячейка датчика пиксель имеет фотодетектор (обычно закрепленный фотодиод ) и один или несколько активных транзисторов. В датчике с активным пикселем металл-оксид-полупроводник (MOS), полевые МОП-транзисторы (MOSFET) используются в качестве усилителей. Существуют различные типы APS, включая ранний NMOS APS и гораздо более распространенный дополнительный MOS (CMOS) APS, также известный как CMOS-датчик, который широко используется в технологиях цифровых камер, таких как камеры для мобильных телефонов, веб-камеры, большинство современных цифровых карманных фотоаппаратов, большинство цифровых однообъективных зеркальных фотоаппаратов (зеркалки) и беззеркальные камеры со сменным объективом (MILC). КМОП-сенсоры появились как альтернатива датчикам изображения с зарядовой связью (ПЗС) и в конечном итоге превзошли их по продажам к середине 2000-х годов.

CMOS датчик изображения.

Термин «активный пиксельный датчик» также используется для обозначения самого отдельного пиксельного датчика, в отличие от датчика изображения. В этом случае датчик изображения иногда называют формирователем изображения с активным пиксельным датчиком или датчиком изображения с активным пикселем.

Содержание

• 1 История
  • 1.1 Фон
  • 1.2 Пассивный пиксельный датчик
  • 1.3 Активный -пиксельный сенсор
  • 1.4 CMOS-сенсор
• 2 Сравнение с CCD
  • 2.1 Преимущества CMOS по сравнению с CCD
  • 2.2 Недостатки CMOS по сравнению с CCD
• 3 Архитектура
  • 3.1 Пиксель
  • 3.2 Массив
  • 3.3 Размер
  • 3.4 Боковые и вертикальные структуры
  • 3.5 Тонкопленочные транзисторы
• 4 Варианты конструкции
  • 4.1 Аппаратный сброс
  • 4.2 Комбинации аппаратного и программного сброса
  • 4.3 Активный сброс
• 5 См. Также
• 6 Ссылки
• 7 Дополнительная литература
• 8 Внешние ссылки

История

Предпосылки

При исследовании металл – оксид – полупроводник (MOS), Уиллард Бойл и Джордж Э. Смит поняли, что электрический заряд может храниться на крошечном МОП-конденсаторе, который стал основной строительный блок устройства с зарядовой парой (CCD), который они были изобретены в 1969 году. Проблема с технологией ПЗС заключалась в том, что она требовала почти идеального переноса заряда, что, по словам Эрика Фоссума, «делает их излучение« мягким », трудным для использования в условиях низкой освещенности. , трудно производить в больших размерах массива, трудно интегрировать с на кристалле электроника, трудно использовать при низких температурах, трудно использовать при высокой частоте кадров и трудны для производства из материалов, отличных от кремния, которые расширяют диапазон длин волн ».

В RCA Laboratories исследовательская группа, в которую входят Пол К. Веймер, WS Пайк и Г. Садасив в 1969 г. предложили твердотельный датчик изображения со схемами сканирования с использованием тонкопленочных транзисторов (TFT) с фотопроводящей пленкой. используется для фотодетектора. N-канальный MOSFET (NMOS) формирователь изображения низкого разрешения с внутрипиксельным усилением для приложения оптической мыши был продемонстрирован Ричардом Ф. Лайоном в 1981 году. Другой тип технологии датчиков изображения, связанный с APS, - это гибридная матрица инфракрасной фокальной плоскости (IRFPA), разработанная для работы при криогенных температурах в инфракрасном спектре. Устройства представляют собой две микросхемы, которые собраны вместе как сэндвич: одна микросхема содержит элементы детектора, изготовленные из InGaAs или HgCdTe, а другая микросхема обычно изготовлена ​​из кремния и используется для считывания фотоприемники. Точная дата происхождения этих устройств засекречена, но они использовались к середине 1980-х.

Ключевым элементом современного CMOS-датчика является закрепленный фотодиод (PPD). Он был изобретен Нобуказу Тераниши, Хиромицу Сираки и Ясуо Исихара в NEC в 1980 году, а затем публично сообщен Тераниши и Исихара с А. Кохоно, Э. Ода и К. Араи в 1982 г., с добавлением структуры против цветения. Закрепленный фотодиод представляет собой структуру фотодетектора с низким лагом, низким шумом, высокой квантовой эффективностью и низким темновым током <218.>. Новая структура фотодетектора, изобретенная в NEC, получила название «прикрепленный фотодиод» (PPD) от B.C. Burkey в Kodak в 1984 году. В 1987 году PPD начали встраиваться в большинство ПЗС-сенсоров, став неотъемлемой частью бытовой электроники видеокамер, а затем цифровые фотоаппараты. С тех пор PPD использовался почти во всех датчиках CCD, а затем в датчиках CMOS.

