Fra lys til signal: Undersøgelse af mekanismerne for CCD- og CMOS -sensorer

Billedsensorer omdanner lys til elektroniske signaler, hvilket muliggør digital billeddannelse i kameraer og optiske enheder.Disse sensorer danner grundlaget for moderne visuelle systemer, der fanger data med høj opløsning gennem præcise fotoelektriske konverteringsmekanismer.

Katalog

Indledning

En billedsensor, ofte benævnt et fotosfølsomt element, er en udsøgt enhed, der omdanner et optisk billede til et elektronisk signal, der bringer magien til at fange øjeblikke gennem digitale øjne.Det spiller en væsentlig rolle i det komplicerede design af digitale kameraer og forskellige andre elektroniske optiske enheder.Ved hjælp af de fotoelektriske konverteringsfunktioner, der er forbundet med fotoelektriske enheder, oversætter billedføleren det lette billede, der er fanget på sin lysfølsomme overflade til elektriske signaler, der opretholder et direkte forhold til det originale lysbillede.I modsætning til enkle "punkt" lyskilder, såsom fotodioder og fototransistorer, opdeler billedføleren unikt det lette billede på sin modtagelige overflade til adskillige små enheder, hvilket konverterer de visuelle oplysninger til elektriske signaler, der er egnede til videre behandling.

CCD -billedsensorer og deres forviklinger

Spændende definition af CCD -billedsensor

På fotograferingsområdet fungerer CCD som en sofistikeret teknologisk komponent, der serverer dem med en forkærlighed for finere billedkvalitet.I modsætning hertil finder CMOS sin plads i scenarier, hvor høj billedklarhed ikke er det primære fokus.Man kan muligvis sætte pris på lokkemåden af ​​CMO'er med dets overkommelige produktionsomkostninger og imponerende lave effektkrav sammenlignet med den mere traditionelle CCD.På trods af deres teknologiske kløft forbliver forskellene i deres resultater subtile.For eksempel beder CMOS -kameraer og kræver en mere raffineret lyskilde, en udfordring, der stort set overvindes i dag.CCD -elementerne måler typisk omkring 1/3 tommer til 1/4 tommer.Når pixeltætheden er ækvivalent, er et større element ofte et mere ønskeligt valg.

Rejsen for CCD begyndte i 1969 på Bell Labs, der blomstrede i masseproduktion, især omfavnet af japanske virksomheder.Dens fortælling spænder over næsten tre årtier, der blomstrer i to forskellige typer: lineære og område CCD'er.Lineære CCD'er egner sig til billedscannere og faxmaskiner, mens CCD'er i området blomstrer inden for riger såsom digitale kameraer, videokameraer og sikkerhedsovervågning.

I det væsentlige står CCD'er som de digitale efterfølgere til traditionel film og spejler det ældgamle princip om lysfølsomme kemikalier på film.Dette sofistikerede medium, udformet af halvledermaterialer med høj følsomhed, omdanner lys til elektriske ladninger og derefter til digitale signaler gennem en analog-til-digital konverter.Disse digitale signaler, når de først er fanget, komprimeres og ligger dybt i et kameras interne hukommelse eller harddiskkort, der tilbyder bekvemmeligheden ved computeroverførsel til yderligere billedforfining.

Den komplekse dans fra en CCD -billedsensors arbejdsprincip

En CCD er et ensemble af utallige lysfølsomme enheder, der hver typisk måles i megapixel.Når den er prydet af lys, kaster hver enhed sin ladning og smelter derved til et sammenhængende billede, når deres output konvergerer.

Selve essensen af ​​en CCD er en MOS-kondensator, en tilflugt for elektriske ladninger, som illustreret i figur 1. Overvej P-type silicium: på dens overflade ligger et SiO2-lag, født gennem oxidation, toppet med et metallisk lag, der fungerer som en port.Majoritetsbærere i silicium af P-type er positivt ladede huller;Minoritetsbærere er negativt ladede elektroner.Påføring af en positiv spænding på metalelektroden skaber et elektrisk felt, der manipulerer disse bærere via SiO2 -isoleringslaget.Følgelig trækkes positivt ladede huller tilbage fra elektroden, hvilket efterlader elektroner standhaftige nær SiO2, hvilket danner et negativt ladningslag, et fænomen, der ofte er beskrevet som en elektronfælde eller potentiel brønd.

Når det udsættes for lys, tilskynder fotons energi elektronhullepar inden for halvlederen, med elektroner, der tager tilflugt inden for den potentielle brønd.Lysintensitet korrelerer direkte med elektronakkumulering og giver en håndgribelig omdannelse af lys til ladninger.Bemærkelsesværdigt tåler disse afgifter, selv efter at lyset mindskes og fanger essensen af ​​lyset i hukommelsen.

At forenkle denne komplicerede struktur afslører en minuscule MOS -kondensator, der fungerer som en pixel, der er i stand til at fange et 'latent billede'.Her fører fotosensitivitet til opladningssamling, og den ansvarlige variation blandt pixels danner et latent billede.Effektiv overførsel af afgifter mellem kondensatorer skaber rækker, rammer og i sidste ende bliver et komplet billede en realitet.

