Активный пиксельный датчик

1. История [ редактировать ]
2. Сравнение с ПЗС [ редактировать ]
3. [ редактировать ]
4. [ редактировать ]
5. Архитектура [ редактировать ]
6. APS с использованием тонкопленочных транзисторов [ редактировать ]
7. Array [ редактировать ]
8. Размер [ редактировать ]
9. Варианты дизайна [ редактировать ]
10. Аппаратный сброс [ редактировать ]
11. Комбинации жесткого и мягкого сброса [ редактировать ]
12. Активный сброс [ редактировать ]
13. Смотрите также [ редактировать ]
14. Дальнейшее чтение [ редактировать ]

Датчик активных пикселей ( APS ) является датчик изображений где каждый элемент изображения («пиксель») имеет фотодетектор и активный усилитель. Есть много типов Интегральная схема активные пиксельные датчики, включая комплементарный металл – оксид – полупроводник (CMOS) APS чаще всего используется в камеры мобильного телефона , веб-камеры , большинство цифровых карманных камер с 2010 года, в большинстве цифровые однообъективные зеркальные камеры (Зеркалки) и Беззеркальные камеры со сменными объективами (MILCs). Такой датчик изображения производится с использованием технологии CMOS (и, следовательно, также известен как датчик CMOS ), и появился в качестве альтернативы прибор с зарядовой связью (CCD) датчики изображения.

Термин «датчик активных пикселей» также используется для обозначения самого датчика отдельных пикселей, в отличие от датчика изображения; [1] в этом случае датчик изображения иногда называют формирователем изображения с активным пиксельным датчиком , [2] или датчик изображения с активным пикселем . [3]

История [ редактировать ]

Термин « активный пиксельный датчик» был придуман в 1985 году Цутому Накамура, который работал над активным пиксельным датчиком устройства модуляции заряда в Олимп , [4] и в более широком смысле определяется Эрик Фоссум в газете 1993 года. [5]

Элементы датчика изображения с усилителями в пикселях были описаны Noble в 1968 году, [6] Чемберлен в 1969 году, [7] и Weimer et al. в 1969 году [8] в то время, когда пассивные пиксельные датчики - то есть пиксельные датчики без собственных усилителей или схемы активного шумоподавления - исследовались как твердотельная альтернатива устройства визуализации в вакуумных трубках . [ нужна цитата ] Пассивный пиксельный датчик MOS использовал простой переключатель в пикселе для считывания фотодиод интегрированный заряд. [9] Пиксели были выстроены в виде двумерной структуры с проводом разрешения доступа, совместно используемым пикселями в одной строке, и выходным проводом, совместно используемым столбцом. В конце каждой колонки был усилитель. Датчики с пассивными пикселями страдают от многих ограничений, таких как высокие шум , медленное считывание и отсутствие масштабируемость , Добавление усилителя к каждому пикселю решило эти проблемы и привело к созданию датчика активных пикселей. Нобл в 1968 году и Чемберлен в 1969 году создали сенсорные массивы с активными усилителями считывания MOS на пиксель, по сути, в современной трехтранзисторной конфигурации. ПЗС была изобретена в октябре 1969 года в Bell Labs , Поскольку процесс MOS был настолько изменчивым, а транзисторы MOS имели характеристики, которые менялись с течением времени ( Vth нестабильность), работа ПЗС в области заряда была более технологичной и быстро затмила пассивные и активные пиксельные МОП-датчики. N-канал низкого разрешения "в основном цифровой" МОП-транзистор тепловизор с внутрипиксельным усилением, для Оптическая мышь приложение, было продемонстрировано в 1981 году. [10]

Другим типом активного пиксельного датчика является гибридная инфракрасная матрица фокальной плоскости (IRFPA), предназначенная для работы на криогенный температура в инфракрасный спектр , Устройства представляют собой две микросхемы, которые собраны вместе в виде сэндвича: одна микросхема содержит элементы детектора, выполненные в InGaAs или же КРТ и другой чип, как правило, сделан из кремния и используется для считывания фотоприемников. Точная дата происхождения этих устройств засекречена, но к середине 1980-х годов они стали широко использоваться.

