Perusjohdanto
Myös muita digitaalisia signaalinkäsittelypiirejä voidaan integroida CMOS-kuvasensorisirulle, kuten AD-muunnin, automaattinen valotuksen säätö, epätasainen korjaus, valkotasapainon käsittely, musta tasonsäätö, Gamma-korjaus jne. Nopeiden laskelmien suorittamiseksi jopa ohjelmoitavilla toiminnoilla varustetut DSP-laitteet voidaan integroida CMOS-laitteisiin muodostamaan yksisiruinen digitaalikamera ja kuvankäsittelyjärjestelmä.
Vuonna 1963 Morrison julkaisi laskettavan anturin, joka on rakenne, joka voi käyttää valonohjaustehostetta valopisteen sijainnin määrittämiseen. Siitä tuli alku CMOS-kuvasensorien kehitykselle. Vuonna 1995 hiljainen CMOS-aktiivisen pikselitunnistimen yksisiruinen digitaalikamera menestyi.
CMOS-kuvakennolla on seuraavat edut: 1) Satunnaisen ikkunan lukuominaisuus. Satunnainen ikkunanlukutoiminto on CMOS-kuvakennon osa, joka on toiminnaltaan parempi kuin CCD, ja sitä kutsutaan myös kiinnostavan alueen valinnaksi. Lisäksi CMOS-kuvakennoille integroidut ominaisuudet tekevät useiden seurantaikkunoiden avaamisesta helppoa samanaikaisesti. 2) Kyky vastustaa säteilyä. Yleisesti ottaen CMOS-kuvakentureiden mahdollinen säteilyn estokyky on tärkeä parannus CCD-kennoille verrattuna. 3) Järjestelmän monimutkaisuus ja luotettavuus. CMOS-kuvakennon käyttö voi yksinkertaistaa huomattavasti järjestelmän laitteistorakennetta. 4) Ei-hajottava tietojen lukumenetelmä. 5), Optimoitu valotuksen hallinta. On syytä huomata, että useiden toiminnallisten transistorien integroinnin ansiosta pikselirakenteessa CMOS-kuvaantureissa on myös useita puutteita, pääasiassa kaksi kohinan ja täyttöasteen indikaattoria. CMOS-kuvasensorien suhteellisen korkean suorituskyvyn vuoksi CMOS-kuvaantureita on käytetty laajasti eri aloilla.
Yhdysvallat teräväpiirto ja nopea CMOS-kuvakenno
DYNAMAX-11: Panavision Imagingin uusi anturi sisältää maailmanlaajuisen elektronisen valotussuljinteknologian, joka parantaa huomattavasti teollista kuvantamista sisällä ja ulkona Sovellukset. Tämä äskettäin julkaistu DYNAMAX-11-kuvakenno soveltuu teollisiin kuvantamisaloihin, kuten konenäköön, turvavalvontaan, älykkääseen kuljetukseen, biotieteeseen, biolääketieteeseen, tieteelliseen kuvantamiseen, teräväpiirtovideoon, TV-lähetyksiin jne. Tämä äskettäin julkaistu DYNAMAX-11-kuva anturi sisältää 3,2 miljoonaa pikseliä ja pikselikoko 5,0 m × 5,0 m. DYNAMAX-11:ssä on seuraavat ominaisuudet:
1: Suuri herkkyys, pieni kohina. DYNAMAX-11 voi saavuttaa alle 4 elektronin rms melun liikkuvassa valotustilassa ja voi saavuttaa alle 8 elektronin rms melun maailmanlaajuisessa valotustilassa.
2: Laaja spektrivastealue, joka kattaa näkyvästä valosta infrapunaan.
3: DYNAMAX-11:llä on nopea lähtöominaisuus, joka voi saavuttaa täysikokoisen 3,2 megalitran ulostulon nopeudella 60 kuvaa sekunnissa ja HDTV 1920*1080 -lähdön 72 ruudulla sekunnissa.
4: Dynaaminen alue korkean dynaamisen tilassa voi olla 120 desibeliä.