Fascinerende funktioner i CCD -billedsensorer

Høj opløsning: Minutiae af et billedpunkt dykker ned i mikrometerområdet, indfangning og kræsne fine detaljer, hvilket resulterer i forbedret billedkvalitet.Pixel-tællinger er steget fra lidt over 100.000 til en imponerende 4-5 millioner pixels fra 1 tommer til 1/9 tommer elementer.

Lav støj og misundelsesværdig følsomhed: CCD'er er kendetegnet ved minimal læsestøj og mørk strømstøj, berigende signal-til-støjforhold og forlænger deres følsomhed over for endda svagt lys.Derfor fungerer CCD'er med færre begrænsninger fra eksterne forhold.

Bred dynamisk rækkevidde: CCDS skelner og fanger samtidig både intens og svagt lys, hvilket udvider operationelle miljøer uden at bukke under for skarp lysstyrke.

Priserbar linearitet: Et proportionalt forhold mellem den indfaldende lysintensitet og udgangssignal sikrer, at objektoplysninger registreres nøjagtigt, hvilket resulterer i færre behandlingsomkostninger til signalkompensation.

Høj kvanteeffektivitet: Selv svage lyskilder fanges, og når de kombineres med billedforstærkere og projektorer, bliver fjerntliggende scener synlige, selv om natten.

Ekspansivt synsfelt: CCD-chips i stort område, udformet gennem halvlederteknologi, er begyndt at udskifte traditionelle film i digitale kameraer, en overgangspivotal til professionel fotografering.

Bredspektral respons: i stand til at detektere en lang række bølgelængder, forbedrer CCDS -systemfleksibilitet og udvider applikationsdomænerne.

Nedsat billedforvrængning: Med CCD -sensorer repræsenterer billedbehandling trofast den sande natur af objekter sans forvrængning.

Kompakthed og let integration: Kompakt og let, CCD'er finder lette anvendelser i satellitter og navigationssystemer.

Effektiv ladningsoverførsel: Integreret med forøgelse af signal-til-støjforhold og -opløsning, dårlig ladningsoverførsel resulterer i slørede billeder, hvilket understreger ekspertisen af ​​dette aspekt inden for CCD-sensorer.

CMOS -teknologi

Forståelse af CMOS -billedsensorer

CMOS -fremstillingsprocessen er parallel med typiske computerchips, der er stærkt afhængige af silicium- og germanium halvledere.Denne dobbeltmateriale-sammensætning muliggør sameksistens af en negativt ladet N-type og en positivt ladet P-type halvleder inden for CMO'erne.Gennem disse komplementære egenskaber produceres, indfanges og omdannes strømme til billeder via en behandlingschip.Over tid afslørede innovation CMOS's evne til at fungere som billedsensor og udvide dens anvendelser til digital fotografering.

En komplementær metaloxid-halvleder eller CMO'er omfatter primært silicium og germanium halvledere.Det fungerer ved at bruge samspillet mellem negativt og positivt ladede transistorer.Billedfangstkapaciteten opstår fra de nuværende disse effekter genererer, som behandlingschippen registrerer og fortolker.

CMOS-billedsensorer genkendes som robuste faststofafbildningsenheder, der deler historiske rødder med CCD-teknologi.En typisk CMOS -billedføler integrerer komponenter såsom billedfølercellearrays, række- og kolonnedrivere, timingkontrollogik, en AD -konverter og grænseflader til databusudgang og -kontrol.Disse elementer fungerer samlet inden for en samlet siliciumchip og udfører processer såsom nulstilling, fotoelektrisk konvertering, integration og aflæsning.

De fotoelektriske konverteringsfunktioner i CMOS ligner CCD's;Divergering i de efterfølgende informationsmetoder for information.

Operationelle principper for CMOS -billedsensorer

Pixelstruktur af MOS -transistoren

For at forstå en CMOS -billedføler skal man først forstå den grundlæggende pixelstruktur af MOS -transistoren.Inden for denne opsætning danner en MOS -transistor kombineret med en fotodiode en pixel.Under let integration er MOS -transistoren inaktiv, da fotodioden genererer bærere baseret på hændelseslysintensitet og opbevarer dem i dens PN -kryds (angivet som position ① i diagrammet).

Ved afslutningen af ​​integration sendes en scanningspuls til MOS -transistorporten for at aktivere den.Fotodioden genopretter derefter referencepotentialet, hvilket tillader videostrømstrøm over belastningen.Kilde PN -krydset udfører fotoelektrisk konvertering og bæreropbevaring, med videosignaler læst, når porten modtager en pulsudløser.

CMOS -billedsensor Array -konfiguration

Individuelle pixelstrukturer, dannet af adskillige MOS-transistorer, etablerer et CMOS-billed-element-array.Denne opsætning betegner initiering af lysdetektion ved CMOS -billedføleren.Sammensat af et vandret skiftregister, lodret skiftregister og CMOS-billedfølsomt elementarray (1-lodret skiftregister, 2-horisontalt skiftregister, 3-horisontal scanningskontakt, 4-litterisk scanningsafbryder, 5-billedføler-array, 6-signallinie, 7-billedføler), denne array danner kernesensorstrukturen.