Датчик с пассивными пикселями

Предшественником APS был датчик с пассивными пикселями (PPS), тип фотодиодной матрицы (КПК). Пассивный пиксельный датчик состоит из пассивных пикселей, которые считываются без усиления , причем каждый пиксель состоит из фотодиода и переключателя MOSFET. В матрице фотодиодов пиксели содержат p-n переход, интегрированный конденсатор и полевые МОП-транзисторы в качестве выбираемых транзисторов. Матрица фотодиодов была предложена Г. Веклером в 1968 г., предшествовавшей ПЗС-матрице. Это было основой для PPS, который имел элементы датчика изображения с транзисторами выбора пикселей, предложенный Питером Дж. У. Ноубл в 1968 г. и Саввас Г. Чемберлен в 1969 г.

Пассивные пиксельные сенсоры исследовались как твердотельные альтернативы устройствам формирования изображений на электронных лампах. Пассивный пиксельный датчик MOS использовал простой переключатель в пикселе для считывания встроенного заряда фотодиода. Пиксели были сгруппированы в двумерную структуру с проводом разрешения доступа, общим для пикселей в одной строке, и выходным проводом, общим для столбцов. В конце каждого столбца был транзистор. Датчики с пассивными пикселями страдали от многих ограничений, таких как высокий шум, медленное считывание и отсутствие масштабируемости. Ранние фотодиодные матрицы были сложными и непрактичными, поэтому для каждого пикселя требовалось изготовление селективных транзисторов вместе со схемами на кристалле мультиплексора. Шум матриц фотодиодов также был ограничением для производительности, поскольку емкость шины считывания фотодиода приводила к увеличению уровня шума. Коррелированная двойная выборка (CDS) также не может использоваться с матрицей фотодиодов без внешней памяти . В 1970-е годы было невозможно изготовить активные пиксельные датчики с практическим размером пикселя из-за ограниченной технологии микролитографии в то время. Поскольку процесс МОП был очень изменчивым, а характеристики МОП-транзисторов менялись со временем (Vth нестабильность), работа ПЗС-матрицы в области заряда была более технологичной, чем пассивные пиксельные МОП-датчики.

Активный- датчик пикселей

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

Концепция активных пикселей MOS была реализована в качестве 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 достигало меньших микронных, а затем субмикронных уровней в течение 1980-х - начала 1990-х годов. Первый MOS APS был изготовлен командой Цутому Накамуры в Olympus в 1985 году. Термин активный пиксельный сенсор (APS) был придуман Накамурой во время работы над сенсором CMD с активными пикселями в Olympus. Устройство формирования изображения CMD имело вертикальную структуру APS, которая увеличивает коэффициент заполнения (или уменьшает размер пикселя) за счет хранения сигнального заряда под выходным транзистором NMOS. Другие японские полупроводниковые компании вскоре последовали этому примеру, выпустив свои собственные активные пиксельные сенсоры в конце 1980-х - начале 1990-х годов. Между 1988 и 1991 годами Toshiba разработала датчик «с двойным затвором плавающим поверхностным транзистором», который имел боковую структуру APS, причем каждый пиксель содержал скрытый фотозатвор МОП канала и выходной усилитель PMOS. В период с 1989 по 1992 год Canon разработал датчик изображения с базовым хранением (BASIS), в котором использовалась вертикальная структура APS, аналогичная датчику Olympus, но с биполярными транзисторами, а не MOSFET.

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

CMOS-сенсор

К концу 1980-х - началу 1990-х годов процесс CMOS был хорошо зарекомендовал себя как хорошо контролируемый стабильный процесс производства полупроводников. и был базовым процессом почти для всех логических и микропроцессоров. Возродилось использование сенсоров с пассивными пикселями для низкоуровневых приложений визуализации, а сенсоры с активными пикселями начали использоваться для высокофункциональных приложений с низким разрешением, таких как моделирование сетчатки глаза и детекторы частиц высокой энергии. Однако ПЗС-матрицы по-прежнему имели гораздо более низкий временной шум и шум с фиксированной диаграммой направленности и были доминирующей технологией для потребительских приложений, таких как видеокамеры, а также для вещательных камер, где они вытесняли трубки для видеокамер.

