Основно въведение
Други цифрови схеми за обработка на сигнали също могат да бъдат интегрирани в CMOS чипа на сензора за изображения, като AD преобразувател, автоматичен контрол на експозицията, неравномерна компенсация, обработка на баланса на бялото, черно контрол на нивото, гама корекция и т.н., за да се извършват бързи изчисления, дори DSP устройства с програмируеми функции могат да бъдат интегрирани с CMOS устройства за формиране на едночипова цифрова камера и система за обработка на изображения.
През 1963 г. Морисън публикува изчислим сензор, който представлява структура, която може да използва ефекта на световода, за да определи позицията на светлинното петно, което се превърна в началото на развитието на CMOS сензори за изображения. През 1995 г. едночиповият цифров фотоапарат с нисък шум CMOS с активен пикселен сензор беше успешен.
CMOS сензорът за изображения има следните предимства: 1) Възможност за четене на случаен прозорец. Операцията за четене на случайни прозорци е аспект на CMOS сензора за изображения, който е по-добър от CCD по отношение на функцията и се нарича също избор на област от интерес. В допълнение, силно интегрираните характеристики на CMOS сензорите за изображения улесняват отварянето на множество прозорци за проследяване едновременно. 2) Способност за устойчивост на радиация. Като цяло, потенциалната анти-радиационна производителност на CMOS сензорите за изображения има важно подобрение спрямо CCD производителността. 3) Сложността и надеждността на системата. Използването на CMOS сензор за изображения може значително да опрости хардуерната структура на системата. 4) Метод за четене на данни без разрушаване. 5), Оптимизиран контрол на експозицията. Струва си да се отбележи, че поради интегрирането на множество функционални транзистори в пикселната структура, CMOS сензорите за изображения също имат няколко недостатъка, главно два индикатора за шум и скорост на запълване. С оглед на относително превъзходната производителност на CMOS сензорите за изображения, CMOS сензорите за изображения се използват широко в различни области.
САЩ високоскоростен CMOS сензор за изображения с висока разделителна способност
DYNAMAX-11: Новият сензор на Panavision Imaging съдържа глобална електронна технология на затвора за експозиция, която значително подобрява приложенията за промишлени изображения на закрито и на открито. Този новоизлязъл сензор за изображения DYNAMAX-11 е подходящ за индустриални области на изображения като машинно зрение, мониторинг на сигурността, интелигентен транспорт, наука за живота, биомедицина, научни изображения, видео с висока разделителна способност, телевизионно излъчване и др. Това новоиздадено изображение DYNAMAX-11 сензорът съдържа 3,2 милиона пиксела с размер на пиксела 5,0 m×5,0 m. DYNAMAX-11 има следните характеристики:
1: Висока чувствителност, нисък шум. DYNAMAX-11 може да постигне по-малко от 4electronsrms шум в режим на въртяща се експозиция и може да постигне по-малко от 8electronsrms шум в режим на глобална експозиция.
2: Широк диапазон на спектрална реакция, обхващащ от видима до инфрачервена светлина.
3: DYNAMAX-11 има възможност за бърз изход, който може да достигне пълноразмерен 3,2M изход при 60 кадъра в секунда и HDTV 1920*1080 изход при 72 кадъра в секунда.
4: Динамичният обхват във високодинамичен режим може да достигне 120 децибела.
DYNAMAX-11 приема CLCC пакет, който е много удобен за инсталиране, заваряване и структурно проектиране на клиентите. DYNAMAX-11 е подходящ за оптичен размер 3/4 инча. В същото време DYNAMAX-11 отговаря на изискванията за телевизионен формат с висока разделителна способност (HDTV, 1080i, 16:9) и също така проектира 2/3-инчов оптичен формат от 2 милиона пиксела (диагонал 11 мм) в областта на интерес.
Мострите от цветни и черно-бели чипове DYNAMAX-11 се предоставят на клиенти на PVI.
