Obrazový snímač CMOS

Základní úvod

Do čipu obrazového snímače CMOS lze integrovat i další obvody pro digitální zpracování signálu, jako je AD převodník, automatické řízení expozice, nerovnoměrná kompenzace, zpracování vyvážení bílé, černá ovládání úrovně, gama korekce atd., aby bylo možné provádět rychlé výpočty, lze dokonce i zařízení DSP s programovatelnými funkcemi integrovat se zařízeními CMOS a vytvořit tak jednočipovou digitální kameru a systém zpracování obrazu.

V roce 1963 Morrison publikoval vypočitatelný senzor, což je struktura, která dokáže pomocí efektu světlovodu určit polohu světelné skvrny, což se stalo počátkem vývoje obrazových snímačů CMOS. V roce 1995 uspěl nízkošumový jednočipový digitální fotoaparát s aktivním pixelovým snímačem CMOS.

Obrazový snímač CMOS má následující výhody: 1) Možnost čtení v náhodném okně. Operace náhodného čtení okna je aspektem obrazového snímače CMOS, který je ve funkci lepší než CCD, a nazývá se také výběr oblasti zájmu. Kromě toho vysoce integrované charakteristiky obrazových snímačů CMOS usnadňují otevření více oken sledování současně. 2) Schopnost odolávat záření. Obecně platí, že potenciální antiradiační výkon obrazových snímačů CMOS má důležité vylepšení oproti výkonu CCD. 3) Složitost a spolehlivost systému. Použití obrazového snímače CMOS může výrazně zjednodušit hardwarovou strukturu systému. 4) Nedestruktivní metoda čtení dat. 5), Optimalizovaná kontrola expozice. Za zmínku stojí, že díky integraci více funkčních tranzistorů do pixelové struktury mají obrazové snímače CMOS také několik nedostatků, především dva indikátory šumu a míry plnění. Vzhledem k relativně vynikající výkonnosti obrazových snímačů CMOS byly obrazové snímače CMOS široce používány v různých oblastech.

USA vysokorychlostní obrazový snímač CMOS s vysokým rozlišením

DYNAMAX-11: Nový snímač Panavision Imaging obsahuje globální technologii elektronické expoziční závěrky, která výrazně zlepšuje průmyslové zobrazování v interiérech i exteriérech. Tento nově vydaný obrazový snímač DYNAMAX-11 je vhodný pro průmyslové zobrazovací obory, jako je strojové vidění, bezpečnostní monitorování, inteligentní doprava, věda o živé přírodě, biomedicína, vědecké zobrazování, video ve vysokém rozlišení, televizní vysílání atd. Tento nově vydaný obraz DYNAMAX-11 snímač obsahuje 3,2 milionu pixelů s velikostí pixelů 5,0 m×5,0 m. DYNAMAX-11 má následující vlastnosti:

1: Vysoká citlivost, nízký šum. DYNAMAX-11 může dosáhnout hluku méně než 4 elektronových elektráren v režimu rolující expozice a může dosáhnout hluku nižšího než 8 elektronových elektráren v režimu globální expozice.

2: Široký rozsah spektrální odezvy, pokrývající od viditelného světla po infračervené.

3: DYNAMAX-11 má schopnost rychlého výstupu, který může dosáhnout 3,2M výstupu v plné velikosti při 60 snímcích za sekundu a výstupu HDTV 1920*1080 při 72 snímcích za sekundu.

4: Dynamický rozsah ve vysoce dynamickém režimu může dosáhnout 120 decibelů.

DYNAMAX-11 přijímá balíček CLCC, který je velmi vhodný pro instalaci, svařování a konstrukční návrh zákazníků. DYNAMAX-11 je vhodný pro optickou velikost 3/4 palce. DYNAMAX-11 zároveň odpovídá požadavkům na televizní formát s vysokým rozlišením (HDTV, 1080i, 16:9) a navrhl také 2/3palcový optický formát 2 miliony pixelů (úhlopříčka 11 mm) v oblasti zájem.

Vzorky barevných a černobílých čipů DYNAMAX-11 jsou poskytovány zákazníkům PVI.