К концу 1980-х и началу 1990-х годов процесс КМОП хорошо зарекомендовал себя как хорошо контролируемый стабильный процесс и был базовым процессом для почти всей логики и микропроцессоры , Возникло возрождение в использовании пассивных пиксельных датчиков для низкоуровневых приложений обработки изображений, [11] и активные пиксельные датчики для приложений с высоким разрешением низкого разрешения, таких как моделирование сетчатки [12] и детектор частиц высокой энергии. Тем не менее, ПЗС по-прежнему имели гораздо меньший временной шум и шум фиксированной структуры и были доминирующей технологией для потребительских приложений, таких как видеокамеры, а также для вещательных камер, где они смещались трубки видеокамеры ,

Fossum, который работал в НАСА Лаборатория реактивного движения и другие. , изобрел датчик изображения, который использовал внутрипиксельную передачу заряда вместе с внутрипиксельным усилителем для достижения истинной коррелированной двойной выборки (CDS) и работы с низким временным шумом, и микросхемы на кристалле для снижения шума с фиксированной схемой, и опубликовал первый обширная статья [5] прогнозирование появления сканеров APS в качестве коммерческого преемника ПЗС. В период с 1993 по 1995 год Лаборатория реактивного движения разработала ряд прототипов устройств, которые подтвердили основные характеристики этой технологии. Несмотря на примитивность, эти устройства продемонстрировали хорошую производительность изображения с высокой скоростью считывания и низким энергопотреблением.

В 1995 году, разочарованный медленными темпами внедрения технологии, Фоссум и его тогдашняя жена Доктор Сабрина Кемени соучредитель Photobit Corporation для коммерциализации технологий. [13] Компания продолжила разработку и коммерциализацию технологии APS для ряда приложений, таких как веб-камеры, высокоскоростные камеры и камеры захвата движения, цифровая рентгенография, камеры для эндоскопии (таблетки), зеркалок и камеры-телефоны. Вскоре после этого появилось много других небольших компаний, занимающихся разработкой датчиков изображения, благодаря доступности CMOS-процесса, и все они быстро приняли подход с активным пиксельным датчиком. В последнее время сенсорная технология CMOS распространилась на фотографии среднего формата с Первая фаза будучи первым, кто запустил цифровой формат среднего формата с Sony встроенный датчик CMOS.

В настоящее время Fossum проводит исследования по технологии Quanta Image Sensor (QIS). [14] QIS - это революционное изменение в том, как мы собираем изображения в камере, изобретаемой 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 (так называемых переходов) на датчик, а также считывать битовые плоскости сотен или тысяч раз в секунду, получая в результате в терабитах / сек данных. [15]

Сравнение с ПЗС [ редактировать ]

Пиксели APS решают проблемы скорости и масштабируемости пассивного пиксельного датчика. Как правило, они потребляют меньше энергии, чем ПЗС, имеют меньшую задержку изображения и требуют меньше специализированных производственных мощностей. В отличие от ПЗС-датчиков, датчики APS могут объединять функции датчика изображения и функции обработки изображения в одной интегральной схеме. Датчики APS нашли свое применение во многих потребительских приложениях, особенно камеры телефонов , Они также использовались в других областях, включая цифровые рентгенография военный сверхскоростной захват изображений, камеры наблюдения , а также оптические мыши , Производители включают Aptina Imaging (независимый выход из Микрон Технолоджи , который приобрел Фотобит в 2001 году), каноник , Samsung , STMicroelectronics , Тошиба , OmniVision Technologies , Sony , а также Foveon среди других. Датчики APS CMOS-типа обычно подходят для приложений, в которых важна упаковка, управление питанием и обработка на кристалле. Широко используются датчики типа CMOS, от высококачественной цифровой фотографии до камер для мобильных телефонов.

[ редактировать ]

Большим преимуществом датчика CMOS является то, что он, как правило, дешевле, чем датчик CCD.

КМОП-сенсор также обычно лучше контролирует цветение (то есть утечку фото-заряда из переэкспонированного пикселя в другие соседние пиксели).

В камеры с тремя сенсорами которые используют отдельные датчики для разрешения красного, зеленого и синего компонентов изображения в сочетании с призмами светоделителя, три CMOS-датчика могут быть идентичными, в то время как большинство сплит-призм требуют, чтобы один из ПЗС-датчиков был зеркальным отображением два других, чтобы прочитать изображение в совместимом порядке. В отличие от датчиков CCD, датчики CMOS имеют возможность изменять адресацию элементов датчика.

[ редактировать ]

Поскольку датчик CMOS обычно захватывает строку за один раз в течение приблизительно 1/60 или 1/50 секунды (в зависимости от частоты обновления), это может привести к " рольставни «эффект, когда изображение перекошено (наклонено влево или вправо, в зависимости от направления движения камеры или объекта). Например, при отслеживании автомобиля, движущегося на высокой скорости, автомобиль не будет искажен, но появится фон для наклона. Датчик CCD с передачей кадра или CMOS-датчик «глобального затвора» не имеет этой проблемы, вместо этого он захватывает все изображение сразу в хранилище кадров.

