Senzor CMOS

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 28 decembrie 2020; verificările necesită 2 modificări .

CMOS-matrix este o matrice  sensibilă la lumină , realizată pe baza tehnologiei CMOS .

Matricele CMOS utilizează tranzistoare cu efect de câmp cu poartă izolată cu canale de conductivitate diferită.

Circuit echivalent al unei celule matrice CMOS: 1 - element fotosensibil (fotodioda); 2 - obturator; 3 - condensator care stochează sarcina de la diodă; 4 - amplificator; 5 - magistrala de selectie a randurilor; 6 - magistrală verticală care transmite un semnal către procesor; 7 - resetare semnal. [unu]

Istorie

La sfârşitul anilor 1960 Mulți cercetători au observat că structurile CMOS sunt sensibile la lumină. Cu toate acestea , dispozitivele cuplate cu încărcare au oferit o sensibilitate la lumină și o calitate a imaginii atât de mai ridicate încât senzorii CMOS nu au primit nicio dezvoltare notabilă.

La începutul anilor 1990, caracteristicile senzorilor CMOS, precum și tehnologia de fabricație, au fost mult îmbunătățite. Progresele în fotolitografia submicronică au făcut posibilă utilizarea unor compuși mai subțiri în senzorii CMOS. Acest lucru a condus la o creștere a sensibilității la lumină datorită unui procent mai mare din zona iradiată a matricei.

O revoluție în tehnologia senzorilor CMOS a avut loc atunci când Jet Propulsion Laboratory (JPL ) al NASA a implementat cu succes Active Pixel Sensors (APS) - senzori activi de pixeli [2] . Studiile teoretice au fost efectuate cu câteva decenii în urmă, dar utilizarea practică a senzorului activ a fost amânată până în 1993. APS adaugă un amplificator de citire a tranzistorului la fiecare pixel, ceea ce face posibilă convertirea sarcinii în tensiune direct la pixel. Acest lucru a oferit și acces aleatoriu la fotodetectoare, similar cu cel implementat în cipurile RAM.

Ca urmare, până în 2008, CMOS a devenit practic o alternativă la CCD.

În 2011 , la MWC din Barcelona, ​​Samsung a demonstrat un nou tip de senzori CMOS care vizează aplicațiile pentru smartphone-uri.

Cum funcționează

• Resetați semnalul înainte de fotografiere
• În timpul expunerii, încărcarea este acumulată de fotodiodă
• În procesul de citire, valoarea tensiunii de pe condensator este eșantionată

Beneficii

• Principalul avantaj al tehnologiei CMOS  este consumul redus de energie statică. Acest lucru permite utilizarea unor astfel de matrici ca parte a dispozitivelor nevolatile, de exemplu, în senzorii de mișcare și sistemele de supraveghere, care sunt de cele mai multe ori în modul „sleep” sau „așteptați un eveniment”.
• Un avantaj important al matricei CMOS este unitatea tehnologiei cu restul elementelor digitale ale echipamentului. Acest lucru duce la posibilitatea combinării pieselor analogice, digitale și de procesare pe un singur cip (tehnologia CMOS, fiind în primul rând o tehnologie de procesor, presupune nu numai „captarea” luminii, ci și procesul de conversie, procesare, curățare a semnalelor nu numai și componente REA terțe), care au servit drept bază pentru miniaturizarea camerelor pentru o mare varietate de echipamente și reducerea costului acestora datorită respingerii cipurilor de procesor suplimentare.
• Folosind mecanismul de acces aleatoriu, puteți citi grupuri selectate de pixeli. Această operație se numește citire încadrată ( eng.  windowing readout ). Decuparea vă permite să reduceți dimensiunea imaginii capturate și să creșteți potențial viteza de citire în comparație cu senzorii CCD, deoarece în aceștia din urmă toate informațiile trebuie încărcate pentru procesare ulterioară. Devine posibilă utilizarea aceleiași matrice în moduri fundamental diferite. În special, citind rapid doar o mică parte a pixelilor, este posibil să se ofere un mod de vizualizare a imaginii live de înaltă calitate pe ecranul încorporat în dispozitiv cu un număr relativ mic de pixeli. Puteți scana doar o parte a cadrului și îl puteți aplica pentru a fi afișat pe întreg ecranul. Astfel, pentru a obține posibilitatea focalizării manuale de înaltă calitate. Este posibil să se efectueze reportaje la viteză mare cu o dimensiune și o rezoluție mai mică a cadrului.
• Pe lângă amplificatorul din interiorul pixelului, circuitele de amplificare pot fi plasate oriunde de-a lungul căii semnalului. Acest lucru vă permite să creați cascade de amplificare și să creșteți sensibilitatea în condiții de iluminare slabă. Abilitatea de a modifica câștigul pentru fiecare culoare îmbunătățește în special echilibrarea albului .
• Producția ieftină în comparație cu matricele CCD, în special cu matricele mari.

