CMOS sensor

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 28. december 2020; checks kræver 2 redigeringer .

CMOS-matrix er en lysfølsom matrix , lavet på basis af CMOS-teknologi .

CMOS-matricer bruger isolerede gate -felteffekttransistorer med kanaler med forskellig ledningsevne.

Ækvivalent kredsløb af en CMOS matrixcelle: 1 - lysfølsomt element (fotodiode); 2 - lukker; 3 - kondensator, der gemmer ladningen fra dioden; 4 - forstærker; 5 - række valg bus; 6 - lodret bus, der sender et signal til processoren; 7 - nulstillingssignal. [en]

Historie

I slutningen af 1960'erne Mange forskere har bemærket, at CMOS-strukturer er følsomme over for lys. Ladningskoblede enheder gav dog en så højere lysfølsomhed og billedkvalitet, at CMOS-sensorer ikke fik nogen mærkbar udvikling.

I begyndelsen af 1990'erne blev CMOS-sensorernes egenskaber såvel som fremstillingsteknologien væsentligt forbedret. Fremskridt inden for submikron fotolitografi har gjort det muligt at bruge tyndere forbindelser i CMOS-sensorer. Dette førte til en stigning i lysfølsomheden på grund af en større procentdel af det bestrålede område af matrixen.

En revolution inden for CMOS-sensorteknologi skete, da NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL ) med succes implementerede Active Pixel Sensors (APS) - aktive pixelsensorer [2] . Teoretiske undersøgelser blev udført for flere årtier siden, men den praktiske brug af den aktive sensor blev skubbet tilbage til 1993. APS tilføjer en transistorudlæsningsforstærker til hver pixel, som gør det muligt at konvertere ladning til spænding direkte på pixlen. Dette gav også tilfældig adgang til fotodetektorer, svarende til dem, der er implementeret i RAM-chips.

Som et resultat blev CMOS i 2008 praktisk talt et alternativ til CCD'er.

I 2011 , på MWC i Barcelona, demonstrerede Samsung en ny type CMOS-sensorer, der er målrettet mod smartphone-applikationer.

Sådan virker det

Nulstil signal før optagelse
Under eksponeringen akkumuleres ladningen af fotodioden
Under læsningen samples spændingsværdien på kondensatoren

Fordele

Den største fordel ved CMOS -teknologi er lavt statisk strømforbrug. Dette tillader brugen af sådanne matricer som en del af ikke-flygtige enheder, for eksempel i bevægelsessensorer og overvågningssystemer, som det meste af tiden er i tilstanden "sleep" eller "vent på en begivenhed".
En vigtig fordel ved CMOS-matricen er teknologiens enhed med de øvrige digitale elementer i udstyret. Dette fører til muligheden for at kombinere analoge, digitale og behandlingsdele på en enkelt chip (CMOS-teknologi, der primært er en processorteknologi, indebærer ikke kun "fangning" af lys, men også processen med at konvertere, behandle, rense signaler ikke kun og tredjeparts REA-komponenter), som tjente som grundlag for miniaturisering af kameraer til en bred vifte af udstyr og reducerer deres omkostninger på grund af afvisningen af yderligere processorchips.
Ved hjælp af tilfældig adgangsmekanisme kan du læse udvalgte grupper af pixels. Denne operation kaldes indrammet læsning ( eng. windowing readout ). Beskæring giver dig mulighed for at reducere størrelsen af det optagne billede og potentielt øge udlæsningshastigheden sammenlignet med CCD-sensorer, da i sidstnævnte skal al information uploades til yderligere behandling. Det bliver muligt at bruge den samme matrix i fundamentalt forskellige tilstande. Især ved hurtigt kun at læse en lille del af pixels, er det muligt at levere en højkvalitets live-billedvisningstilstand på skærmen indbygget i enheden med et relativt lille antal pixels. Du kan kun scanne en del af rammen og anvende den til at blive vist på hele skærmen. Således at opnå mulighed for manuel fokusering af høj kvalitet. Det er muligt at udføre reportageoptagelser i høj hastighed med en mindre billedstørrelse og opløsning.
Ud over forstærkeren inde i pixlen kan forstærkerkredsløb placeres hvor som helst langs signalvejen. Dette giver dig mulighed for at skabe forstærkende kaskader og øge følsomheden under dårlige lysforhold. Muligheden for at ændre forstærkningen for hver farve forbedrer især hvidbalanceringen .
Billig produktion i sammenligning med CCD-matricer, især med store matricer.

Ulemper

Cellens fotodiode optager et væsentligt mindre område af sensorelementet sammenlignet med en full-frame transfer CCD . Derfor havde tidlige CMOS-sensorer en væsentlig lavere lysfølsomhed end CCD'er. Men i 2007 lancerede Sony en ny serie af den nye generation af CMOS-video- og kamerakameraer med Exmor -teknologi , som tidligere kun var blevet brugt til CMOS-sensorer i specifikke optiske enheder såsom elektronteleskoper . I disse matricer blev den elektroniske "binding" af pixlen, som forhindrer fotoner i at nå det lysfølsomme element, flyttet fra det øverste til det nederste lag af matricen, hvilket gjorde det muligt at øge både den fysiske størrelse af pixlen med samme geometriske dimensioner af matrixen og elementernes tilgængelighed for lys, hvilket følgelig øgede følsomheden af hver pixel og matrixen som helhed. CMOS-matricer for første gang sammenlignet med CCD-matricer i lysfølsomhed, men viste sig at være mere energibesparende og blottet for den største ulempe ved CCD-teknologien - "frygten" for punktlys. I 2009 forbedrede Sony EXMOR CMOS-sensorer med "Backlight illumination"-teknologi. Idéen med teknologien er enkel og svarer fuldt ud til navnet.
Matrixcellens fotodiode har en relativt lille størrelse, mens værdien af den resulterende udgangsspænding ikke kun afhænger af parametrene for selve fotodioden, men også af egenskaberne for hvert pixelelement. Hver pixel i matrixen har således sin egen karakteristiske kurve , og der er et problem med spredning af lysfølsomheden og kontrastforholdet for matrixens pixels. Som et resultat af dette havde de første producerede CMOS-matricer en relativt lav opløsning og et højt niveau af såkaldt "mønsterstøj" ( engelsk pattern noise ).
Tilstedeværelsen på matrixen af et stort volumen af elektroniske elementer sammenlignet med fotodioden skaber yderligere opvarmning af enheden under læseprocessen og fører til en stigning i termisk støj.

Se også

Noter

↑ CCD vs CMOS: fakta og fiktion. Arkiveret 27. februar 2008 på Wayback Machine - Genoptrykt fra januar 2001-udgaven af PHOTONICS SPECTRA© af Laurin Publishing Co. Inc. (Engelsk)
↑ Princippet om drift og design af aktive pixel sensorer (Princips for drift og design af de aktive pixel sensorer Preprint, Inst. Appl. Math., det russiske videnskabsakademi). Arkiveret kopi af 8. oktober 2016 på Wayback Machine Ovchinnikov A.M., Ilyin A.A., Ovchinnikov M.Yu.

Litteratur

Viktor Belov. Lys til hukommelse // "Foto & video" : magasin. - 2005. - Nr. 3 . - S. 72-75 . (Russisk)