Активная схема в пикселях CMOS занимает некоторую область на поверхности, которая не является светочувствительной, снижая эффективность детектирования фотонов устройства ( датчики с задней подсветкой может смягчить эту проблему). Но CCD с передачей кадров также имеет около половины нечувствительной области для узлов хранения кадров, поэтому относительные преимущества зависят от того, какие типы датчиков сравниваются.

Архитектура [ редактировать ]

Пиксель [ редактировать ]

Стандарт CMOS Пиксель APS сегодня состоит из фотоприемника ( закрепленного фотодиод [16] ), плавающая диффузия, затвор переноса, затвор сброса, затвор выбора и транзистор считывания истока-повторителя - так называемая ячейка 4T. [17] Закрепленный фотодиод первоначально использовался в ПЗС с межлинейной передачей из-за его низкого темнового тока и хорошего синего отклика, а в сочетании с передающим затвором обеспечивает полную передачу заряда от закрепленного фотодиода к плавающей диффузии (которая дополнительно соединена с затвором считывающий транзистор), устраняющий лаги. Использование внутрипиксельной передачи заряда может обеспечить меньший шум, позволяя использовать коррелированная двойная выборка (CDS). Благородный 3T пиксель все еще иногда используется, поскольку требования к изготовлению менее сложны. 3T пиксель содержит те же элементы, что и 4T пиксель, за исключением затвора переноса и фотодиода. Транзистор сброса, Mrst, действует как переключатель для сброса плавающей диффузии в VRST, который в этом случае представлен как затвор Msf-транзистора. Когда транзистор сброса включен, фотодиод эффективно подключается к источнику питания, VRST, очищая весь встроенный заряд. Поскольку транзистор сброса п-типа Пиксель работает в режиме мягкого сброса. Считывающий транзистор Msf выступает в качестве буфера (в частности, последователь источника ), усилитель, который позволяет наблюдать напряжение пикселя, не удаляя накопленный заряд. Его источник питания, VDD, обычно связан с источником питания транзистора сброса VRST. Транзистор выбора, Msel, позволяет считывающей электронике считывать одну строку массива пикселей. Существуют и другие нововведения в пикселях, такие как пиксели 5T ​​и 6T. Добавляя дополнительные транзисторы, такие функции, как глобальный затвор, в отличие от более распространенных рольставни , возможны. Чтобы увеличить плотность пикселей, можно использовать совместно используемое считывание строк с четырьмя, четырьмя и восемью путями и другие архитектуры. Вариант активного пикселя 3T - это Датчик Foveon X3 изобретен Дик Меррилл , В этом устройстве три фотодиода накладываются друг на друга с помощью методы плоского изготовления каждый фотодиод имеет собственную схему 3Т. Каждый последующий слой действует как фильтр для слоя под ним, сдвигая спектр поглощенного света в последовательных слоях. Деконволюция отклика каждого многоуровневого детектора позволяет восстановить красный, зеленый и синий сигналы.

APS с использованием тонкопленочных транзисторов [ редактировать ]

Для таких приложений, как цифровая большая площадь Рентгеновский изображения, тонкопленочные транзисторы (TFT) также могут использоваться в архитектуре APS. Однако из-за большого размера и более низкого коэффициента усиления TFT по сравнению с транзисторами CMOS необходимо иметь меньше TFT на пикселях, чтобы поддерживать разрешение и качество изображения на приемлемом уровне. Было показано, что двухтранзисторная архитектура APS / PPS является перспективной для использования APS с использованием аморфный кремний ТПТ. В архитектуре с двумя транзисторами APS справа TAMP используется в качестве переключающего усилителя, объединяющего функции Msf и Msel в трехтранзисторном APS. Это приводит к уменьшению числа транзисторов на пиксель, а также к увеличению коэффициента трансдуктивности пикселей. [18] Здесь Cpix - это запоминающая емкость пикселя, и она также используется для емкостной связи импульса адресации «Чтение» с затвором TAMP для включения-выключения. Такие схемы считывания пикселей лучше всего работают с детекторами с низкой емкостью фотопроводника, такими как аморфные селен ,

Array [ редактировать ]

Типичный двумерный массив пикселей организован в строки и столбцы. Пиксели в данной строке имеют общие линии сброса, так что вся строка сбрасывается за раз. Строки выбора строки каждого пикселя в строке также связаны друг с другом. Выходы каждого пикселя в любом заданном столбце связаны между собой. Поскольку в данный момент выбрана только одна строка, никакой конкуренции за выходную строку не происходит. Дальнейшие схемы усилителя обычно основаны на столбцах.

