Aktiv pixelsensor

En Active Pixel Sensor ( APS ; tysk aktiv pixelsensor ) är en halvledardetektor för mätning av ljus som tillverkas med CMOS -teknik och kallas därför ofta CMOS -sensor . Till skillnad från den passiva pixelsensorn, som också tillverkas med CMOS -teknik, innehåller varje bildelement en förstärkarkrets för avläsning av signaler .

Genom att använda CMOS-teknik gör det möjligt att integrera ytterligare funktioner i sensorkretsen, till exempel exponeringskontroll, kontrastkorrigering eller analog-digital-omvandlaren .

CMOS -sensorer finns i smartphones och vissa digitalkameror , medan konkurrerande teknik, CCD -sensorer , är inbyggd i videokameror och andra digitalkameror.

En av de första CMOS-APS, utvecklade av NASA

Arbetsprincip

Schematiskt diagram över en enda pixel i en AP -sensor

Den enklaste implementeringen av ett integrerande APS-bildelement består av en fotodiod , som manövreras i omvänd riktning, som ett ljuskänsligt element och tre n-kanals MOSFET ( fälteffekttransistorer ). I början av exponeringsmätningen spänningen är över fotodioden inställd på ett definierat initialvärde med hjälp av återställnings transistor, här är den tröskelspänning på transistor . Under den efterföljande mätningen ljusstyrka, den korsningen kapacitans är fotodioden utmatas av fotoströmmen . Spänningen över fotodioden sjunker proportionellt mot strålningen och exponeringstiden . Efter att exponeringstiden har gått ut läses detta spänningsvärde ut och skickas till analog efterbehandling eller omedelbart till en analog-digital omvandlare . För detta ändamål har varje bildelement en förstärkartransistor som med hjälp av urvalstransistorn vanligtvis i kolumner växlas till en utläsningslinje som är gemensam för alla bildelement i en rad.

Jämfört med CCD -sensorer finns det fördelen att elektroniken kan läsa ut spänningssignalen för varje enskild pixel direkt utan att behöva flytta laddningarna , vilket resulterar i en betydligt lägre tendens att blomma . Nackdelen är att det finns mycket elektronik mellan de ljuskänsliga fotodioderna som inte själva är ljuskänsliga, vilket ursprungligen ledde till en lägre ljuskänslighet jämfört med CCD-teknik med samma chipområde. Eftersom den nödvändiga integrationstätheten för att vara konkurrenskraftig med CCD ännu inte hade uppnåtts, var denna teknik fortfarande meningslös under 1970- och 1980 -talen.

CMOS -sensorer kan produceras mer kompakta och billigare. Eftersom varje pixel kan adresseras direkt är pixelbinning enklare och avläsning är mycket mer flexibel och snabbare. Delbilder kan till och med läsas upp delvis. Dessutom är strömförbrukningen betydligt lägre och blomningen begränsad. Ytterligare funktionella enheter som exponeringskontroll och analog-till-digital-omvandlare kan också integreras i bildsensorerna som tillverkas med CMOS-teknik . Strukturen för en aktiv CMOS -cell består av en fotodiod , en liten kondensator för laddningsabsorption, ett förstärkareelement och datalinjerna för avläsning och återställning.

En sådan aktiv cell kallas en Active Pixel Sensor (APS). Fotocellen som genereras av fotoelektrisk effekt , en spänning som är proportionell mot mängden ljus är därför ljusintensiteten och exponeringstiden . Laddningsspänningen lagras i kondensatorn och förstärks av nedströms MOSFET . Den förstärkta laddningsspänningen avläses av en avläst puls. Därifrån det skickas till bearbetningssignalprocessorn .