DYNAMAX-11 ottaa käyttöön CLCC-paketin, joka on erittäin kätevä asiakkaiden asennuksessa, hitsauksessa ja rakennesuunnittelussa. DYNAMAX-11 sopii 3/4 tuuman optiseen kokoon. Samalla DYNAMAX-11 vastaa teräväpiirtotelevisioformaatin vaatimuksia (HDTV, 1080i, 16:9) ja on myös suunnitellut 2/3 tuuman 2 miljoonan pikselin optisen muodon (lävistäjä 11 mm) kiinnostusta.
DYNAMAX-11-väri- ja mustavalkosirujen näytteitä toimitetaan PVI-asiakkaille.
Perusperiaate
CMOS-kuvakennon perustoimintaperiaate
Ensinnäkin ulkoinen valo säteilyttää pikseliryhmän, syntyy valosähköinen vaikutus ja vastaava varaus syntyy pikseliyksikössä. Rivinvalintalogiikkayksikkö valitsee vastaavan rivipikseliyksikön tarpeen mukaan. Rivipikseliyksikössä oleva kuvasignaali välitetään vastaavalle analogiselle signaalinkäsittely-yksikölle ja A/D-muuntimelle vastaavan sarakkeen signaaliväylän kautta ja muunnetaan digitaaliseksi kuvasignaaliksi ulostuloa varten. Rivinvalintalogiikkayksikkö voi skannata pikselimatriisia progressiivisesti tai lomitettuna. Rivinvalintalogiikkayksikköä ja sarakkeen valintalogiikkayksikköä käytetään yhdessä kuvan ikkunanpoistotoiminnon toteuttamiseksi. Analogisen signaalinkäsittely-yksikön päätehtävänä on vahvistaa signaalia ja parantaa signaali-kohinasuhdetta. Lisäksi käytännöllisen ja laadukkaan kameran saamiseksi siruun on sisällytettävä erilaisia ohjauspiirejä, kuten valotusajan ohjaus, automaattinen vahvistuksen säätö ja niin edelleen. Jotta jokainen piirin osa sirussa toimisi määritellyn tempon mukaisesti, on käytettävä useita ajoituksen ohjaussignaaleja. Kameran käytön helpottamiseksi sirua vaaditaan myös antamaan joitakin ajoitussignaaleja, kuten synkronointisignaaleja, linjan aloitussignaaleja, kentän aloitussignaaleja ja niin edelleen.
Pikselitaulukon toimintaperiaate
Kuvakennon intuitiivinen suorituskykyindeksi on kyky toistaa kuva. Ja pikseliryhmä on avaintoiminnallinen moduuli, joka liittyy suoraan tähän indeksiin. Pikseliryhmäyksikön rakenteen mukaan pikseliyksikkö voidaan jakaa passiiviseen pikseliyksikköön PPS (passivepixelschematic), aktiiviseen pikseliyksikköön APS (activepixelschematic) ja logaritmiseen pikseliyksikköön. Aktiivinen pikseliyksikkö APS voidaan jakaa valodiodityyppiin APS , rasterityyppiin APS.
Yllä olevilla eri pikseliryhmäyksiköillä on omat ominaisuutensa, mutta niillä on periaatteessa sama toimintaperiaate. Seuraavassa esitellään ensin niiden perustoimintaperiaatteet ja sitten eri pikseliyksiköiden ominaisuudet. Alla oleva kuva on kaaviokuva yhdestä pikselistä.
(1) Siirry ensin "nollaustilaan" ja avaa sitten hilaputki M. Kondensaattori on ladattu V:hen ja diodi on käänteisessä tilassa;
(2) Anna sitten "näytteen tila". Tällä hetkellä hilaputki M on kiinni ja diodi tuottaa valovirran valon alla purkaakseen kondensaattoriin tallennetun varauksen. Kiinteän aikavälin jälkeen kondensaattoriin C tallennettu varaus on verrannollinen valoon. Kuva on otettu herkkään elementtitaulukkoon;
(3) Lopuksi se siirtyy "lukutilaan". Avaa tässä vaiheessa porttiputki M ja lue kunkin pikselin kondensaattori C yksitellen. Tallennettu latausjännite.