В 1993 году в Лаборатории реактивного движения (JPL) НАСА был разработан первый практический APS, который был успешно изготовлен за пределами Японии. CMOS-совместимый APS, разработкой которого руководил Эрик Фоссум. Он имел боковую структуру APS, аналогичную сенсору Toshiba, но изготовлен с использованием КМОП, а не транзисторов PMOS. Это был первый CMOS-датчик с внутрипиксельной передачей заряда.

Fossum, который работал в JPL, руководил разработкой датчика изображения, который использовал внутрипиксельную передачу заряда вместе с внутренним -пиксельный усилитель для достижения истинной коррелированной двойной дискретизации (CDS) и работы с низким временным шумом, а также встроенные схемы для уменьшения шума с фиксированной структурой. Он также опубликовал в 1993 году обширную статью, в которой предсказал появление формирователей изображения APS в качестве коммерческого преемника CCD. Активный пиксельный сенсор (APS) был широко определен Fossum в этой статье. Он классифицировал два типа структур APS: боковой и вертикальный. Он также сделал обзор истории технологии APS, от первых сенсоров APS в Японии до разработки сенсора CMOS в JPL.

В 1994 году Fossum предложил усовершенствование сенсора CMOS: интеграцию закрепленный фотодиод (PPD). Датчик CMOS с технологией PPD был впервые изготовлен в 1995 году совместной командой JPL и Kodak, в которую входили Fossum вместе с П. П. К. Ли, Р. К. Джи, Р. М. Гуидаш и Т. Х. Ли. Между 1993 и 1995 годами Лаборатория реактивного движения разработала ряд прототипов устройств, которые подтвердили ключевые особенности технологии. Несмотря на примитивность, эти устройства продемонстрировали хорошее качество изображения, высокую скорость считывания и низкое энергопотребление.

В 1995 году, разочаровавшись медленными темпами внедрения технологии, Фоссум и его тогдашняя жена доктор Сабрина Кемени стали соучредителями Photobit Corporation с целью коммерциализации технологии. Компания продолжила разработку и коммерциализацию технологии APS для ряда приложений, таких как веб-камеры, высокоскоростные камеры и камеры захвата движения, цифровая рентгенография, эндоскопические (таблеточные) камеры, цифровые однообъективные зеркальные камеры. (зеркалки) и камерофоны. Вскоре после этого возникло множество других небольших компаний, производящих сенсоры изображений, благодаря доступности процесса CMOS, и все они быстро приняли подход с использованием сенсоров с активными пикселями.

КМОП-сенсоры Photobit нашли свое применение в веб-камерах, производимых Logitech и Intel, до того, как Photobit был приобретен Micron Technology в 2001 году. Первоначально на рынке датчиков CMOS лидировали американские производители, такие как Micron и Omnivision, что позволило Соединенным Штатам на короткое время отвоевать часть общего рынка датчиков изображения у Японии, прежде чем на рынке датчиков CMOS в конечном итоге стали доминировать Япония, Южная Корея и другие страны. Китай. КМОП-сенсор с технологией PPD был усовершенствован и усовершенствован Р.М. Гуидашем в 1997 г., К. Йонемото и Х. Суми в 2000 г. и И. Иноуэ в 2003 г. Это привело к тому, что КМОП-сенсоры достигли качества изображения наравне с сенсорами ПЗС, а позже превосходит CCD-датчики.

К 2000 году CMOS-датчики использовались в различных приложениях, включая недорогие камеры, ПК-камеры, факс, мультимедиа, безопасность, видеотелефоны для наблюдения и видеофоны.

Видеоиндустрия переключилась на CMOS-камеры с появлением видео высокой четкости ( HD-видео), поскольку большое количество пикселей потребует значительно более высокого энергопотребления с датчиками CCD, что приведет к перегреву и разрядке батарей. Sony в 2007 году выпустила на рынок CMOS-датчики с оригинальной схемой аналого-цифрового преобразования столбца для быстродействующий, малошумящий, за которым в 2009 году последовал CMOS датчик с задней подсветкой (датчик BI), с вдвое большей чувствительностью, чем у обычных датчиков изображения выходят за рамки человеческого глаза.

CMOS-датчики оказали значительное культурное влияние, что привело к массовому распространению цифровых камер и телефонов с камерой, которые укрепили рост социальных сетей и культуры селфи, а также оказал влияние на социальные и политические движения по всему миру. К 2007 году продажи КМОП-сенсоров с активными пикселями превысили ПЗС-сенсоры, при этом на КМОП-сенсоры приходилось 54% мирового рынка сенсоров изображения в то время. К 2012 году КМОП-датчики увеличили свою долю до 74% рынка. По состоянию на 2017 год на CMOS-датчики приходится 89% мировых продаж датчиков изображения. В последние годы технология CMOS-сенсора распространилась на среднеформатную фотографию: Phase One стала первой, кто выпустил среднеформатную цифровую заднюю панель с CMOS-сенсором Sony.