Precis som andra bildsensorer kan CMOS -sensorn bara skilja mellan ljus och mörker, men inte färgerna. Färgigenkänningen kan endast ske via uppströms färgfilter, som delar upp ljuset i dess primära färger rött, grönt och blått. Varje pixel i en CMOS -sensor matas endast med ljus av en grundfärg via ett sådant uppströms färgfilter . De färgfilter som används för detta, som består av regelbundet arrangerade röda, gröna och blåa färgfilter, kan vara Bayer -filter eller störningsfilter .

berättelse

Aktiva pixelsensorer uppfanns av Eric Fossum vid Jet Propulsion Laboratory på 1990 -talet . För detta fick han Queen Elizabeth Prize for Engineering 2017 .

På grund av avläsningselektroniken, som initialt var svår att minska i storlek, var fyllningsfaktorn, det vill säga andelen av det ljuskänsliga området i den totala ytan av en pixel, bara 30 procent, dvs laddningsutbytet var lågt ( alltså också den uppnåbara signalstyrkan), vilket resulterade i dåligt signal-brus-förhållande och manifesterade sig i starkt bildbrus med dålig ljuskänslighet . Dessa nackdelar minskades först senare genom intensiv vidareutveckling av miniatyrisering av CMOS-teknik och genom användning av mikrolinser ovanför varje bildelement, som leder allt infallande ljus mot den ljuskänsliga delen.

tillämpningsområden

AP -sensorer används som bildsensorer i digitalkameror och videokameror . Idag används de i olika digitala SLR -kameror . Sådana sensorer är praktiskt taget de enda som används i mobiltelefoner med kamerafunktioner.

CCD-sensorer används för närvarande nästan uteslutande i videokameror , men 2005 släppte Sony HDR-HC1 , en HD- videokamera som använder en AP-sensor. AP -sensorer används också i många industrikameror. År 2004 släppte Münchenföretaget ARRI D-20, en videokamera som använder en AP-sensor med en bildupplösning på 2880 × 1620 pixlar. Dess storlek motsvarar det aktiva bildområdet för en 35 mm film , vilket bör tillåta användning av generiska filmkameralinser och justera skärpedjupet för bilderna till filmens. Ibland installeras en separat CMOS-sensor för varje grundfärg (så kallad 3MOS-sensor), så att större färgmättnad uppnås även med lägre ljusstyrka.

En speciell form av CMOS -bildsensorer är fotodiodmatriserna , som nästan är en n × 1 CMOS -bildsensor. Som regel används de bara i inbäddade applikationer, det vill säga applikationer där bilden inte ses eller utvärderas av människor. Exempel på detta är streckkodsläsare och vinkelsensorer.

Färgbildsensorer

För att spela in en färgbild måste minst tre våglängdsområden för ljuset registreras separat, vanligtvis tilldelas de primära färgerna rött, grönt och blått. Detta sker när en sensor används ofta av pixlarna överlagrade färgfiltermosaik, till exempel Bayermönster (engl. Bayermönster ). Till skillnad från CCD -sensorer kan denna färgseparation också utföras i samma pixel med CMOS -sensorer genom att stapla tre fotodioder ovanpå varandra, vilka uppnås med olika färger på grund av de olika penetrationsdjupen hos de olika ljusvåglängderna. Sådana sensorer används kommersiellt av Sigma -företaget under namnet Foveon X3 i digitalkameror . En alternativ design som kallas transversal fältdetektor undersöks.

Skillnader mot CCD -sensorer

Inledningsvis hoppades man på billig produktion med en större produktionsvolym, med antagandet att sensorerna kunde tillverkas på produktionslinjerna som är konstruerade för stora mängder utan eftermontering, vilket resulterar i lägre produktionskostnader per chip. Detta har inte bekräftats (från och med 2001). Men i chips med aktiva pixelsensorer ofta delar av periferikretsen, till exempel analog-till-digital-omvandlare , klockgenerering , timing- sequencer och integrerad spänningsnivåjustering, vilket mer kompakta och övergripande kostnadssystem tillåter.