Passiivinen pikseliyksikkö PPS ilmestyi aikaisintaan, eikä sen rakenne ole juurikaan muuttunut ilmestymisensä jälkeen. Passiivisella pikseliyksiköllä PPS on yksinkertainen rakenne, korkea pikselien täyttöaste ja suhteellisen korkea kvanttitehokkuus, mutta siinä on kaksi merkittävää puutetta. Yksi on, että sen lukukohina on suhteellisen suuri ja sen tyypillinen arvo on 20 elektronia, kun taas sen lukukohinan tyypillinen arvo kaupallisille CCD-tason teknologiasiruille on 20 elektronia. Toiseksi, kun pikselien määrä kasvaa, lukunopeus kasvaa, joten lukukohina kasvaa.
Valodiodityyppisen APS:n kvanttitehokkuus on suhteellisen korkea. Uuden kohinanpoistoteknologian käyttöönoton ansiosta graafisen signaalin laatu on paljon aiempaa korkeampi. Lukemakohina on yleensä 75-100 elektronia. C3& soveltuu keski- ja matalaluokkaisiin sovelluksiin.
Rilan tyyppisessä APS-rakenteessa kiinteän kuvion kohina on vaimennettu. Sen lukukohina on 10-20 elektronia. Mutta sen prosessi on monimutkaisempi, eikä sitä voida pitää täydellisenä CMOS-prosessina tarkasti ottaen. Polypiipeitekerroksen käyttöönoton ansiosta sen kvanttihyötysuhde on suhteellisen alhainen erityisesti sinisen valon osalta. Tällä hetkellä sen yleinen suorituskykyetu ei ole kovin näkyvä.
Suorituskykyyn vaikuttavat tekijät
3.1 Melu
Tämä on ensisijainen ongelma, joka vaikuttaa CMOS-antureiden suorituskykyyn. Tällainen kohina sisältää kiinteän kuvion kohina FPN (Fixed pattern noise), pimeän virran kohina, lämpökohina ja niin edelleen. Kiinteän kuviokohinan syynä on se, että kahdelle eri pikselille paistavan saman valonsäteen tuottamat lähtösignaalit eivät ole täsmälleen samat. Melu tuodaan esiin tällä tavalla. Kiinteän kuvion kohinan käsittelemiseksi voidaan käyttää kaksoisnäytteistys- tai korreloitua kaksoisnäytteenottotekniikkaa. Tarkemmin sanottuna se on vähän kuin differentiaaliparin käyttöönotto suunniteltaessa analogista vahvistinta yhteistilan kohinaa vaimentamaan. Kaksoisnäytteistys on ensin lukea valaistuksen tuottama varausintegrointisignaali, tallentaa se väliaikaisesti, sitten nollata pikseliyksikkö ja lukea sitten pikseliyksikön lähtösignaali. Kuvasignaali saadaan vähentämällä nämä kaksi. Molemmat näytteenottotyypit voivat tehokkaasti vaimentaa kiinteän kuvion kohinaa. Lisäksi korreloitu kaksoisnäytteenotto vaatii väliaikaisen säilytysyksikön. Kun pikselien määrä kasvaa, myös tallennusyksikkö kasvaa.
3.2 Tumma virta
Fyysiset laitteet eivät voi olla ihanteellisia. Kuten kynnyksen alavaikutus, epäpuhtauksista, lämmöstä ja muista syistä johtuen, vaikka pikseliin ei säteilyttäisikään valoa, kuten Elementtiyksikkö synnyttää myös varauksia ja nämä varaukset synnyttävät tummia virtoja. Pimeän virran ja valon synnyttämän sähkövarauksen erottaminen on vaikeaa. Pimeä virta ei ole täsmälleen sama kaikkialla pikseliryhmässä, ja se aiheuttaa kiinteää kuviokohinaa. Integrointitoiminnolla varustetussa pikseliyksikössä pimeän virran aiheuttama kiinteäkuvioinen kohina on verrannollinen integrointiaikaan. Pimeän virran syntyminen on myös satunnainen prosessi, joka on laukauskohinan lähde. Siksi lämpökohinaelementin tuottama pimeä virta on yhtä suuri kuin pikseliyksikössä olevien pimeän virran elektronien lukumäärän neliöjuuri. Käytettäessä pitkäaikaista integrointiyksikköä tämäntyyppisestä kohinasta tulee pääasiallinen kuvasignaalin laatuun vaikuttava tekijä. Himmeille kohteille tarvitaan pitkäkestoista integrointia, ja pikseliyksikön kapasitanssi on rajoitettu, joten se on pimeää. Virtaelektronien kerääntyminen rajoittaa integraation maksimiaikaa.