Размер [ редактировать ]

Размер пиксельного датчика часто указывается по высоте и ширине, но также и в оптический формат ,

Варианты дизайна [ редактировать ]

Было предложено и изготовлено много разных дизайнов пикселей. Стандартный пиксель является наиболее распространенным, потому что он использует наименьшее количество проводов и наименьшее количество наиболее плотно упакованных транзисторов для активного пикселя. Важно, чтобы активная схема в пикселе занимала как можно меньше места, чтобы оставить больше места для фотоприемника. Большое количество транзисторов ухудшает коэффициент заполнения, то есть процент площади пикселя, чувствительной 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 происходит, когда следы предыдущего кадра остаются в будущих кадрах, то есть пиксель сбрасывается не полностью. Дисперсия шума напряжения в пикселе с мягким сбросом (регулируемым напряжением затвора) равна V n 2 = k T / 2 C {\ displaystyle V_ {n} ^ {2} = kT / 2C} , но задержка изображения и фиксированный шаблонный шум могут быть проблематичными. В среднеквадратичных электронах шум равен N e = k T C / 2 q {\ displaystyle N_ {e} = {\ frac {\ sqrt {kTC / 2}} {q}}} ,

Аппаратный сброс [ редактировать ]

Работа с пикселем с помощью аппаратного сброса приводит к Шум Джонсона – Найквиста на фотодиодах V n 2 = k T / C {\ displaystyle V_ {n} ^ {2} = kT / C} или N e = k T C q {\ displaystyle N_ {e} = {\ frac {\ sqrt {kTC}} {q}}} , но предотвращает отставание изображения, иногда желательный компромисс. Одним из способов использования аппаратного сброса является замена Mrst транзистором p-типа и инвертирование полярности сигнала RST. Наличие устройства p-типа снижает коэффициент заполнения, так как требуется дополнительное пространство между p- и n-устройствами; он также исключает возможность использования транзистора сброса в качестве устройства защиты от переполнения, что является широко используемым преимуществом полевого транзистора сброса n-типа. Другой способ добиться полного сброса с помощью полевого транзистора n-типа - снизить напряжение VRST относительно напряжения RST. Это уменьшение может уменьшить запас или полную зарядную емкость, но не влияет на коэффициент заполнения, если только VDD не будет направлен на отдельный провод с его исходным напряжением.

Комбинации жесткого и мягкого сброса [ редактировать ]

Такие методы, как сброс настроек сброса, сброс псевдо-вспышки и жесткий-мягкий сброс, объединяют мягкий и жесткий сброс. Детали этих методов различаются, но основная идея та же. Сначала выполняется полный сброс, устраняющий отставание изображения. Затем выполняется мягкий сброс, что приводит к сбросу с низким уровнем шума без добавления какой-либо задержки. [19] Сброс псевдо-вспышки требует отделения VRST от VDD, в то время как другие два метода добавляют более сложную схему столбцов. В частности, сброс псевдо-вспышки и трудно-мягкий сброс добавляют транзисторы между пиксельными блоками питания и фактическим VDD. Результат - более низкий запас по высоте, не влияющий на коэффициент заполнения.

Активный сброс [ редактировать ]

Более радикальный дизайн пикселя - это пиксель с активным сбросом. Активный сброс может привести к гораздо более низким уровням шума. Компромисс - сложная схема сброса, а также схема с большим пикселем или дополнительная схема на уровне столбца.

Смотрите также [ редактировать ]

Рекомендации [ редактировать ]

