Nuo šviesos iki signalo: CCD ir CMOS jutiklių mechanizmų tyrimas

Vaizdo jutikliai paverčia šviesą į elektroninius signalus, įgalindami skaitmeninį vaizdą kamerose ir optiniuose įrenginiuose.Šie jutikliai sudaro šiuolaikinių vaizdinių sistemų pagrindą, fiksuodami didelės skiriamosios gebos duomenis per tikslius fotoelektrinius konversijos mechanizmus.

Katalogas

Įvadas

Vaizdo jutiklis, dažnai vadinamas fotosestuojamu elementu, yra išskirtinis įrenginys, kuris optinį vaizdą paverčia elektroniniu signalu, sukeliantį akimirką, kai akimirką užfiksuos skaitmeninėmis akimis.Tai vaidina svarbų vaidmenį sudėtingame skaitmeninių fotoaparatų dizaine ir įvairiuose kituose elektroniniuose optiniuose įrenginiuose.Naudojant fotoelektrinių konvertavimo galimybes, būdingas fotoelektriniams prietaisams, vaizdo jutiklis paverčia šviesos vaizdą, užfiksuotą ant jo jautraus paviršiaus, į elektrinius signalus, palaikančius tiesioginį ryšį su originaliu šviesos vaizdu.Skirtingai nuo paprastų „taškų“ šviesos šaltinių, tokių kaip fotodiodai ir fototransistoriai, vaizdo jutiklis unikaliai padalijo šviesos vaizdą į jo priimamąjį paviršių į daugybę mažų vienetų, vaizdinę informaciją paverčiant elektriniais signalais, tinkamais tolesniam apdorojimui.

CCD vaizdo jutikliai ir jų painiavos

Intriguojantis CCD vaizdo jutiklio apibrėžimas

Fotografijos srityje CCD tarnauja kaip sudėtingas technologinis komponentas, maitinantis tuos, kurie yra linkę į smulkesnę vaizdo kokybę.Priešingai, CMOS nustato savo vietą scenarijuose, kur aukšto vaizdo aiškumas nėra pagrindinis dėmesys.Galima įvertinti CMO viliojimą su prieinamomis gamybos sąnaudomis ir įspūdingai mažomis galios reikalavimais, palyginti su tradiciškesniu CCD.Nepaisant jų technologinio plyšio, jų rezultatų skirtumai išlieka subtilūs.Pavyzdžiui, CMOS kameros trokšta ir reikalauja tobulesnio šviesos šaltinio - iššūkio, kuris šiandien dažniausiai įveiktas.Paprastai CCD elementai matuoja maždaug nuo 1/3 colio iki 1/4 colio.Kai pikselių tankis yra lygiavertis, didesnis elementas dažnai yra labiau pageidautinas pasirinkimas.

CCD kelionė prasidėjo 1969 m. „Bell Labs“, žydėdama į masinę gamybą, ypač japonų įmonės.Jo pasakojimas apima beveik tris dešimtmečius, žydi į du skirtingus tipus: linijinius ir srities CCD.Linijiniai CCDS suteikia vaizdų skaitytuvams ir fakso aparatams, o srities CCD klesti tokiose srityse kaip skaitmeniniai fotoaparatai, vaizdo kameros ir saugumo stebėjimas.

Iš esmės CCD yra skaitmeniniai tradicinių filmų įpėdiniai, atspindintys senąjį šviesos jutimo cheminių medžiagų principą filme.Ši sudėtinga terpė, pagaminta iš didelio jautrumo puslaidininkių medžiagų, per analoginį-skaitmeninį keitiklį paverčia šviesą į elektros krūvius ir vėliau į skaitmeninius signalus.Šie skaitmeniniai signalai, užfiksuoti, yra visiškai suspausti ir įsikurti fotoaparato vidinėje atmintyje ar standžiojo disko kortelėje, siūlantys kompiuterio perkėlimo patogumą tolesniam vaizdų tobulinimui.

Sudėtingas CCD vaizdo jutiklio darbo principo šokis

CCD yra nesuskaičiuojamų fotostruojamų vienetų ansamblis, kurio kiekvienas paprastai matuojamas megapikseliais.Kai yra apšviesta šviesa, kiekvienas įrenginys išmeta savo krūvį, taip susilieja į nuoseklų vaizdą, kai jų išėjimai susilieja.

