Introduktion till bildsensorteknik

Den grundläggande förutsättningen för elektronisk avbildning är att ljusenergi omvandlas till elektricitet på ett sätt som bevarar visuell information. som låter oss rekonstruera de optiska egenskaperna hos en scen. Denna förutsägbara växelverkan mellan fotoner och elektroner initierar processen att fånga digitala bilder. När den energi som levereras av incident fotoner omvandlas till elektrisk energi, systemet måste ha något sätt att kvantifiera denna energi och lagra den som en sekvens (eller matris) av värden.

I de flesta bildsensorer, konverteringen från ljus till elektricitet görs av en fotodiod, som är en PN-korsning vars struktur gynnar generering av elektronhålpar som svar på incidentljus.

Fotodioder är vanligtvis tillverkade av kisel, men andra halvledare material såsom indium arsenid, indium antimonid, Kvicksilverkadmiumtellurid osv. används också för olika särskilda ändamål.

Ett viktigt framsteg i bildsensortekniken var skapandet av en fotodiod. I bilden ovan består en fotodiod, liksom en normal diod, av en p-typ region och en n-typ region.

Uppnådda fotodioder har en ytterligare region tillverkad av högdopad p-typ (p för kort) halvledare. Det är tunnare än de två andra regionerna.

Denna figur visar strukturen av en fastna fotodiod integrerad i en bildsensorr

Infördes på 1980-talet Fångade fotodioder löste problemet (kallad "hysteresis") i samband med den försenade överföringen av ljusgenererad laddning. Fotodioder i fast stil erbjuder också högre kvanteffektivitet, förbättrad bullerprestanda, och lägre mörk ström (vi kommer att återvända till dessa begrepp senare i denna serie).

Idag är det ljuskänsliga elementet i nästan alla CCD- och CMOS-bildsensorer en pinned fotodiod.

De två huvudsakliga bildteknikerna är CCD ( Charge kopplad enhet) och CMOS.

Det finns också andra typer av sensorer, såsom NMOS-sensorer för spektroskopi, Miniatyrfotometrar som ger känslighet för infraröd termisk avbildning, och särskilda tillämpningar kan använda fotodioder som är anslutna till anpassade förstärkarkretsar.

Vi kommer dock att fokusera på CCD och CMOS. Dessa två allmänna sensorkategorier omfattar ett mycket brett spektrum av tillämpningar och funktioner.

Det verkar som om människor dras till värderingen av "Vad är bättre?" Frågor som ytfäste eller genom-hål? BJT eller FET? Canon eller Nikon? Fönster eller Mac (eller Linux)? Dessa frågor har sällan meningsfulla svar, och även att jämföra enskilda drag kan vara svårt.

Vad är bättre, CMOS eller CCD? Den traditionella jämförelsen går så här: CCD har lägre buller, bättre pixel-till-pixel enhetlighet, och har ett rykte för överlägsen bildkvalitet. CMOS-sensorer erbjuder högre integrationsnivåer – minska komplexiteten för kretsdesigners – och lägre strömförbrukning.

Jag säger inte att bedömningen är felaktig, men den användbarheten är begränsad. Mycket beror på dina behov av sensorer och dina krav och prioriteringar.

Dessutom förändras tekniken snabbt. och de stora pengar som investeras i forskning och utveckling inom digital avbildning kan gradvis förändra mönstret för CCD och CMOS.

För det andra producerar bildsensorer inte bilder. Det är en integrerad del av ett digitalt bildsystem (en mycket viktig del, Naturligtvis), och den uppfattade bildkvalitet som produceras av systemet beror inte bara på sensorn, utan många fler faktorer. Det råder inget tvivel om att CCDs överträffar CMOS-sensorer för vissa optoelektroniska egenskaper. Men associera en CCD med högre totaltBildkvalitet verkar lite orimlig.

Ett CCD-sensorbaserat system kräver en stor designinvestering. CCD kräver en mängd olika effekt- och styrspänningar (inklusive negativa spänningar) och den tidpunkt som måste tillämpas. till sensorn kan vara mycket komplex. Bilden "data" som produceras av sensorn är en analog vågform som måste förstärkas fint och provtas. och naturligtvis varje signalbehandling eller data konverteringskrets har potential att introducera buller.

Låg ljudprestanda börjar med en CCD, men det slutar inte där - vi måste sträva efter att minimera buller i hela signalkedjan.

CCD utgående vågform

Situationen är helt annorlunda för CMOS-bildsensorer. De fungerar mer som standard integrerade kretsar, med logiknivås spänningskällor, bildbehandling på chip och digital utdata. Du kan också behöva hantera några extra bildljud, Men i många tillämpningar är detta ett litet pris att betala för att avsevärt minska designkomplexiteten, utvecklingskostnaderna och stress.

Bildbehandling är inte en typisk mikrocontroller-uppgift, särskilt inte när du arbetar med hög bildhastighet eller högupplösta sensorer. De flesta applikationer kommer att dra nytta av datorkraften hos en digital signalprocessor eller FPGA.

Kompression behöver också övervägas, särskilt om du behöver lagra bilder i minnet eller överföra dem trådlöst. Detta kan utföras med programvara eller programmerbar hårdvara.