Tumman virran vaikutuksen vähentämiseksi kuvasignaaliin voidaan ensinnäkin toteuttaa jäähdytystoimenpiteitä. Sirun jäähdyttäminen ei kuitenkaan riitä, eikä pimeän virran synnyttämää kiinteäkuvioista kohinaa voida täysin voittaa kaksoisnäytteistyksellä. Tehokas menetelmä on vähentää referenssipimeävirran signaali saadusta kuvasignaalista.
3,3 pikselin kylläisyys ja ylivuotosumennus
Vahvistimen tapaan tuloraja on rajallinen lineaarisen alueen rajallisen alueen vuoksi. CMOS-kuvakennon siruja varten siinä on myös tulo Yläraja. Jos tulovalosignaali ylittää tämän ylärajan, pikseliyksikkö kyllästyy eikä voi suorittaa valosähköistä muuntamista. Integraalitoiminnolla varustetulle pikseliyksikölle yläraja määräytyy optoelektronisen integraaliyksikön kapasiteetin mukaan: pikseliyksikölle ilman integraalitoimintoa ylärajan määrää valodiodin tai transistorin läpi kulkeva maksimivirta. Kun optinen tulosignaali on kyllästetty, ylivuoto-epäterävyyttä esiintyy. Ylivuotosumutus johtuu pikseliyksikön fotoelektronien kyllästymisestä ja virtaamisesta ulos viereiseen pikseliyksikköön. Ylivuotoepäterävyys heijastuu kuvaan erityisen kirkkaana alueena. Tämä muistuttaa jonkin verran valokuvien ylivalotusta. Ylivuotoepäterävyyttä voidaan poistaa lisäämällä pikseliyksikköön automaattinen tyhjennysputki, joka voi tehokkaasti purkaa ylimääräisen latauksen. Tämä kuitenkin rajoittaa vain ylivuotoa, mutta ei saa pikseleitä todella palauttamaan kuvaa.
Markkinatilanne
Markkinatutkimusyhtiö CahnersIn-statGroupin mukaan CMOS-kuvakennoille perustuvat kuvantamistuotteet saavuttavat yli 50 % lähivuosina. Toisin sanoen CMOS-kuva Anturi korvaa CCD:n ja siitä tulee markkinoiden valtavirta. Voidaan nähdä, että CMOS-kameroiden markkinanäkymät ovat erittäin laajat.
Seuraavien vuosien aikana CMOS-kuvakentureiden maailmanlaajuinen myynti kasvaa nopeasti ja vaikuttaa perinteisiin CCD-kennoille monissa digitaalikuvasovelluksissa. Tämä johtuu siitä, että CMOS-kuvasensorilla on kaksi suurta etua: yksi on se, että hinta on 15–25 % alhaisempi kuin CCD-laitteiden; toinen on, että sirurakenne voidaan helposti integroida muihin piipohjaisiin komponentteihin, mikä voi tehokkaasti vähentää järjestelmän kokonaiskustannuksia. Vaikka CMOS-kuvasensorien kuvanlaatu on aiemmin ollut huonompi kuin CCD:n ja resoluutio on pienempi, mutta nopean parantumisen jälkeen se on jatkuvasti lähestynyt CCD:n teknistä tasoa. Tällaista anturia on käytetty laajalti digitaalikameroissa, elektronisissa leluissa ja elektronisissa leluissa, jotka vaativat alhaisemman resoluution. Videoneuvottelujen ja turvajärjestelmien kamerarakenteessa.