Pati CCD esmė yra MOS kondensatorius, prieglobstis dėl elektros krūvių, kaip parodyta 1 paveiksle. Apsvarstykite p tipo silicį: jo paviršiuje yra SiO2 sluoksnis, pagimdytas oksidacijos metu, viršuje su metaliniu sluoksniu, veikiančiu kaip vartai.Daugumos silicio tipo vežėjai yra teigiamai įkrautos skylės;Mažumų vežėjai yra neigiamai įkrauti elektronai.Taikant teigiamą įtampą metaliniam elektrodui, sukuriamas elektrinis laukas, kuris manipuliuoja šiais nešikliais per SiO2 izoliacinį sluoksnį.Taigi teigiamai įkrautos skylės atitrauktos nuo elektrodo, paliekant elektronus tvirtai šalia SiO2, sudarydami neigiamą krūvio sluoksnį, reiškinį, paprastai apibūdinamą kaip elektronų gaudyklę ar potencialą.

Kai fotono energija yra veikiama šviesos, puslaidininkyje kursto elektronų skylių poras, o elektronai prieglobsčiai yra potencialūs šulinys.Šviesos intensyvumas tiesiogiai koreliuoja su elektronų kaupimu, siūlant apčiuopiamą šviesos transformaciją į krūvius.Pažymėtina, kad šie krūviai ištveria net po to, kai apnuogina šviesą, užfiksuodami šviesos esmę atmintyje.

Supaprastinus šią sudėtingą struktūrą, paaiškėja, kad MOS kondensatorius veikia kaip pikselis, galintis užfiksuoti „latentinį vaizdą“.Čia dėl fotosestūrumo kyla įkrovos rinkimas, o pikselių kintamumas yra latentinis vaizdas.Efektyviai perduodant mokesčius tarp kondensatorių, sukuriamos eilutės, rėmai ir galiausiai visas vaizdas tampa realybe.

Įspūdingos CCD vaizdo jutiklių savybės

Didelė skiriamoji geba: vaizdo taško smulkmena gilinasi į mikrometrų karalystę, fiksuojant ir išmanant smulkius detales, todėl padidėja vaizdo kokybė.Nuo 1 colio iki 1/9 colio elementų, pikselių skaičius išaugo nuo šiek tiek daugiau nei 100 000 iki įspūdingų 4–5 milijonų pikselių.

Mažas triukšmas ir pavydėtinas jautrumas: CCD išsiskiria minimaliu skaitymo triukšmu ir tamsios srovės triukšmu, praturtinančio signalo ir triukšmo santykiu ir išplėsti jų jautrumą iki net silpnos šviesos.Todėl CCD veikia su mažiau apribojimų dėl išorinių sąlygų.

Platus dinaminis diapazonas: CCD tinkamai išsiaiškinti ir tuo pačiu metu užfiksuoja tiek intensyvią, tiek silpną šviesą, praplečiančią operacinę aplinką, nepasiduodama ryškiems ryškumo kontrastams.

Pagirtinas tiesiškumas: proporcingas ryšys tarp įvykio šviesos intensyvumo ir išvesties signalo užtikrina, kad objekto informacija yra tiksliai įrašyta, todėl signalo kompensacija bus mažiau apdorojamos.

Aukštas kvantinis efektyvumas: užfiksuojami net silpni šviesos šaltiniai, o kai kartu su vaizdų sustiprėjais ir projektoriais tolimos scenos tampa pastebimos net naktį.

Platus regėjimo laukas: Didelio ploto CCD lustai, sukurti naudojant puslaidininkių technologiją, pradėta pakeisti tradicinius filmus skaitmeniniuose kamerose, pereinamojoje pagrindinėje profesionalioje fotografijai.

Platus spektrinis atsakas: galintis aptikti didžiulį bangos ilgio diapazoną, CCD padidina sistemos lankstumą, plečiant taikymo domenus.

Sumažintas vaizdo iškraipymas: naudojant CCD jutiklius, vaizdų apdorojimas ištikimai parodo tikrąją objektų pobūdį SANS iškraipymą.

Kompaktiškumas ir lengva integracija: kompaktiškas ir lengvas, CCDS randa lengvą pritaikymą palydovuose ir navigacijos sistemose.

Efektyvus įkrovos perdavimas: integruotas signalo ir triukšmo santykis ir skiriamoji geba, blogas įkrovos perdavimas sukelia neryškius vaizdus, ​​pabrėžiant šio aspekto kompetenciją CCD jutikliuose.

