CMOS érzékelő

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2020. december 28-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 2 szerkesztést igényelnek .

A CMOS-mátrix egy fényérzékeny mátrix , amely CMOS technológia alapján készült .

A CMOS mátrixok szigetelt kapu térhatású tranzisztorokat használnak különböző vezetőképességű csatornákkal.

Egy CMOS mátrix cella egyenértékű áramköre: 1 - fényérzékeny elem (fotodióda); 2 - redőny; 3 - kondenzátor, amely tárolja a töltést a diódáról; 4 - erősítő; 5 - sorválasztó busz; 6 - függőleges busz, amely jelet továbbít a processzornak; 7 - reset jel. [egy]

Történelem

Az 1960 -as évek végén Sok kutató megjegyezte, hogy a CMOS-struktúrák érzékenyek a fényre. A töltéscsatolt eszközök azonban olyan magasabb fényérzékenységet és képminőséget biztosítottak, hogy a CMOS-érzékelők nem kaptak észrevehető fejlődést.

Az 1990-es évek elején a CMOS érzékelők jellemzői, valamint a gyártási technológia nagymértékben javultak. A szubmikronos fotolitográfia fejlődése lehetővé tette vékonyabb vegyületek alkalmazását a CMOS érzékelőkben. Ez a fényérzékenység növekedéséhez vezetett a mátrix besugárzott területének nagyobb százaléka miatt.

A CMOS szenzortechnológiában forradalom következett be, amikor a NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL ) sikeresen bevezette az Active Pixel Sensors (APS) – aktív pixelérzékelőket [2] . Az elméleti tanulmányokat több évtizeddel ezelőtt végezték, de az aktív szenzor gyakorlati felhasználása 1993-ra tolódott vissza. Az APS minden pixelhez egy tranzisztoros kiolvasó erősítőt ad, amely lehetővé teszi a töltés feszültséggé alakítását közvetlenül a pixelnél. Ez véletlenszerű hozzáférést is biztosított a fotodetektorokhoz, hasonlóan a RAM-chipekben megvalósítotthoz.

Ennek eredményeként 2008-ra a CMOS gyakorlatilag a CCD-k alternatívája lett.

2011 - ben a barcelonai MWC-n a Samsung egy új típusú CMOS érzékelőt mutatott be, amelyek az okostelefon-alkalmazásokat célozzák meg.

Hogyan működik

Állítsa vissza a jelet felvétel előtt
Az expozíció során a töltést a fotodióda halmozza fel
A leolvasás során a kondenzátor feszültségértékét mintavételezzük

Előnyök

A CMOS technológia fő előnye az alacsony statikus energiafogyasztás. Ez lehetővé teszi az ilyen mátrixok használatát nem illékony eszközök részeként, például mozgásérzékelőkben és megfigyelőrendszerekben, amelyek legtöbbször „alvó” vagy „eseményre vár” módban vannak.
A CMOS mátrix fontos előnye a technológia egysége a berendezés többi, digitális elemével. Ez lehetővé teszi az analóg, digitális és feldolgozó részek egyetlen chipen történő kombinálását (a CMOS technológia, mivel elsősorban processzor technológia, nemcsak a fény „befogását”, hanem a jelek átalakításának, feldolgozásának, tisztításának folyamatát is magában foglalja és harmadik féltől származó REA komponensek), amelyek alapjául szolgáltak a kamerák miniatürizálásához a legkülönfélébb berendezésekhez, és csökkentik azok költségeit a további processzorchipek elutasítása miatt.
A véletlen hozzáférési mechanizmus segítségével kiválasztott pixelcsoportokat olvashat ki. Ezt a műveletet keretes olvasásnak ( angl. windowing readout ) nevezik. A vágás lehetővé teszi a rögzített kép méretének csökkentését és a kiolvasási sebesség növelését a CCD érzékelőkhöz képest, mivel az utóbbiakban minden információt fel kell tölteni a további feldolgozáshoz. Lehetővé válik, hogy ugyanazt a mátrixot alapvetően különböző módokban használjuk. Konkrétan a pixelek csak kis részének gyors beolvasásával lehet viszonylag kis pixelszámmal jó minőségű élőkép megtekintési módot biztosítani a készülékbe épített képernyőn. A keretnek csak egy részét szkennelheti be, és alkalmazhatja a teljes képernyőn való megjelenítésre. Így a kiváló minőségű kézi élességállítás lehetőségének elérése érdekében. Lehetőség van nagysebességű riportfelvételek készítésére kisebb keretmérettel és felbontással.
A pixel belsejében lévő erősítőn kívül erősítő áramkörök is elhelyezhetők bárhol a jelút mentén. Ez lehetővé teszi erősítő kaszkádok létrehozását és az érzékenység növelését rossz fényviszonyok mellett. Az egyes színek erősítésének módosítása különösen javítja a fehéregyensúlyt .
A gyártás olcsósága a CCD mátrixokhoz képest, különösen a nagy mátrixokhoz képest.

