и Датчик изображения или имидж-сканер - это датчик , который обнаруживает и передает информацию, используемую для создания изображения. Это достигается путем преобразования переменного затухания световых волн (когда они проходят через или отражаются от объектов) в сигналы., небольшие всплески тока, которые передают информацию. Волны могут быть светом или другим электромагнитным излучением. Датчики изображения используются в электронных устройствах формирования изображения как аналогового, так и цифрового типов, которые включают цифровые камеры, модули камеры, телефоны с камерой, устройства оптической мыши, оборудование для медицинской визуализации, оборудование ночного видения, такое как тепловизионное изображение устройства, радар, гидролокатор и другие. По мере того, как меняется технология, электронное и цифровое изображение, как правило, заменяет химическое и аналоговое изображение.
Двумя основными типами электронных датчиков изображения являются устройство с зарядовой связью (CCD) и датчик с активными пикселями (CMOS датчик). И ПЗС, и КМОП-сенсоры основаны на технологии металл-оксид-полупроводник (МОП), с ПЗС-датчиками на основе МОП-конденсаторов и КМОП-сенсорами на основе МОП-транзистора (МОП полевой транзистор) усилители. Аналоговые датчики невидимого излучения обычно включают вакуумные лампы различных типов, в то время как цифровые датчики включают плоские детекторы.
Двумя основными типами датчиков цифрового изображения являются устройство с зарядовой связью (CCD) и датчик с активными пикселями (датчик CMOS), изготовленный в дополнительной MOS (CMOS) или N-типе MOS (NMOS или Live MOS ) технологии. И ПЗС, и КМОП-датчики основаны на технологии МОП, где МОП-конденсаторы являются строительными блоками ПЗС, а усилители МОП-транзисторы являются строительными блоками КМОП.
Камеры, встроенные в небольшие потребительские товары, обычно используют КМОП-датчики, которые обычно дешевле и потребляют меньше энергии в устройствах с батарейным питанием, чем ПЗС-матрицы. ПЗС-датчики используются для высококачественных видеокамер вещательного качества, а (C) МОП-датчики преобладают в фотосъемке и потребительских товарах, где общая стоимость является серьезной проблемой. Оба типа датчиков выполняют одну и ту же задачу по улавливанию света и преобразованию его в электрические сигналы.
Каждая ячейка датчика изображения CCD представляет собой аналоговое устройство. Когда свет попадает на чип, он 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 сдвигает свои заряды на одну строку ближе к усилителю (ам), заполняя пустую строку, ближайшую к усилителям (s). Затем этот процесс повторяется до тех пор, пока все линии пикселей не будут усилены и выведены.
Датчик изображения CMOS имеет усилитель для каждого пикселя по сравнению с несколькими усилителями ПЗС. Это приводит к меньшей площади для захвата фотонов, чем у ПЗС, но эта проблема была преодолена за счет использования микролинз перед каждым фотодиодом, которые фокусируют свет на фотодиод, который в противном случае попал бы в усилитель и не был бы обнаружен. Некоторые КМОП-датчики изображения также используют заднюю подсветку для увеличения количества фотонов, попадающих на фотодиод. КМОП-датчики потенциально могут быть реализованы с меньшим количеством компонентов, потреблять меньше энергии и / или обеспечивать более быстрое считывание, чем ПЗС-датчики. Они также менее уязвимы к разрядам статического электричества.
Другая конструкция, гибридная архитектура CCD / CMOS (продаваемая под названием «sCMOS »), состоит из интегральных схем считывания CMOS (ROIC), которые прикреплены к подложке изображения CCD - a технология, которая была разработана для инфракрасных массивов наблюдения и адаптирована к технологии кремниевых детекторов. Другой подход заключается в использовании очень мелких размеров, доступных в современной КМОП-технологии, чтобы полностью реализовать ПЗС-подобную структуру в КМОП-технологии: такие структуры могут быть получены путем разделения отдельных поликремниевых затворов очень маленьким зазором; хотя гибридные датчики, все еще являющиеся продуктом исследований, потенциально могут использовать преимущества как ПЗС-, так и КМОП-формирователей изображения.
Существует множество параметров, которые можно использовать для оценки производительности датчика изображения, включая динамический диапазон, отношение сигнал / шум и чувствительность при слабом освещении. Для датчиков сопоставимых типов отношение сигнал / шум и динамический диапазон улучшаются по мере увеличения размера .
Время экспозиции датчиков изображения обычно регулируется либо обычным механическим затвором, как в пленочных камерах, либо электронным затвором. Электронная опалубка может быть «глобальной», и в этом случае накопление фотоэлектронов во всей области датчика изображения начинается и останавливается одновременно, или «вращением», когда интервал экспозиции каждой строки непосредственно предшествует считыванию этой строки в процессе, который «вращается». поперек кадра изображения (обычно сверху вниз в альбомном формате). Глобальная электронная заслонка встречается реже, так как она требует, чтобы схемы "хранения" удерживали заряд с конца интервала экспонирования до момента считывания, обычно через несколько миллисекунд.