CMOS technologija

CMOS vaizdo jutiklių supratimas

CMOS gamybos procesas yra lygiagretus tipiškų kompiuterinių lustų, labai priklausančių nuo silicio ir germanio puslaidininkių.Ši dvigubos medžiagos kompozicija įgalina neigiamai įkrauto N tipo ir teigiamai įkrauto P tipo puslaidininkio CMO sambūvį.Per šias papildomas savybes per apdorojimo lustą sukuriamos, užfiksuojamos ir paverčiamos vaizdais į vaizdus.Laikui bėgant, inovacijos atskleidė CMOS sugebėjimą tarnauti kaip vaizdo jutiklis, išplėsdama jo naudojimą skaitmeninėje fotografijoje.

Papildomas metalo oksido-semiklaidininkas arba CMO pirmiausia apima silicio ir germanio puslaidininkius.Tai veikia panaudojant neigiamai ir teigiamai įkrautų tranzistorių sąveiką.Vaizdo užfiksavimo galimybė atsiranda dėl dabartinių, kuriuos sukuria šie efektai, kuriuos apdorojanti lustas įrašo ir interpretuoja.

CMOS vaizdo jutikliai yra pripažįstami kaip tvirti kietojo kūno vaizdavimo įtaisai, dalijantis istorinėmis šaknimis su CCD technologija.Tipiškas CMOS vaizdo jutiklis integruoja komponentus, tokius kaip vaizdo jutiklio elementų matricos, eilutės ir stulpelių tvarkyklės, laiko valdymo logika, skelbimo keitiklis ir sąsajos duomenų magistralei ir valdymui.Šie elementai kartu veikia vieningame silicio luste, vykdydami tokius procesus kaip atstatymas, fotoelektrinis konversija, integracija ir rodmenys.

CMO fotoelektrinės konversijos galimybės primena CCD;Tačiau skirtumas su vėlesniais informacijos perdavimo metodais.

CMOS vaizdo jutiklių veiklos principai

MOS tranzistoriaus pikselių struktūra

Norint suprasti CMOS vaizdo jutiklį, pirmiausia reikia suvokti pagrindinę MOS tranzistoriaus pikselių struktūrą.Šioje sąrankoje MOS tranzistorius, sujungtas su fotodiodu, sudaro tašką.Integracijos metu MOS tranzistorius yra neaktyvus, nes fotodiodas generuoja nešiklius pagal kritimo šviesos intensyvumą, saugodamas juos savo PN jungtyje (diagramoje nurodytą kaip padėtį ①).

Užbaigus integraciją, į MOS tranzistoriaus vartus siunčiamas nuskaitymo impulsas, kad jį suaktyvintų.Tada fotodiodas atkuria etaloninį potencialą, leisdamas vaizdo srovei srautui per apkrovą.Šaltinis PN sankryža atlieka fotoelektrinę konversiją ir nešiklio saugyklą, o vaizdo signalai skaitomi, kai vartai gauna impulsą.

CMOS vaizdo jutiklių masyvo konfigūracija

Atskiros pikselių struktūros, suformuotos daugybės MOS tranzistorių, sukuria CMOS vaizdo elemento matricą.Ši sąranka reiškia CMOS vaizdo jutiklio aptikimo inicijavimą.Sudarytas iš horizontalaus poslinkio registro, vertikalaus poslinkio registro ir CMOS vaizdų jautrių elementų matricos (1-vertikalaus poslinkio registro, 2-horizontalios poslinkio registro, 3-horizontaliojo nuskaitymo jungiklio, 4-vertikalės nuskaitymo jungiklio, 5 vaizdų jutiklio masyvo, 6 ženklų linijos, 7-imčių jutiklio), šis masyvas sudaro pagrindinę jutiklio struktūrą.

Kiekvienas MOS tranzistorius veikia kaip jungiklis, kurį varo horizontalios ir vertikalios skenavimo grandinės.Nuoseklus aktyvinimas, palengvintas horizontaliojo poslinkio registro, leidžia identifikuoti stulpelius, o vertikalus poslinkio registras sistemingai nukreipia kiekvieną eilutę.Įprastą pikselį sudaro fotodiodas ir MOS tranzistorius, tarnaujantis kaip vertikalus jungiklis, paveiktas impulsų iš atitinkamų poslinkių registrų.Per šią konfigūraciją etaloninė įtampa (šališkumo) yra paeiliui taikoma kiekvienam fotodiodui.