Základní princip

Základní princip činnosti obrazového snímače CMOS

Za prvé, vnější světlo ozařuje pole pixelů, dochází k fotoelektrickému jevu a v pixelové jednotce se generuje odpovídající náboj. Logická jednotka pro výběr řádku vybere odpovídající pixelovou jednotku řádku podle potřeby. Obrazový signál v řádkové pixelové jednotce je přenášen do odpovídající jednotky zpracování analogového signálu a A/D převodníku přes signálovou sběrnici příslušného sloupce a konvertován na digitální obrazový signál pro výstup. Logická jednotka pro výběr řádků může skenovat pixelové pole progresivně nebo prokládané. Logická jednotka pro výběr řádků a logická jednotka pro výběr sloupců se používají společně k realizaci funkce extrakce okna obrazu. Hlavní funkcí jednotky pro zpracování analogového signálu je zesílit signál a zlepšit odstup signálu od šumu. Abyste získali praktickou kameru s kvalifikovanou kvalitou, musí navíc čip obsahovat různé řídicí obvody, jako je řízení času expozice, automatické řízení zisku a podobně. Aby každá část obvodu v čipu pracovala podle určeného tempa, musí být použito více signálů řízení časování. Aby se usnadnilo použití kamery, čip je také vyžadován pro výstup některých časovacích signálů, jako jsou synchronizační signály, signály spouštění linky, signály spouštění pole a tak dále.

Princip činnosti pixelového pole

Intuitivní výkonnostní index obrazového snímače je schopnost reprodukovat obraz. A pixelové pole je klíčovým funkčním modulem přímo souvisejícím s tímto indexem. Podle struktury jednotky pixelového pole lze pixelovou jednotku rozdělit na pasivní pixelovou jednotku PPS (pasivní pixelové schéma), aktivní pixelovou jednotku APS (aktivní pixelové schéma) a logaritmickou pixelovou jednotku. Aktivní pixelovou jednotku APS lze rozdělit na fotodiodu typu APS, rastrový typ APS.

Výše uvedené různé jednotky pixelového pole mají své vlastní charakteristiky, ale v zásadě mají stejný princip fungování. Následující část nejprve představí jejich základní principy fungování a poté představí charakteristiky různých jednotek pixelů. Obrázek níže je schematický diagram jednoho pixelu.

(1) Nejprve přejděte do "reset stavu", poté otevřete hradlo M. Kondenzátor je nabitý na V a dioda je v obráceném stavu;

(2) Poté zadejte „vzorový stav“. V tomto okamžiku je hradlová trubice M uzavřena a dioda generuje pod světlem fotoproud, aby se vybil uložený náboj na kondenzátoru. Po pevném časovém intervalu je množství náboje uloženého na kondenzátoru C úměrné světlu. Do pole citlivých prvků byl pořízen snímek;

(3) Nakonec přejde do „stavu čtení“. V tomto okamžiku otevřete hradlovou trubici M a odečtěte kondenzátor C v každém pixelu jeden po druhém. Uložené nabíjecí napětí.

Pasivní pixelová jednotka PPS se objevila nejdříve a její struktura se od jejího vzhledu příliš nezměnila. Pasivní pixelová jednotka PPS má jednoduchou strukturu, vysokou míru zaplnění pixelů a relativně vysokou kvantovou účinnost, ale má dva významné nedostatky. Jedním z nich je, že jeho čtecí šum je relativně velký a jeho typická hodnota je 20 elektronů, zatímco typická hodnota jeho čtecího šumu pro komerční čipy s technologií CCD je 20 elektronů. Zadruhé, s rostoucím počtem pixelů se zvyšuje rychlost čtení, takže šum při čtení se zvětšuje.

Kvantová účinnost fotodiody typu APS je relativně vysoká. Díky přijetí nové technologie eliminace šumu je kvalita výstupního grafického signálu mnohem vyšší než dříve. Čtecí šum je obecně 75-100 elektronů. C3& je vhodný pro střední a nenáročné aplikace.

Ve struktuře APS typu mřížky je potlačený šum s pevným vzorem. Jeho čtecí šum je 10-20 elektronů. Jeho proces je však složitější a nelze jej považovat za úplný proces CMOS přísně vzato. Díky zavedení polysilikonové krycí vrstvy je její kvantová účinnost relativně nízká, zejména pro modré světlo. V současné době není jeho celková výkonnostní výhoda příliš výrazná.