Существует несколько основных типов датчиков цветного изображения, различающихся типом механизма разделения цветов:
Специальные датчики используются в различных приложениях, таких как термография, создание многоспектральных изображений, видеоларингоскопов, гамма-камер, матриц для рентгеновских лучей, и другие высокочувствительные матрицы для астрономии.
В то время как в цифровых камерах обычно используется плоский датчик, Sony в 2014 году создала прототип изогнутого датчика, чтобы уменьшить / устранить искривление поля Пецваля, которое возникает с плоским датчиком. Использование изогнутого датчика позволяет уменьшать диаметр линз с уменьшенными элементами и компонентами с большей диафрагмой и уменьшенным падением света по краям фотографии.
Ранний аналог Датчики видимого света были трубками видеокамеры. Они датируются 1930-ми годами, а несколько типов были разработаны до 1980-х годов. К началу 1990-х их заменили современные твердотельные ПЗС-датчики изображения.
Основой для современных твердотельных датчиков изображения является МОП-технология, которая берет свое начало с изобретения МОП-транзисторы Мохамед М. Аталла и Давон Канг в Bell Labs в 1959 году. Более поздние исследования технологии МОП привели к разработке твердотельных полупроводников датчики изображения, включая устройство с зарядовой связью (CCD), а затем датчик с активными пикселями (CMOS датчик).
Датчик с пассивными пикселями (PPS) был предшественником датчика с активными пикселями (APS). PPS состоит из пассивных пикселей, которые считываются без усиления, причем каждый пиксель состоит из фотодиода и переключателя MOSFET. Это тип матрицы фотодиодов с пикселями, содержащими p-n переход, интегрированный конденсатор и полевые МОП-транзисторы в качестве выбранных транзисторов. Матрица фотодиодов была предложена Г. Веклером в 1968 году. Она легла в основу PPS. Эти первые матрицы фотодиодов были сложными и непрактичными, требуя изготовления селективных транзисторов в каждом пикселе вместе со схемами на кристалле мультиплексора. Шум матриц фотодиодов также был ограничением производительности, поскольку емкость шины считывания фотодиодов приводила к увеличению уровня шума. Коррелированная двойная выборка (CDS) также не может использоваться с матрицей фотодиодов без внешней памяти.
Устройство с зарядовой связью (ПЗС) был изобретен Уиллардом С. Бойлом и Джорджем Э. Смитом в Bell Labs в 1969 году. Изучая технологию МОП, они поняли, что электрический заряд был аналогом магнитный пузырь и что его можно хранить на крошечном МОП-конденсаторе. Поскольку было довольно просто изготовить серию МОП-конденсаторов в ряд, они подключали к ним подходящее напряжение, чтобы заряд мог переходить от одного к другому. ПЗС - это полупроводниковая схема, которая позже использовалась в первых цифровых видеокамерах для телевещания.
Ранние ПЗС-датчики страдали от задержки срабатывания затвора. Эта проблема была в значительной степени решена с изобретением фотодиода со штырьками (PPD). Он был изобретен Нобуказу Тераниси, Хиромицу Сираки и Ясуо Исихара в NEC в 1980 году. Это была структура фотодетектора с низким запаздыванием и низким шумом, высокая квантовая эффективность и низкий темновой ток. В 1987 году PPD начали встраивать в большинство устройств CCD, став неотъемлемой частью бытовой электроники видеокамер, а затем цифровых фотоаппаратов. С тех пор PPD использовался почти во всех датчиках CCD, а затем в датчиках CMOS.
NMOS датчик с активными пикселями (APS) был изобретен Olympus в Японии в середине 1980-х годов. Это стало возможным благодаря достижениям в производстве полупроводниковых устройств MOS , с масштабированием MOSFET, достигающим меньших микронных, а затем субмикронных уровней. Первый NMOS APS был изготовлен командой Цутому Накамуры в Olympus в 1985 году. Датчик с активными пикселями CMOS (датчик CMOS) был позже разработан командой Эрика Фоссума в НАСА Лаборатория реактивного движения в 1993 году. К 2007 году продажи КМОП-датчиков превысили ПЗС-датчики. К 2010-м годам КМОП-датчики в значительной степени вытеснили ПЗС-датчики во всех новых приложениях.
Первая коммерческая цифровая камера, Cromemco Cyclops в 1975 году, использовала 32 × 32 MOS датчик изображений. Это был модифицированный динамический МОП RAM (DRAM ) чип памяти.
MOS-датчики изображения широко используются в технологии оптических мышей. В первой оптической мыши, изобретенной Ричардом Ф. Лайоном в Xerox в 1980 году, использовалась интегральная схема 5 мкм NMOS . сенсорный чип. С момента появления первой коммерческой оптической мыши IntelliMouse, представленной в 1999 году, в большинстве оптических мышей используются датчики CMOS.
В феврале 2018 года исследователи из Дартмутского колледжа объявили о новой технология распознавания изображений, которую исследователи называют QIS, от Quanta Image Sensor. Вместо пикселей в чипах QIS есть то, что исследователи называют «jots». Каждая точка может обнаруживать единственную частицу света, называемую фотоном.