Основен принцип
Основен принцип на работа на CMOS сензора за изображения
Първо, външната светлина облъчва пикселния масив, възниква фотоелектричен ефект и в пикселната единица се генерира съответен заряд. Логическата единица за избор на ред избира съответната пикселна единица на ред според необходимостта. Сигналът на изображението в пикселната единица на реда се предава към съответния модул за обработка на аналогов сигнал и A/D преобразувател през сигналната шина на съответната колона и се преобразува в сигнал за цифрово изображение за изход. Логическата единица за избор на ред може да сканира масива от пиксели прогресивно или презредово. Логическата единица за избор на ред и логическата единица за избор на колона се използват заедно за реализиране на функцията за извличане на прозорец на изображението. Основната функция на блока за обработка на аналогов сигнал е да усилва сигнала и да подобрява съотношението сигнал/шум. Освен това, за да се получи практична камера с квалифицирано качество, в чипа трябва да бъдат включени различни контролни вериги, като контрол на времето на експозиция, автоматичен контрол на усилването и т.н. За да може всяка част от веригата в чипа да работи в съответствие с определеното темпо, трябва да се използват множество сигнали за управление на времето. За да се улесни приложението на камерата, от чипа също се изисква да извежда някои времеви сигнали, като сигнали за синхронизация, сигнали за начало на линия, сигнали за начало на полето и т.н.
Принципът на работа на пикселния масив
Един интуитивен показател за ефективност на сензора за изображения е способността за възпроизвеждане на изображението. И пикселният масив е ключовият функционален модул, пряко свързан с този индекс. Съгласно структурата на пикселната матрица, пикселната единица може да бъде разделена на пасивна пикселна единица PPS (passivepixelschematic), активна пикселна единица APS (activepixelschematic) и логаритмична пикселна единица. Активният пикселен блок APS може да бъде разделен на фотодиоден тип APS, растерен тип APS.
Горепосочените различни единици от пикселни масиви имат свои собствени характеристики, но принципът им на работа е един и същ. Следното първо въвежда техните основни принципи на работа и след това представя характеристиките на различните пикселни единици. Фигурата по-долу е схематична диаграма на единичен пиксел.
(1) Първо влезте в „състояние на нулиране“, след това отворете затворната тръба M. Кондензаторът е зареден до V, а диодът е в обратно състояние;
(2) След това въведете „примерно състояние“. По това време затворната тръба M е затворена и диодът генерира фототок под светлината, за да разреди съхранения заряд на кондензатора. След фиксиран интервал от време количеството заряд, съхраняван в кондензатора C, е пропорционално на светлината. Изображение е взето в масива от чувствителни елементи;
(3) Накрая влиза в „състояние на четене“. По това време отворете гейт тръбата M и прочетете кондензатора C във всеки пиксел един по един. Съхранено зарядно напрежение.
Пасивният пикселен блок PPS се появи най-рано и структурата не се е променила много от появата му. Пасивният пикселен блок PPS има проста структура, висока скорост на запълване на пикселите и относително висока квантова ефективност, но има два съществени недостатъка. Едната е, че неговият шум при четене е сравнително голям и типичната му стойност е 20 електрона, докато типичната стойност на неговия шум при четене за търговски чипове с технология CCD е 20 електрона. Второ, с увеличаване на броя на пикселите, скоростта на четене се увеличава, така че шумът при четене става по-голям.
Квантовият коефициент на полезно действие на фотодиода тип APS е относително висок. Благодарение на приемането на новата технология за премахване на шума, качеството на изходния графичен сигнал е много по-високо от преди. Шумът при отчитане обикновено е 75-100 електрона. C3& е подходящ за приложения от среден и нисък клас.
В APS структурата от решетъчен тип шумът с фиксиран модел е потиснат. Неговият шум при четене е 10-20 електрона. Но неговият процес е по-сложен и не може да се разглежда като пълен CMOS процес, строго погледнато. Поради въвеждането на покриващия слой от полисилиций, неговата квантова ефективност е сравнително ниска, особено за синята светлина. Понастоящем общото му предимство в производителността не е много забележимо.