1. ^ Александр Григорьевич Дикинсон и др., «Датчик активного пикселя и система формирования изображения, имеющие дифференциальный режим», US 5631704
2. ^ Циммерман, Хорст (2000). Интегрированная кремниевая оптоэлектроника . Springer. ISBN 978-3-540-66662-2 ,
3. ^ Лоуренс Т. Кларк, Марк А. Бейли, Эрик Дж. Хоффман, «Сенсорная ячейка, имеющая контур мягкого насыщения» US 6133563 [1]
4. ^ Мацумото, Казуя; и другие. (1985). «Новый МОП-фототранзистор, работающий в режиме неразрушающего считывания». Японский журнал прикладной физики . 24 (5А): L323. дои : 10,1143 / JJAP.24.L323 ,
5. ^ б Эрик Р. Фоссум (1993), «Активные пиксельные датчики: динозавры CCD?» Proc. SPIE Vol. 1900, стр. 2–14, приборы с зарядовой связью и твердотельные оптические датчики III , Морли М. Блоук; Издание
6. ^ (Награжден премией «За выдающийся вклад в первые годы использования датчиков изображения», проведенной Международным обществом датчиков изображения в 2015 году). Питер Дж. В. Нобл (апрель 1968). «Самосканируемые кремниевые детекторы изображений». ED-15 (4). IEEE: 202–209.
7. ^ Саввас Г. Чемберлен (декабрь 1969 г.). «Светочувствительность и сканирование кремниевых детекторов изображений». IEEE Журнал твердотельных цепей . СК-4 (6): 333–342.
8. ^ ПК Ваймер; WS Pike; Г. Садасив; Ф.В. Шолкросс; Л. Мерай-Хорват (март 1969 г.). «Многоэлементные самосканируемые датчики мозаики». IEEE Spectrum . 6 (3): 52–65. дои : 10,1109 / MSPEC.1969.5214004 ,
9. ^ Р. Дейк; Г. Веклер (1968). «Интегрированные матрицы кремниевых фотоприемников для считывания изображений» , IEEE Trans. Электронные приборы . ED-15 (4): 196–201. дои : 10,1109 / Т-ED.1968.16166 ,
10. ^ Ричард Ф. Лион (1981). «Оптическая мышь и архитектурная методология для интеллектуальных цифровых датчиков». В ХТ кунг; Р. Спроулл; Г. Стил (ред.). Конференция CMU по структурам и вычислениям СБИС . Питсбург: Пресса информатики.
11. ^ Д. Реншоу; ПБ Дениер; Г. Ван; М. Лу (1990). «Датчики изображения ASIC». IEEE Международный симпозиум по схемам и системам 1990 .
12. ^ М.А. Маховальд; C. Мид (12 мая 1989 года). "Кремниевая сетчатка". Ученый американец . 264 (5): 76–82. Bibcode : 1991SciAm.264e..76M , дои : 10,1038 / scientificamerican0591-76 , PMID 2052936 ,
13. ^ Fossum, Eric R. (18 декабря 2013 г.). «CAMERA-ON-A-CHIP: ПЕРЕДАЧА ТЕХНОЛОГИИ ИЗ САТУРНЫ НА ТЕЛЕФОН» Технологии и инновации . 15 (3): 197–209. дои : 10,3727 / 194982413X13790020921744 ,
14. ^ Fossum, ER (1 сентября 2013 г.). «Моделирование производительности одно- и многоразрядных квантовых датчиков изображения». IEEE Журнал Общества Электронных Приборов . 1 (9): 166–174. дои : 10,1109 / JEDS.2013.2284054 ,
15. ^ Исследование передовых датчиков изображения и систем камер
16. ^ Обзор закрепленного фотодиода для датчиков изображения ПЗС и КМОП, IEEE J. Electron Devices Society, том 2 (3), с. 33-43, май 2014 г., открытый доступ «Архивная копия» , Архивировано с оригинала 2015-10-27.
17. ^ Х. Лин; CH Lai; YC Ling (2004). «Четырех транзисторный CMOS активный пиксельный датчик с высоким динамическим диапазоном». Расширенные системные интегральные схемы IEEE : 124–127.
18. ^ Ф. Тагибахш; к. С. Карим (2007). «Двухтранзисторный активный пиксельный датчик для цифрового рентгеновского изображения с высоким разрешением». IEEE Международное совещание по электронным устройствам : 1011–1014.
19. ^ IEEE СДЕЛКИ НА ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВАХ, ТОМ. 50, № 1 января 2003 года

Дальнейшее чтение [ редактировать ]

• Мэри Дж. Хьюитт; Джон Л. Вампола; Стивен Х. Блэк; Кэролин 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. дои : 10,1117 / 12,178474 ,

• Марк Д. Нельсон; Джеррис Ф. Джонсон; Терренс С. Ломхайм (ноябрь 1991). «Общие шумовые процессы в гибридных инфракрасных фокальных плоскостях». Оптическая инженерия . Международное общество оптической инженерии. 30 (11): 1682–1700. Bibcode : 1991OptEn..30.1682N , дои : 10,1117 / 12,55996 ,

Внешняя ссылка [ редактировать ]