Hver MOS -transistor fungerer som en switch, drevet af vandrette og lodrette scanningskredsløb.Sekventiel aktivering, lettet af det vandrette skiftregister, muliggør identifikation af kolonner, mens det lodrette skiftregister adresserer hver række systematisk.En typisk pixel omfatter en fotodiode og MOS -transistor, der tjener som en lodret switch, påvirket af pulser fra tilsvarende skiftregistre.Gennem denne konfiguration anvendes referencespænding (bias) sekventielt på hver fotodiode.

Under belysning akkumulerer fotodioden kapacitans via bærergenerering og akkumulerer et signal under integration.Anvendelsen af ​​bias -spænding eksemplificerer en signallæsningsproces, med videosignalstørrelser, der korrelerer med pixellysintensitet.

Arbejdsgang af en CMOS-billedsensor: En tretrinstilgang

Driften af ​​en CMOS-billedføler følger en tri-trin tilgang som afbildet i sit funktionelle blokdiagram:

Trin 1: Lys belyser pixelarrayet og fremkalder en fotoelektrisk respons og genererer ladning inden for pixelenheden.Scenen fokuseret via en billeddannelseslinse på sensorarrayet-en to-dimensionel konstruktion med fotodioder ved hver pixel-oversætter lysintensiteten i elektriske signaler.

Trin 2: Valg af målpixels til drift forekommer via række- og kolonneudvælgelseskredsløb, hvilket gør det muligt at ekstraheres elektriske signaler.Under udvælgelse kan række logikenheden udføre sekventiel eller sammenflettet scanning, også anvendelig på kolonner, hvilket muliggør billedvinduesekstraktion.

Trin 3: Efterbehandling udsendes pixelenhedens signal.Analoge signalbehandlingsenheder og A/D -konvertere transformerer signaler fra billedarray til digital form.Den primære opgave her inkluderer signalforstærkning og støjreduktion, forbedring af signal-til-støjforhold.

Pixel -signaler gennemgår amplifikation og korreleret dobbeltprøvetagning (CDS) til behandling.Enheder i høj kvalitet favoriserer cd'er til at annullere statisk og relateret interferens.Denne teknik involverer sammenligninger med dobbelt output-en udgang er et realtidssignal og et andet et referencesignal-i reduktion af interferens.

Yderligere fordele ved denne metode inkluderer afbødning af KTC -støj, nulstillingsstøj og fast mønsterstøj (FPN) sammen med 1/F -støjreduktion.Det letter signalbehandlingsopgaver som integration, amplifikation, prøveudtagning og opbevaring.Det behandlede signal fortsætter derefter til en analog/digital konverter til digital output.

For funktionelle kameraprogrammer inkorporerer ChIP desuden kontrolkredsløb for eksponering, automatisk forstærkning og timing -synkronisering.Disse mekanismer sikrer sammenhængende drift på tværs af integrerede kredsløb med væsentlige output som synkronisering og linjestart signaler til problemfri kamerafunktion.

Ofte stillede spørgsmål [FAQ]

1. Hvad er funktionen af ​​en billedsensor?

En billedsensor er en enhed, der gør det muligt for et kamera at konvertere lys, specifikt fotoner, til elektriske signaler.Disse signaler fortolkes derefter af kameraet, der hjælper med oprettelsen af ​​billeder.I de tidlige dage af digital fotografering anvendte de første kameraer opladnings-koblede enheder (CCD'er) for at lette overførslen og moduleringen af ​​elektriske ladninger i hele enheden.

2. hvor meget koster en billedsensor?

CMOS-billedsensorer finder vej ind i en række budgetvenlige applikationer.De bruges ofte i enheder som digitale digitale stadig kameraer, personlige digitale assistenter (PDA'er) og mobiltelefoner.Afhængig af den specifikke applikation varierer produktionsomkostningerne for disse sensorer typisk mellem $ 4 og $ 10.

3. Hvordan fungerer kamerasensorer?

I sin kerne involverer forståelse af, hvordan en kamerasensor fungerer, at genkende det øjeblik, hvor lukkeren åbner.Det er på dette tidspunkt, at sensoren fanger fotoner, der kommer ind gennem linsen og omdanner dem til elektriske signaler.Disse signaler læses af kameraets processor, som derefter fortolker dem i farver.Disse farverige data er samlet for at skabe det endelige billede.

4. Hvilken rolle spiller en billedsensor i et CCTV -kamera?

Inden for et IP -kamera er billedføleren ansvarlig for at fange det lys, der trænger ind i linsen.Dette fangede lys omdannes til elektriske signaler, som derefter registreres og betragtes som videooptagelser.Denne proces giver mulighed for overvågning af realtid og afspilning af visuelle data.

5. På hvilke måder påvirker sensorstørrelsen billedkvalitet?

En større sensor i et kamera betyder generelt større fotositter, som kan rumme flere megapixel og bidrage til overlegne billeder med højere opløsning.Et resultat med høj opløsning sikrer, at dine fotos opretholder deres kvalitet, selv når de forstørres til betydelige størrelser.