En grundläggande fördel med APS ligger i förstärkaren som finns i varje pixel, så att enskilda förstärkare inte behöver användas för flera pixlar, vilket är fallet med CCD: er. Som ett resultat kan varje förstärkare vid en given pixelhastighet drivas med en lägre bandbredd och därmed lägre självbrus. År 2013 uppnådde AP -sensorer ett ingångsljud på 1-2 fotoner med en bildskanning på över fyrahundra megapixlar per sekund, med sensorerna som består av 4–10 MPixel och en kvanteffektivitet på över 70%. Om bara en aspekt dominerar kan dock CCD: er vara fördelaktiga: EMCCD används för att detektera färre fotoner med mycket lite brus ; CCD kan tillverkas med kvanteffektivitet nära hundra procent i ett begränsat spektralområde, och deras låga mörka ström resulterar i ett litet bildbrus med mycket långa exponeringstider.

CMOS-bildsensorer har ofta en högre känslighet i NIR-området ( nära infraröd , kortvågig infraröd strålning ) än CCD-sensorer. Med många CMOS -sensorer är den maximala känsligheten i NIR -området (> 650 nm), medan CCD -sensorer har maximalt inom det synliga området (grönt ljus, 550 nm).

Följande lista över fördelar och nackdelar med CMOS -sensorer jämfört med CCD -sensorer avser allmänna uttalanden om standardkomponenter. Specialiserade sensorer kan ha väsentligt olika egenskaper i båda teknikerna.

Fördelar (med CMOS -sensorerna):

  • Lägre strömförbrukning
  • Mindre (enhet) storlek, genom integration av utvärderingslogiken på samma chip ( system på ett chip )
  • Vissa bearbetningssteg kan utföras direkt i pixelförstärkaren, t.ex. B. Logaritmisering av HDRC -sensorn ( CMOS med högt dynamiskt område ).
  • Genom att bearbeta varje pixel separat (omvandla laddningar till spänningar):
    • Mycket höga bildhastigheter jämfört med en CCD av samma storlek (snabb förhandsvisning, videofunktion)
    • Mer flexibel läsning genom direkt adressering ( binning , multipel läsning, samtidig läsning av flera pixlar)
    • Mycket begränsad blommande effekt

Nackdel:

  • separat omvandling av laddningen till spänning för varje pixel och integration av utvärderingslogiken leder till:
    • större skillnader i känslighet mellan pixlarna ( enhetlighet ) på grund av tillverkningstoleranser, vilket leder till större färgbrus i Bayer -sensorer , och
    • en lägre fyllningsfaktor (förhållandet mellan ljuskänsligt och total pixelarea), med konsekvensen av en övergripande sämre ljuskänslighet.

Se även

webb-länkar

Commons : CMOS -sensorer  - samling av bilder, videor och ljudfiler

Individuella bevis

  1. ↑ Viktor Kuryan: Bildsensorer
  2. ↑ Bruce G. Batchelor: Kameror . I Machine Vision Handbook , Springer- Verlag 2012, ISBN 978-1-84996-168-4 , s.383
  3. ↑ YouTube: tvärgående fältdetektor
  4. ↑ Eric R Fossum: Kommentar om transversal fältdetektor
  5. ↑ a b Dave Litwiller: CCD vs.CMOS: Fakta och skönlitteratur ( Memento den 8 april 2011 i Internetarkivet ) (PDF; 395 kB). I: Photonics Spectra. Nr 1, 2001, s. 154-158.
  6. ^ Vu, Paul; Fowler, Boyd; Liu, Chiao; Mims, Steve; Balicki, Janusz; Bartkovjak, Peter; Gör, Hung; Li, Wang: Högpresterande CMOS-bildsensorer på BAE SYSTEMS Imaging Solutions , bibcode : 2012SPIE.8453E..0DV .
  7. ↑ Junichi Nakamura: CMOS-bildsensorer med hög upplösning och hög bildhastighet för avancerade DSC / DVC-applikationer , Aptina (se: Chipworks 6th Annual Image Sensors Conference ( Memento från 6 maj 2013 i Internetarkivet ), Blogg, 2013 )