Faktory ovlivňující výkon

3.1 Hluk

Toto je hlavní problém, který ovlivňuje výkon snímačů CMOS. Tento druh šumu zahrnuje šum s pevným vzorem FPN (šum s pevným vzorem), šum temného proudu, tepelný šum a tak dále. Důvodem neměnného vzorového šumu je to, že výstupní signály generované paprskem stejného světla svítícím na dva různé pixely nejsou úplně stejné. Tímto způsobem se zavádí hluk. Pro řešení šumu s pevným vzorem lze použít techniky dvojitého vzorkování nebo korelovaného dvojitého vzorkování. Konkrétně je to trochu jako zavedení diferenciálního páru při navrhování analogového zesilovače pro potlačení šumu v běžném režimu. Dvojité vzorkování má nejprve načíst signál integrace náboje generovaný osvětlením, dočasně jej uložit, poté resetovat pixelovou jednotku a poté přečíst výstupní signál pixelové jednotky. Obrazový signál se získá odečtením těchto dvou. Oba typy vzorkování mohou účinně potlačit šum s pevným vzorem. Korelované dvojité vzorkování navíc vyžaduje dočasnou skladovací jednotku. S rostoucím počtem pixelů se zvyšuje i úložná jednotka.

3.2 Temný proud

Fyzická zařízení nemohou být ideální. Stejně jako podprahový efekt, kvůli nečistotám, teplu a dalším důvodům, i když na pixel není ozářeno žádné světlo, jako Jednotka prvku také generuje náboje a tyto náboje generují temné proudy. Je obtížné rozlišit mezi temným proudem a elektrickým nábojem generovaným světlem. Temný proud není všude v pixelovém poli úplně stejný a způsobuje neměnný vzorový šum. U pixelové jednotky s integrační funkcí je šum pevného vzoru způsobený temným proudem úměrný integrační době. Generování temného proudu je také náhodný proces, který je zdrojem šumu výstřelu. Proto se temný proud generovaný prvkem tepelného šumu rovná druhé odmocnině počtu elektronů temného proudu v pixelové jednotce. Při použití dlouhodobé integrační jednotky se tento typ šumu stává hlavním faktorem ovlivňujícím kvalitu obrazového signálu. U matných objektů je nutná dlouhodobá integrace a kapacita pixelové jednotky je omezená, takže je tmavá. Akumulace proudových elektronů omezuje maximální dobu integrace.

Aby se omezil vliv temného proudu na obrazový signál, lze nejprve provést opatření k chlazení. Chlazení čipu však zdaleka nestačí a nehybný vzorový šum generovaný temným proudem nelze úplně překonat dvojitým vzorkováním. Účinnou metodou je odečtení referenčního signálu temného proudu od získaného obrazového signálu.

Sytost 3,3 pixelu a rozmazání přetečením

Podobně jako u zesilovače existuje horní limit vstupu kvůli omezenému rozsahu lineární oblasti. Pro čipy obrazového snímače CMOS má také vstup Horní limit. Pokud vstupní světelný signál překročí tuto horní hranici, pixelová jednotka bude saturovaná a nemůže provést fotoelektrickou konverzi. U pixelové jednotky s integrální funkcí je horní hranice určena kapacitou optoelektronické integrální jednotky: u pixelové jednotky bez integrální funkce je horní hranice určena maximálním proudem protékajícím fotodiodou nebo tranzistorem. Když je vstupní optický signál saturován, dojde k rozmazání při přetečení. Přetečení je způsobeno saturací fotoelektronů pixelové jednotky a prouděním do sousední pixelové jednotky. Přetečení rozostření se na snímku projeví jako zvláště jasná oblast. To je trochu podobné přeexponování na fotografiích. Rozmazání při přetečení lze překonat přidáním automatické vypouštěcí trubice do pixelové jednotky, která dokáže účinně vybít přebytečný náboj. To však pouze omezuje přetečení, ale nemůže způsobit, že pixely skutečně obnoví obraz.

Stav na trhu

Podle společnosti pro průzkum trhu CahnersIn-statGroup dosáhnou zobrazovací produkty založené na obrazových snímačích CMOS v příštích několika letech více než 50 %. To znamená, obraz CMOS Snímač nahradí CCD a stane se hlavním proudem trhu. Je vidět, že tržní vyhlídky CMOS kamer jsou velmi široké.