Hátrányok

A cella fotodiódája lényegesen kisebb területet foglal el az érzékelőelemen, mint a teljes képkocka átviteli CCD . Ezért a korai CMOS-érzékelők fényérzékenysége lényegesen alacsonyabb volt, mint a CCD-ké. De 2007-ben a Sony piacra dobta az új generációs CMOS video- és kamerakamerák új sorozatát Exmor technológiával , amelyet korábban csak meghatározott optikai eszközökben, például elektronteleszkópokban használtak CMOS- érzékelőkhöz . Ezekben a mátrixokban a pixel elektronikus „megkötése”, amely megakadályozza , hogy a fotonok elérjék a fényérzékeny elemet, a mátrix felső rétegéből az alsó rétegbe került áthelyezésre, ami lehetővé tette mind a pixel fizikai méretének növelését. a mátrix azonos geometriai méretei és az elemek fényhez való hozzáférhetősége, ami ennek megfelelően növelte az egyes pixelek és a mátrix egészének érzékenységét. A CMOS mátrixok először összehasonlították a CCD-mátrixokkal a fényérzékenységet, de energiatakarékosabbnak bizonyultak, és mentesek a CCD technológia fő hátrányától - a pontfénytől való "félelemtől". 2009-ben a Sony "Backlight illumination" technológiával fejlesztette tovább az EXMOR CMOS érzékelőket. A technológia ötlete egyszerű és teljes mértékben megfelel a névnek.
A mátrixcella fotodiódája viszonylag kis méretű, míg az így létrejövő kimeneti feszültség értéke nem csak magának a fotodiódának a paramétereitől függ, hanem az egyes pixelelemek tulajdonságaitól is. Így a mátrix minden pixelének saját karakterisztikus görbéje van, és a mátrix pixeleinek fényérzékenységének és kontrasztarányának diszperziós problémája van . Ennek eredményeként az elsőként előállított CMOS-mátrixok viszonylag alacsony felbontásúak és magas szintű úgynevezett „mintazaj” ( angolul pattern noise ) voltak.
A mátrixon a fotodiódához képest nagy mennyiségű elektronikus elem jelenléte az eszköz további melegítését okozza az olvasási folyamat során, és a termikus zaj növekedéséhez vezet.

Lásd még

Jegyzetek

↑ CCD vs CMOS: tények és fikció. Archiválva : 2008. február 27. a Wayback Machine -nél – Újranyomva a PHOTONICS SPECTRA© 2001. januári számából, Laurin Publishing Co. Inc. (Angol)
↑ Az aktív pixeles érzékelők működési és tervezési elve (Principles of Operation and Design of the Active-Pixel Sensors Preprint, Inst. Appl. Math., Orosz Tudományos Akadémia). 2016. október 8-i archivált példány a Wayback Machine -nél Ovchinnikov A.M., Ilyin A.A., Ovchinnikov M.Yu.

Irodalom

Belov Viktor. Fény az emlékezéshez // "Foto és videó" : magazin. - 2005. - 3. sz . - S. 72-75 . (Orosz)