Dezavantaje

• Fotodioda celulei ocupă o zonă semnificativ mai mică a elementului senzor, în comparație cu un CCD de transfer full-frame . Prin urmare, primii senzori CMOS aveau o sensibilitate la lumină semnificativ mai mică decât CCD-urile. Dar în 2007, Sony a lansat o nouă linie de camere video CMOS de nouă generație și camere cu tehnologia Exmor , care anterior fuseseră folosite doar pentru senzorii CMOS în dispozitive optice specifice, cum ar fi telescoapele electronice . În aceste matrici, „legarea” electronică a pixelului, care împiedică fotonii să ajungă la elementul fotosensibil, a fost mutată din stratul superior în cel inferior al matricei, ceea ce a făcut posibilă creșterea atât a dimensiunii fizice a pixelului cât și a aceleași dimensiuni geometrice ale matricei și accesibilitatea elementelor la lumină, ceea ce, în consecință, a crescut sensibilitatea fiecărui pixel și a matricei în ansamblu. Matricele CMOS pentru prima dată în comparație cu matricele CCD în sensibilitatea la lumină, dar s-au dovedit a fi mai economisitoare de energie și lipsite de principalul dezavantaj al tehnologiei CCD - „frica” de lumina punctuală. În 2009, Sony a îmbunătățit senzorii EXMOR CMOS cu tehnologia „Iluminare de fundal”. Ideea tehnologiei este simplă și corespunde pe deplin numelui.
• Fotodioda celulei matricei are o dimensiune relativ mică, în timp ce valoarea tensiunii de ieșire rezultată depinde nu numai de parametrii fotodiodei în sine, ci și de proprietățile fiecărui element pixel. Astfel, fiecare pixel al matricei are propria sa curbă caracteristică și există o problemă de dispersie a fotosensibilității și raportului de contrast al pixelilor matricei. Ca urmare a acestui fapt, primele matrice CMOS produse au avut o rezoluție relativ scăzută și un nivel ridicat de așa-numitul „zgomot de tipar” ( zgomot de model în engleză  ).
• Prezența pe matrice a unui volum mare de elemente electronice în comparație cu fotodioda creează o încălzire suplimentară a dispozitivului în timpul procesului de citire și duce la o creștere a zgomotului termic.

Vezi și

• CMOS
• Sisteme optice
• filtru Bayer
• CCD

Note

1. ↑ CCD vs CMOS: fapte și ficțiune. Arhivat la 27 februarie 2008 la Wayback Machine - Retipărit din numărul din ianuarie 2001 al revistei PHOTONICS SPECTRA© de Laurin Publishing Co. Inc.  (Engleză)
2. ↑ Principiul de funcționare și proiectare a senzorilor cu pixeli activi (Principles of Operation and Design of the Active-Pixel Sensors Preprint, Inst. Appl. Math., Academia Rusă de Științe). Copie arhivată din 8 octombrie 2016 la Wayback Machine Ovchinnikov A.M., Ilyin A.A., Ovchinnikov M.Yu.

Literatură

• Viktor Belov. Lumină pentru memorie  // „Foto & video” : revistă. - 2005. - Nr. 3 . - S. 72-75 . (Rusă)

Link -uri