Apšvietimo metu fotodiodas išleidžia talpą per vežėjų generavimą, kaupdamas signalą integracijos metu.Taikant šališkumo įtampą, yra signalo skaitymo procesas, kai vaizdo signalo dydžiai, koreliuojantys su pikselių šviesos intensyvumu.

CMOS vaizdo jutiklio darbo eiga: trijų žingsnių metodas

CMOS vaizdo jutiklio veikimas laikosi „Tri-Step“ metodo, kuris pavaizduotas jo funkcinėje bloko diagramoje:

1 žingsnis: Šviesa apšviečia pikselių masyvą, sukeldamas fotoelektrinį atsakymą, sukuriantį krūvį pikselių bloke.Scena, sutelkta per vaizdo lęšį ant jutiklių matricos-dvimatis konstruktas su fotodiodais kiekviename pikselyje-į elektrinius signalus perkelia šviesos intensyvumą.

2 žingsnis: Tikslinių taškų pasirinkimas veikimui vyksta per eilutės ir stulpelio pasirinkimo grandines, leidžiančias išgauti elektrinius signalus.Pasirinkimo metu eilutės logikos blokas gali atlikti nuoseklųjį arba susipynusį nuskaitymą, taip pat pritaikytą stulpeliams, įgalindamas vaizdų lango ištraukimą.

3 žingsnis: Post-processing, the pixel unit's signal is output.Analog signal processing units and A/D converters transform signals from image array to digital form.The primary task here includes signal amplification and noise reduction, enhancing signal-to-noise ratios.

Pixel signals undergo amplification and correlated double sampling (CDS) for processing.High-quality devices favor CDS to cancel static and related interference.This technique involves dual output comparisons—one output being a real-time signal and another a reference signal—in reducing interference.

Papildomi šios metodikos pranašumai apima KTC triukšmo mažinimą, iš naujo nustatymo triukšmą ir fiksuoto modelio triukšmą (FPN) kartu su 1/F triukšmo sumažinimu.It facilitates signal processing tasks like integration, amplification, sampling, and holding.The processed signal then proceeds to an analog/digital converter for digital output.

Be to, funkcinėms kamerų programoms lustas apima valdymo grandines, valdančias ekspoziciją, automatinį padidėjimą ir laiko sinchronizaciją.Šie mechanizmai užtikrina darnų veikimą integruotose grandinėse, su esminiais išėjimais, tokiais kaip sinchronizavimas ir linijos pradžios signalai, skirti sklandžiai fotoaparato funkcijai.

Dažnai užduodami klausimai [DUK]

1. What is the function of an image sensor?

An image sensor is a device that enables a camera to convert light, specifically photons, into electrical signals.These signals are then interpreted by the camera, aiding in the creation of imagery.Ankstyvosiomis skaitmeninės fotografijos dienomis pirmosiose kamerose buvo naudojami su įkrovos sujungtais įtaisais (CCD), kad būtų lengviau perkelti ir modifikuoti elektros krūvius visame įrenginyje.

2. How much does an image sensor cost?

CMOS image sensors find their way into a variety of budget-friendly applications.They are commonly used in devices such as entry-level digital still cameras, personal digital assistants (PDAs), and mobile phones.Depending on the specific application, the production costs for these sensors typically range between $4 and $10.

3. How do camera sensors operate?

At its core, understanding how a camera sensor works involves recognizing the moment when the shutter opens.It is at this time that the sensor captures photons that enter through the lens and converts them into electrical signals.These signals are read by the camera's processor, which then interprets them into colors.This colorful data is compiled to create the final image.

4. What role does an image sensor play in a CCTV camera?

Within an IP camera, the image sensor is responsible for capturing the light that penetrates the lens.This captured light is transformed into electrical signals, which are then recorded and viewed as video footage.This process allows for real-time monitoring and playback of visual data.

5. In what ways does sensor size influence image quality?

Didesnis jutiklis fotoaparate paprastai reiškia didesnius fotositetus, kuriuose gali būti daugiau megapikselių ir prisidėti prie aukštesnės skiriamosios gebos aukštesnių vaizdų.A high-resolution outcome ensures that your photos maintain their quality, even when enlarged to considerable sizes.