Japanilaisen Nintendo Co., Ltd.:n markkinoille tuoma CMOS-kuvakennoa käyttävä matalaresoluutioinen digitaalikamera on myynyt miljoona kappaletta julkaisunsa kahden ensimmäisen kuukauden aikana. Mitsubishi Corporation, Motorola, Hewlett-Packard, Toshiba ja Intel listasivat myös tämän tyyppiset tuotteet.
Sovellus
CMOS-kuvakennon sovellus
1. Digitaalikamera
Ihmiset ovat käyttäneet filmikameroita satojen vuosien ajan 1900-luvulla 1980-luvulta lähtien ihmiset ovat käyttäneet korkeaa teknologiaa kehittääkseen CCD-digitaalikameroita, jotka eivät vaadi filmiä. Tekee perustavanlaatuisen muutoksen perinteiseen filmikameraan. Edullisen FLASHROMin syntyminen, jota voidaan kirjoittaa ja jota voidaan ohjata sähköllä, sekä vähätehoisten ja edullisien CMOS-kameroiden tulo. Digikameralle on avautunut uusi tilanne. Digikameran toimintalohkokaavio näkyy oikeassa alakulmassa.
Kuten kuvasta näkyy, digitaalikameran sisäinen laite eroaa täysin perinteisestä kamerasta. Värillinen CMOS-kamera ottaa kuvan elektronisen sulkimen ohjaamana ja tallentaa sen DRAM-muistiin ja siirtää sen sitten Stored in FLASHROM -tilaan. FLASHROMin kapasiteetin ja kuvatietojen pakkaustason mukaan voidaan määrittää tallennettujen valokuvien määrä. Jos vaihdat ROM-muistin PCMCIA-kortiksi, voit laajentaa digitaalikameran kapasiteettia vaihtamalla korttia, mikä on kuin elokuvan vaihtoa, siirtämällä digitaalikameran digitaalikuvatiedot PC:n kiintolevylle tallennusta varten, joka on erittäin kätevä Valokuvien säilytys, haku, käsittely, muokkaus ja lähettäminen.
2. CMOS digikamera
USB-kamera, joka koostuu OV7610 CMOS -väridigitaalikuvasirusta, edistyksellisestä kamerasta OV511 ja amerikkalaisen OmniVison-yhtiön lanseeraamasta USB-liitäntäsirusta, sen resoluutio Jopa 640 x 480, sopii Universal Serial Bus -väylän kautta lähetettyihin videojärjestelmiin. Edistyneen OV511-kameran käyttöönoton ansiosta PC voi saada suuren määrän videoinformaatiota reaaliaikaisemmin. Pakkaussirun pakkaussuhde voi olla 7:1, mikä varmistaa nopean kuvansiirron kuvakennosta tietokoneelle. CIF-kuvamuodossa OV511-tyyppi voi tukea jopa 30 kehyksen sekunnissa lähetysnopeutta, mikä vähentää kuvan värinää, jota yleensä esiintyy alhaisen kaistanleveyden sovelluksissa. Suorituskykyisenä USB-liitäntäohjaimena OV511 on riittävän joustava ja soveltuu tilanteisiin, kuten videoneuvotteluihin, videosähköpostiin, tietokoneiden multimediaan ja turvallisuuden valvontaan.
3. Sovellus muilla aloilla
CMOS-kuvakenno on monitoimikenno. Koska siinä on CCD-kuvakennon suorituskyky, se voi päästä CCD:n sovellusalueelle, mutta sillä on myös omat ainutlaatuiset etunsa, joten se on avannut monia uusia sovellusalueita. Yllä kuvattujen pääsovellusten lisäksi CMOS-kuvaantureita voidaan käyttää myös digitaalisissa still-kameroissa ja pienissä lääketieteellisissä kameroissa. Esimerkiksi sydänkirurgi voi asentaa pienen "pii-silmän" potilaan rintakehään valvoakseen leikkauksen vaikutusta leikkauksen jälkeen. CCD on vaikea saavuttaa tätä sovellusta.
4. Sovelletaan röntgenlaitteiden markkinoille
Käytä hammasröntgenlaitteiden markkinoilla