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

Бойд Фаулер из OmniVision известен своей работой в области разработки датчиков изображения CMOS. Его вклады включают первый цифровой датчик изображения CMOS в 1994 году; первый научный линейный датчик изображения CMOS с одноэлектронным среднеквадратичным шумом считывания в 2003 году; первый многомегапиксельный CMOS-датчик изображения для научных областей с одновременным высоким динамическим диапазоном (86 дБ), быстрым считыванием (100 кадров / сек) и сверхнизким шумом чтения (1,2e-RMS) (sCMOS) в 2010 г. Он также запатентовал первый датчик изображения CMOS для межротового рентгеновского снимка зубов с обрезанными углами для большего комфорта пациента.

К концу 2010-х годов датчики CMOS в значительной степени, если не полностью заменили датчики CCD, как это могут делать датчики CMOS. не только производиться на существующих линиях по производству полупроводников, что снижает затраты, но и потребляет меньше энергии, и это лишь некоторые из преимуществ. (см. ниже)

Сравнение с ПЗС

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

Преимущества КМОП по сравнению с ПЗС

Блуминг в изображении ПЗС

Основным преимуществом КМОП-датчика является то, что его производство обычно дешевле, чем ПЗС-датчик, так как захват изображения и изображение чувствительные элементы могут быть объединены в одну и ту же ИС, что требует более простой конструкции.

CMOS-датчик также обычно лучше контролирует размытие (то есть перетекание фотозаряда из переэкспонированного пикселя в соседний пикселей).

В системах с тремя датчиками, которые используют отдельные датчики для разрешения красной, зеленой и синей составляющих изображения в сочетании с призмами светоделителя, три датчика CMOS могут быть идентичными, в то время как большинство разделительных призм требуют, чтобы один из датчиков CCD был зеркальным отображением двух других, чтобы считывать изображение в совместимом порядке. В отличие от датчиков CCD, датчики CMOS имеют возможность обратной адресации сенсорных элементов. Существуют CMOS-датчики со светочувствительностью пленки ISO 4 миллиона.

Недостатки КМОП по сравнению с ПЗС

Искажение, вызванное скользящим затвором

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

Давнее преимущество ПЗС-датчиков заключается в их способности снимать изображения с более низким шумом. Благодаря усовершенствованиям в технологии CMOS это преимущество исчезло с 2020 года, и теперь доступны современные CMOS-датчики, способные превзойти датчики CCD.

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

Архитектура

Пиксель

Трехтранзисторный датчик с активными пикселями.

Стандартный CMOS пиксель APS сегодня состоит из фотодетектора (закрепленный фотодиод ), плавающий диффузионный и так называемая 4T ячейка, состоящая из четырех CMOS (дополнительных металл-оксид-полупроводник ) транзисторы, включая передаточный затвор, затвор сброса, селекторный затвор и считывающий транзистор исток-повторитель. Прикрепленный фотодиод изначально использовался в ПЗС-матрице с межстрочным переносом из-за его низкого темнового тока и хорошего синего отклика, а в сочетании с передаточным затвором позволяет полностью переносить заряд от закрепленного фотодиода к плавающему диффузионному (который дополнительно подключен к затвору считывающий транзистор), устраняющий запаздывание. Использование внутрипиксельной передачи заряда позволяет снизить уровень шума за счет использования коррелированной двойной выборки (CDS). Пиксель Noble 3T все еще иногда используется, поскольку требования к изготовлению менее сложные. Пиксель 3T содержит те же элементы, что и пиксель 4T, за исключением передаточного затвора и фотодиода. Транзистор сброса, M rst , действует как переключатель для сброса плавающей диффузии на V RST , который в этом случае представлен как затвор M sf транзистор. Когда транзистор сброса включен, фотодиод эффективно подключается к источнику питания V RST , очищая весь интегрированный заряд. Поскольку транзистор сброса имеет тип n, пиксель работает в режиме мягкого сброса. Транзистор считывания, M sf , действует как буфер (в частности, истоковый повторитель ), усилитель, который позволяет наблюдать напряжение пикселя без удаления накопленного заряда. Его источник питания V DD обычно подключен к источнику питания транзистора сброса V RST. Транзистор выбора, M sel , позволяет считывающей электронике считывать одну строку массива пикселей. Существуют и другие инновации пикселей, такие как пиксели 5T ​​и 6T. При добавлении дополнительных транзисторов возможны такие функции, как глобальный затвор, в отличие от более распространенного роллетного затвора. Для увеличения плотности пикселей могут использоваться совместно считываемые, четырех- и восьмисторонние совместные считывания, а также другие архитектуры. Вариантом активного пикселя 3T является датчик Foveon X3, изобретенный Диком Меррилом. В этом устройстве три фотодиода наложены друг на друга с использованием планарной технологии изготовления, каждый фотодиод имеет свою собственную схему 3Т. Каждый последующий слой действует как фильтр для слоя под ним, сдвигая спектр поглощенного света в последовательных слоях. Путем деконволюции отклика каждого слоистого детектора можно восстановить красный, зеленый и синий сигналы.