Фактори, влияещи върху производителността
3.1 Шум
Това е основният проблем, който засяга работата на CMOS сензорите. Този вид шум включва шум с фиксиран модел FPN (шум с фиксиран модел), шум от тъмен ток, термичен шум и т.н. Причината за шума с фиксиран модел е, че изходните сигнали, генерирани от лъч от една и съща светлина, осветяващ два различни пиксела, не са напълно еднакви. По този начин се въвежда шум. За справяне с шума с фиксиран модел могат да се приложат техники за двойно вземане на проби или корелирани техники за двойно вземане на проби. По-конкретно, това е малко като въвеждане на диференциална двойка при проектиране на аналогов усилвател за потискане на шума в общ режим. Двойното вземане на проби е първо да се прочете сигналът за интегриране на заряда, генериран от осветяването, временно да се съхрани, след това да се нулира пикселната единица и след това да се прочете изходният сигнал на пикселната единица. Сигналът на изображението се получава чрез изваждане на двете. И двата вида семплиране могат ефективно да потискат шума от фиксиран модел. В допълнение, корелираното двойно вземане на проби изисква единица за временно съхранение. С увеличаването на броя на пикселите, единицата за съхранение също се увеличава.
3.2 Тъмно течение
Физическите устройства не могат да бъдат идеални. Подобно на подпраговия ефект, поради примеси, топлина и други причини, дори ако към пиксела не се облъчва светлина, като Елементът също генерира заряди и тези заряди генерират тъмни токове. Трудно е да се направи разлика между тъмен ток и електрически заряд, генериран от светлина. Тъмният поток не е абсолютно еднакъв навсякъде в масива от пиксели и причинява шум с фиксиран модел. За пикселна единица с функция за интегриране, шумът с фиксиран модел, причинен от тъмния ток, е пропорционален на времето за интегриране. Генерирането на тъмен ток също е случаен процес, който е източник на изстрелен шум. Следователно тъмният ток, генериран от термичния шумов елемент, е равен на корен квадратен от броя на тъмните токови електрони в пикселната единица. Когато се използва устройство за дълготрайна интеграция, този тип шум става основният фактор, влияещ върху качеството на сигнала на изображението. За тъмни обекти е необходима дългосрочна интеграция и капацитетът на пикселната единица е ограничен, така че е тъмно. Натрупването на текущи електрони ограничава максималното време на интегриране.
За да се намали влиянието на тъмния ток върху сигнала на изображението, първо могат да се вземат мерки за охлаждане. Охлаждането на чипа обаче далеч не е достатъчно и шумът от фиксиран модел, генериран от тъмния ток, не може да бъде напълно преодолян чрез двойно вземане на проби. Приетият ефективен метод е да се извади референтният сигнал на тъмния ток от получения сигнал на изображението.
3,3 пиксела наситеност и замъгляване при преливане
Подобно на усилвателя, има горна входна граница поради ограничения обхват на линейната област. За чиповете на CMOS сензор за изображения, той също има вход Горната граница. Ако входният светлинен сигнал надхвърли тази горна граница, пикселната единица ще бъде наситена и не може да извърши фотоелектрично преобразуване. За пикселна единица с интегрална функция, горната граница се определя от капацитета на оптоелектронната интегрална единица: за пикселна единица без интегрална функция, горната граница се определя от максималния ток, протичащ през фотодиода или транзистора. Когато входният оптичен сигнал е наситен, възниква замъгляване при преливане. Размазването при преливане се дължи на насищането на фотоелектроните на пикселната единица и изтичане към съседната пикселна единица. Замъгляването при преливане се отразява върху изображението като особено ярка област. Това донякъде прилича на преекспонирането в снимките. Замъгляването при преливане може да бъде преодоляно чрез добавяне на автоматична дренажна тръба в пикселния модул, която може ефективно да разреди излишния заряд. Това обаче само ограничава препълването, но не може да накара пикселите наистина да възстановят изображението.
Пазарен статус
Според компанията за пазарни проучвания CahnersIn-statGroup, продуктите за изображения, базирани на CMOS сензори за изображения, ще достигнат над 50% през следващите няколко години. С други думи, CMOS изображение Сензорът ще замени CCD и ще стане мейнстрийм на пазара. Може да се види, че пазарната перспектива на CMOS камерите е много широка.
