CMOS snímač

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 28. prosince 2020; kontroly vyžadují 2 úpravy .

CMOS-matice je matice citlivá na světlo , vyrobená na základě technologie CMOS .

CMOS matice používají izolované hradlové tranzistory s efektem pole s kanály různé vodivosti.

Ekvivalentní obvod maticového článku CMOS: 1 - fotocitlivý prvek (fotodioda); 2 - závěrka; 3 - kondenzátor, který ukládá náboj z diody; 4 - zesilovač; 5 - sběrnice pro výběr řádků; 6 - vertikální sběrnice, která přenáší signál do procesoru; 7 - signál reset. [jeden]

Historie

Koncem 60. let 20. století Mnoho výzkumníků poznamenalo, že struktury CMOS jsou citlivé na světlo. Zařízení s nábojovou vazbou však poskytovala tak vyšší citlivost na světlo a kvalitu obrazu, že snímače CMOS nedoznaly žádného výrazného vývoje.

Začátkem 90. let se výrazně zlepšily vlastnosti CMOS snímačů a také výrobní technologie. Pokroky v submikronové fotolitografii umožnily použití tenčích sloučenin v CMOS senzorech. To vedlo ke zvýšení citlivosti na světlo v důsledku většího procenta ozařované oblasti matrice.

Revoluce v technologii snímačů CMOS nastala, když NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL ) úspěšně implementovala Active Pixel Sensors (APS) - aktivní pixelové snímače [2] . Teoretické studie byly provedeny před několika desetiletími, ale praktické využití aktivního senzoru bylo odsunuto až do roku 1993. APS přidává ke každému pixelu tranzistorový čtecí zesilovač, který umožňuje převádět náboj na napětí přímo na pixelu. To také poskytlo náhodný přístup k fotodetektorům, podobný tomu implementovanému v čipech RAM.

V důsledku toho se do roku 2008 CMOS staly prakticky alternativou k CCD.

V roce 2011 na veletrhu MWC v Barceloně společnost Samsung předvedla nový typ snímačů CMOS, které jsou zaměřeny na aplikace pro chytré telefony.

Jak to funguje

Resetujte signál před střelbou
Během expozice je náboj akumulován fotodiodou
V procesu čtení je vzorkována hodnota napětí na kondenzátoru

Výhody

Hlavní výhodou technologie CMOS je nízká statická spotřeba energie. To umožňuje použití takových matic jako součásti energeticky nezávislých zařízení, například v pohybových senzorech a sledovacích systémech, které jsou většinu času v režimu „spánku“ nebo „čekání na událost“.
Důležitou výhodou matice CMOS je jednota technologie s ostatními digitálními prvky zařízení. To vede k možnosti kombinace analogových, digitálních a procesních částí na jednom čipu (technologie CMOS, která je primárně procesorovou technologií, znamená nejen „zachycení“ světla, ale také proces konverze, zpracování, čištění signálů nejen a komponenty REA třetích stran), které sloužily jako základ pro miniaturizaci kamer pro širokou škálu zařízení a snížení jejich nákladů kvůli odmítnutí dalších procesorových čipů.
Pomocí mechanismu náhodného přístupu můžete číst vybrané skupiny pixelů. Tato operace se nazývá rámcové čtení ( anglicky windowing readout ). Oříznutí umožňuje zmenšit velikost snímaného obrazu a potenciálně zvýšit rychlost čtení ve srovnání s CCD snímači, protože do CCD snímačů musí být všechny informace nahrány pro další zpracování. Je možné používat stejnou matici v zásadně odlišných režimech. Zejména rychlým čtením pouze malé části pixelů je možné zajistit vysoce kvalitní režim živého sledování obrazu na obrazovce zabudované v zařízení s relativně malým počtem pixelů. Můžete naskenovat pouze část rámečku a použít ji k zobrazení na celé obrazovce. Tedy získat možnost kvalitního manuálního ostření. Je možné provádět reportážní vysokorychlostní snímání s menší velikostí snímku a rozlišením.
Kromě zesilovače uvnitř pixelu mohou být zesilovací obvody umístěny kdekoli podél signálové cesty. To umožňuje vytvářet zesilující kaskády a zvyšovat citlivost za špatných světelných podmínek. Schopnost měnit zesílení pro každou barvu zlepšuje zejména vyvážení bílé .
Levnost výroby ve srovnání s CCD matricemi, zejména s velkými matricemi.

Nevýhody

Fotodioda buňky zabírá výrazně menší plochu snímacího prvku ve srovnání s full-frame přenosovým CCD . Proto měly dřívější snímače CMOS výrazně nižší světelnou citlivost než CCD. V roce 2007 však společnost Sony uvedla na trh novou řadu videokamer a kamer CMOS nové generace s technologií Exmor , která se dříve používala pouze pro snímače CMOS ve specifických optických zařízeních, jako jsou elektronové dalekohledy . V těchto matricích se elektronická „vazba“ pixelu, která zabraňuje fotonům dostat se k fotocitlivému prvku, přesunula z horní do spodní vrstvy matice, což umožnilo zvětšit jak fyzickou velikost pixelu, tak stejné geometrické rozměry matice a přístupnost prvků ke světlu, což v důsledku toho zvýšilo citlivost každého pixelu a matice jako celku. CMOS matrice poprvé ve srovnání s CCD matricemi v citlivosti na světlo, ale ukázalo se, že jsou energeticky úspornější a postrádají hlavní nevýhodu CCD technologie - "strach" z bodového světla. V roce 2009 společnost Sony vylepšila snímače EXMOR CMOS o technologii „Backlight illumination“. Myšlenka technologie je jednoduchá a plně odpovídá názvu.
Fotodioda maticového článku má relativně malé rozměry, přičemž hodnota výsledného výstupního napětí závisí nejen na parametrech samotné fotodiody, ale také na vlastnostech každého pixelového prvku. Každý pixel matice má tedy svou vlastní charakteristickou křivku a vzniká problém rozptylu fotosenzitivity a kontrastního poměru pixelů matice. V důsledku toho měly první vyrobené matice CMOS relativně nízké rozlišení a vysokou úroveň tzv. „pattern noise“ ( anglicky pattern noise ).
Přítomnost velkého objemu elektronických prvků na matrici ve srovnání s fotodiodou vytváří dodatečné zahřívání zařízení během procesu čtení a vede ke zvýšení tepelného šumu.

Viz také

Poznámky

↑ CCD vs CMOS: fakta a fikce. Archivováno 27. února 2008 na Wayback Machine – přetištěno z ledna 2001 vydání PHOTONICS SPECTRA© od Laurin Publishing Co. Inc. (Angličtina)
↑ Princip činnosti a konstrukce aktivních pixelových senzorů (Principles of Operation and Design of the Active-Pixel Sensors Preprint, Inst. Appl. Math., Ruská akademie věd). Archivovaná kopie z 8. října 2016 ve Wayback Machine Ovchinnikov A.M., Ilyin A.A., Ovchinnikov M.Yu.

Literatura

Viktor Bělov. Světlo pro paměť // "Foto & video" : časopis. - 2005. - č. 3 . - S. 72-75 . (Ruština)