Массив

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

Размер

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

Боковые и вертикальные структуры

Там представляют собой два типа структур датчика с активными пикселями (APS), боковую APS и вертикальную APS. Эрик Фоссум определяет боковой APS следующим образом:

Боковая структура APS определяется как структура, которая имеет часть область пикселей используется для фотодетектирования и хранения сигнала, а другая часть используется для активных транзисторов. Преимущество этого подхода по сравнению с вертикально интегрированным APS состоит в том, что процесс изготовления проще и хорошо совместим с современными процессами устройств CMOS и CCD.

Fossum определяет вертикальный APS следующим образом:

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

Тонкопленочные транзисторы

Двухтранзисторный активный / пассивный пиксельный датчик

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

Варианты конструкции

Было предложено и изготовлено множество различных конструкций пикселей. Стандартный пиксель является наиболее распространенным, потому что он использует наименьшее количество проводов и наименьшее количество транзисторов с максимальной плотностью упаковки, возможных для активного пикселя. Важно, чтобы активная схема в пикселе занимала как можно меньше места, чтобы оставить больше места для фотодетектора. Большое количество транзисторов снижает коэффициент заполнения, то есть процент области пикселей, чувствительный к свету. Размер пикселя можно обменять на желаемые качества, такие как уменьшение шума или уменьшение задержки изображения. Шум - это мера точности, с которой можно измерить падающий свет. Задержка возникает, когда следы предыдущего кадра остаются в будущих кадрах, то есть пиксель не полностью сбрасывается. Дисперсия шума напряжения в пикселе с мягким сбросом (регулируемое напряжение затвора) составляет $V\; n\; 2\; =\; k\; T\; /\; 2\; C\; \{\backslash \; displaystyle\; V\_\; \{n\}\; ^\; \{2\}\; =\; kT\; /\; 2C\}$, но задержка изображения и фиксированный узорный шум могут быть проблематичными. В среднеквадратичном значении электронов шум равен $N\; e\; =\; k\; TC\; /\; 2\; q\; \{\backslash \; displaystyle\; N\_\; \{e\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; sqrt\; \{kTC\; /\; 2\}\}\; \{q\}\}\}$.

Hard reset

Работа с пикселем с помощью аппаратного сброса приводит к появлению шума Джонсона – Найквиста на фотодиоде $V\; n\; 2\; =\; k\; T\; /\; C\; \{\backslash \; displaystyle\; V\_\; \{n\}\; ^\; \{2\}\; =\; kT\; /\; C\}$или $N\; e\; =\; k\; TC\; q\; \{\backslash \; displaystyle\; N\_\; \{e\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; sqrt\; \{kTC\}\}\; \{q\}\}\}$, но предотвращает запаздывание изображения, что иногда является желательным компромиссом. Один из способов использования аппаратного сброса - заменить M rst транзистором p-типа и инвертировать полярность сигнала RST. Наличие устройства p-типа снижает коэффициент заполнения, так как требуется дополнительное пространство между p- и n-устройствами; это также исключает возможность использования транзистора сброса в качестве стока для предотвращения переполнения, что является широко используемым преимуществом полевого транзистора сброса n-типа. Другой способ добиться аппаратного сброса с помощью полевого транзистора n-типа - это понизить напряжение V RST относительно напряжения RST. Это уменьшение может уменьшить запас по емкости или полную емкость заряда, но не влияет на коэффициент заполнения, если только V DD не будет затем проложен по отдельному проводу с его исходным напряжением.

Комбинации аппаратного и программного сброса

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

Активный сброс

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

См. Также

• Угловой пиксель
• Датчик с задней подсветкой
• Устройство с зарядовой связью
• Планарная матрица захвата Фурье
• Датчик двоичного изображения с передискретизацией
• Категория: Цифровые камеры с датчиком изображения CMOS

Ссылки

Дополнительная литература

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

Внешние ссылки

На Wikimedia Commons есть материалы, связанные с CMOS-датчиками .

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