През следващите няколко години глобалните продажби на CMOS сензори за изображения ще се увеличат бързо и ще повлияят на традиционните CCD в много приложения за цифрови изображения. Това е така, защото CMOS сензорите за изображения имат две основни предимства: едното е, че цената е с 15% до 25% по-ниска от тази на CCD устройствата; другото е, че структурата на чипа може лесно да се интегрира с други базирани на силиций компоненти, което може ефективно да намали общите разходи на системата. Въпреки че качеството на изображението на CMOS сензорите за изображения в миналото е по-лошо от това на CCD и разделителната способност е по-ниска, но след бързо подобрение, то непрекъснато се доближава до техническото ниво на CCD. Този вид сензор се използва широко в цифрови фотоапарати, електронни играчки и електронни играчки, които изискват по-ниска резолюция. В структурата на камерата на системи за видеоконференции и сигурност.
Цифровата камера с ниска разделителна способност, използваща CMOS сензор за изображения, пусната на пазара от японската Nintendo Co., Ltd., е продала 1 милион бройки през първите два месеца от пускането си на пазара. Mitsubishi Corporation, Motorola, Hewlett-Packard, Toshiba и Intel също изброиха този тип продукти.
Приложение
Приложение на CMOS сензор за изображения
1. Дигитална камера
Хората са използвали филмови фотоапарати от стотици години, през 20-ти век. От 80-те години на миналия век хората са използвали високи технологии, за да разработят CCD цифрови фотоапарати, които не изискват филм. Прави фундаментална промяна в традиционната филмова камера. Появата на евтини FLASHROM, които могат да се записват и управляват с електричество, и появата на евтини CMOS камери с ниска мощност. Открита е нова ситуация за цифровия фотоапарат. Функционалната блокова схема на цифровия фотоапарат е показана на долната дясна фигура.
Както може да се види от фигурата, вътрешното устройство на цифровия фотоапарат е напълно различно от традиционното фотоапарат. Цветната CMOS камера прави снимка под контрола на електронния затвор и я записва в DRAM, след което я прехвърля в Съхранено във FLASHROM. Според капацитета на FLASHROM и нивото на компресия на данните за изображението може да се определи броят на снимките, които могат да бъдат съхранени. Ако смените ROM на PCMCIA карта, можете да разширите капацитета на цифровия фотоапарат, като смените картата, което е като смяна на филм, прехвърляне на информацията за цифровото изображение на цифровия фотоапарат на твърдия диск на компютъра за съхранение, което е много удобно Съхранение, извличане, обработка, редактиране и предаване на снимки.
2. CMOS цифров фотоапарат
USB камерата, съставена от цветен чип за цифрово изображение OV7610 CMOS, усъвършенствана камера OV511 и USB интерфейсен чип, пуснат от американската компания OmniVison, с разделителна способност до 640x480, подходящ за видео системи, предавани чрез универсална серийна шина. Въвеждането на усъвършенстваната камера OV511 позволява на компютъра да получава голямо количество видео информация в по-реално време. Съотношението на компресия на чипа за компресиране може да достигне 7:1, като по този начин се гарантира бързото предаване на изображението от сензора за изображение към компютъра. За CIF формат на изображение типът OV511 може да поддържа скорост на предаване до 30 кадъра в секунда, намалявайки трептенето на изображението, което обикновено се случва в приложения с ниска честотна лента. Като високопроизводителен USB интерфейсен контролер, OV511 има достатъчна гъвкавост и е подходящ за случаи, включително видеоконференции, видео електронна поща, компютърна мултимедия и мониторинг на сигурността.
3. Приложение в други области
CMOS сензорът за изображения е многофункционален сензор. Тъй като има производителността на CCD сензор за изображения, той може да влезе в полето на приложение на CCD, но също така има свои собствени уникални предимства, така че отвори много нови области на приложение. В допълнение към основните приложения, описани по-горе, CMOS сензорите за изображения могат да се прилагат и към цифрови фотоапарати и малки медицински фотоапарати. Например кардиохирургът може да монтира малко „силиконово око“ на гърдите на пациента, за да следи ефекта от операцията след операцията. CCD е трудно да се постигне това приложение.
4. Прилага се на пазара на рентгенови апарати
На пазара за дентални рентгенови апарати използвайте