V příštích několika letech se celosvětový prodej obrazových snímačů CMOS rychle zvýší a ovlivní tradiční CCD v mnoha aplikacích digitálního obrazu. Je to proto, že zařízení s obrazovým snímačem CMOS mají dvě hlavní výhody: jednou je, že cena je o 15 % až 25 % nižší než cena zařízení CCD; další je, že strukturu čipu lze snadno integrovat s dalšími součástmi na bázi křemíku, což může účinně snížit celkové náklady na systém. Obrazová kvalita obrazových snímačů CMOS v minulosti je sice horší než u CCD a rozlišení je nižší, ale po rychlém zlepšení se průběžně přibližuje technické úrovni CCD. Tento druh snímače byl široce používán v digitálních fotoaparátech, elektronických hračkách a elektronických hračkách, které vyžadují nižší rozlišení. V kamerové struktuře videokonferenčních a bezpečnostních systémů.

Digitální fotoaparát s nízkým rozlišením využívající obrazový snímač CMOS uvedený na trh japonskou společností Nintendo Co., Ltd. se za první dva měsíce od uvedení na trh prodal 1 milion kusů. Mitsubishi Corporation, Motorola, Hewlett-Packard, Toshiba a Intel také uvedly tento typ produktu.

Použití

Použití obrazového snímače CMOS

1. Digitální fotoaparát

Ve 20. století lidé používali filmové kamery po stovky let Od 80. let 20. století lidé používali špičkové technologie k vývoji digitálních fotoaparátů CCD, které nevyžadují film. Provádí zásadní změnu tradiční filmové kamery. Vznik nízkonákladových FLASHROM, které lze zapisovat a ovládat elektřinou, a příchod nízkoenergetických a levných CMOS kamer. Pro digitální fotoaparát se otevřela nová situace. Funkční blokové schéma digitálního fotoaparátu je znázorněno na obrázku vpravo dole.

Jak je vidět z obrázku, vnitřní zařízení digitálního fotoaparátu je zcela odlišné od tradičního fotoaparátu. Barevná CMOS kamera pořídí snímek pod kontrolou elektronické závěrky a uloží jej do paměti DRAM a poté jej přenese do složky Stored in FLASHROM. Podle kapacity FLASHROM a úrovně komprese obrazových dat lze určit počet fotografií, které lze uložit. Pokud vyměníte ROM za kartu PCMCIA, můžete rozšířit kapacitu digitálního fotoaparátu výměnou karty, což je jako výměna filmu, přenos digitálních obrazových informací z digitálního fotoaparátu na pevný disk počítače pro uložení, což je velmi pohodlné Ukládání, vyhledávání, zpracování, úprava a přenos fotografií.

2. CMOS digitální fotoaparát

USB kamera složená z barevného digitálního obrazového čipu OV7610 CMOS, pokročilé kamery OV511 a čipu USB rozhraní uvedeného na trh americkou společností OmniVison, její rozlišení až 640x480, vhodné pro video systémy přenášené přes Universal Serial Bus. Uvedení pokročilé kamery OV511 umožňuje počítači získat velké množství video informací v reálném čase. Kompresní poměr kompresního čipu může dosáhnout 7:1, čímž je zajištěn rychlý přenos obrazu z obrazového snímače do PC. Pro obrazový formát CIF může typ OV511 podporovat přenosovou rychlost až 30 snímků za sekundu, což snižuje chvění obrazu, které se obvykle vyskytuje v aplikacích s nízkou šířkou pásma. Jako vysoce výkonný řadič rozhraní USB má OV511 dostatečnou flexibilitu a je vhodný pro příležitosti včetně videokonferencí, video e-mailů, počítačových multimédií a monitorování zabezpečení.

3. Aplikace v jiných oborech

Obrazový snímač CMOS je multifunkční snímač. Protože má výkon obrazového snímače CCD, může vstoupit do oblasti použití CCD, ale také má své vlastní jedinečné výhody, takže otevřel mnoho nových oblastí použití. Kromě hlavních aplikací popsaných výše lze obrazové snímače CMOS použít také v digitálních fotoaparátech a malých lékařských fotoaparátech. Kardiochirurg může například pacientovi nainstalovat na hrudník malé „křemíkové oko“, aby mohl po operaci sledovat efekt operace. CCD je obtížné dosáhnout této aplikace.

4. Aplikováno na trh rentgenových přístrojů

Na trhu zubních rentgenových přístrojů použijte