Van licht tot signaal: het verkennen van de mechanismen van CCD- en CMOS -sensoren

Beeldsensoren converteren licht in elektronische signalen, waardoor digitale beeldvorming in camera's en optische apparaten mogelijk wordt.Deze sensoren vormen de basis van moderne visuele systemen en maken gegevens met hoge resolutie vast via precieze foto-elektrische conversiemechanismen.

Catalogus

Invoering

Een beeldsensor, vaak aangeduid als een lichtgevoelig element, is een voortreffelijk apparaat dat een optisch beeld transformeert in een elektronisch signaal, waardoor de magie van het vastleggen van momenten door digitale ogen wordt vastgelegd.Het speelt een essentiële rol in het ingewikkelde ontwerp van digitale camera's en verschillende andere elektronische optische apparaten.Gebruikmakend van de foto -elektrische conversiemogelijkheden die inherent zijn aan foto -elektrische apparaten, vertaalt de beeldsensor het lichte beeld dat op zijn lichtgevoelige oppervlak is vastgelegd in elektrische signalen die een directe relatie met het originele lichtbeeld behouden.In tegenstelling tot eenvoudige "punt" lichtbronnen zoals fotodiodes en fototransistors, verdeelt de beeldsensor het lichte beeld op unieke wijze op het receptieve oppervlak in talloze kleine eenheden, waardoor de visuele informatie wordt omgezet in elektrische signalen die geschikt zijn voor verdere verwerking.

CCD -beeldsensoren en hun fijne kneepjes

Intrigerende definitie van CCD -beeldsensor

Op het gebied van fotografie dient de CCD als een geavanceerde technologische component, gericht op mensen met een voorliefde voor fijnere beeldkwaliteit.CMOS vindt CMOS zijn plaats in scenario's waar hoog beeldhelderheid niet de primaire focus is.Men zou de allure van CMO's kunnen waarderen met zijn betaalbare productiekosten en indrukwekkend lage stroomvereisten in vergelijking met de meer traditionele CCD.Ondanks hun technologische kloof blijven de verschillen in hun resultaten subtiel.Bijvoorbeeld, CMOS -camera's hunkeren naar en eisen een meer verfijnde lichtbron, een uitdaging die vandaag grotendeels wordt overwonnen.De CCD -elementen meet meestal ongeveer 1/3 inch tot 1/4 inch.Wanneer pixeldichtheid gelijkwaardig is, is een groter element vaak een meer gewenste keuze.

De reis van CCD begon in 1969 in Bell Labs, tot bloei in massaproductie, met name omarmd door Japanse ondernemingen.Het verhaal overspant bijna drie decennia en bloeide in twee verschillende typen: lineaire en gebied CCD's.Lineaire CCD's lenen zich voor beeldscanners en faxmachines, terwijl gebieds -CCD's bloeien in rijken zoals digitale camera's, camcorders en beveiligingsbewaking.

In wezen staan ​​CCD's als de digitale opvolgers van de traditionele film, waarbij het eeuwenoude principe van lichtgevoelige chemicaliën op film weerspiegelt.Dit geavanceerde medium, vervaardigd uit halfgeleidermaterialen met hoge gevoeligheid, transformeert licht in elektrische ladingen en vervolgens in digitale signalen via een analoge-digitale converter.Deze digitale signalen, eenmaal vastgelegd, worden behendig gecomprimeerd en genesteld in het interne geheugen of de harde schijfkaart van een camera, die het gemak van computeroverdracht bieden voor verdere verfijning van het beeld.

De complexe dans van het werkprincipe van een CCD -beeldsensor

Een CCD is een ensemble van talloze lichtgevoelige eenheden, elk meestal gemeten in megapixels.Wanneer het wordt vereerd door licht, werpt elke eenheid zijn lading, waardoor ze zich in een coherent beeld samensmelten wanneer hun uitgangen samenkomen.

De essentie van een CCD is een MOS-condensator, een toevluchtsoord voor elektrische ladingen, zoals geïllustreerd in figuur 1. Beschouw het p-type silicium: op het oppervlak ligt een SiO2-laag, geboren door oxidatie, gegarneerd met een metalen laag die als een poort werkt.Meerderheiddragers in p-type silicium zijn positief geladen gaten;Minderheidsdragers zijn negatief geladen elektronen.Het aanbrengen van een positieve spanning op de metaalelektrode creëert een elektrisch veld dat deze dragers manipuleert via de SiO2 -isolerende laag.Bijgevolg trekken positief geladen gaten zich terug uit de elektrode, waardoor elektronen standvastig achterblijven in de buurt van SiO2, waardoor een negatieve ladingslaag wordt gevormd, een fenomeen dat wordt beschreven als een elektronenval of potentiële put.

Wanneer het wordt blootgesteld aan licht, veroorzaakt de energie van het foton elektronengatparen binnen de halfgeleider, waarbij elektronen zijn toevlucht die binnen de potentiële put is gebruikt.Lichtintensiteit correleert direct met elektronenaccumulatie en biedt een tastbare transformatie van licht in ladingen.Opmerkelijk is dat deze ladingen bestaan, zelfs nadat het licht afneemt, waardoor de essentie van het licht in het geheugen wordt vastgelegd.

Het vereenvoudigen van deze ingewikkelde structuur onthult een minuscule MOS -condensator die als een pixel functioneert, in staat om een ​​‘latente beeld’ vast te leggen.Hier leidt lichtgevoeligheid tot het verzamelen van ladingen en vormt variabiliteit in de leiding tussen pixels een latente afbeelding.Het effectief overbrengen van kosten tussen condensatoren creëert rijen, frames en uiteindelijk wordt een compleet beeld een realiteit.

Fascinerende kenmerken van CCD -beeldsensoren

Hoge resolutie: de details van een afbeeldingspunt duiken in het micrometer -rijk, het vastleggen en onderscheiden van fijne details, wat resulteert in verbeterde beeldkwaliteit.Variërend van 1 inch tot 1/9 inch elementen, zijn de pixeltellingen gestegen van iets meer dan 100.000 naar een indrukwekkende 4-5 miljoen pixels.

Lage ruis en benijdenswaardige gevoeligheid: CCD's onderscheiden zich door minimale leesgeluid en donkere stroomruis, het verrijken van signaal-ruisverhoudingen en het uitbreiden van hun gevoeligheid tot zelfs zwak licht.Bijgevolg werken CCD's met minder beperkingen van externe omstandigheden.

Wijd dynamisch bereik: CCD's onderscheiden en legt tegelijkertijd zowel intens als zwak licht, verbredende operationele omgevingen zonder te bezwijken aan grimmige helderheidscontrasten.

Lovenswaardige lineariteit: een evenredig verband tussen de invallende lichtintensiteit en uitgangssignaal zorgt ervoor dat objectinformatie nauwkeurig wordt geregistreerd, wat resulteert in minder verwerkingskosten voor signaalcompensatie.

Hoge kwantumefficiëntie: zelfs vage lichtbronnen worden vastgelegd, en in combinatie met beeldintensifiers en projectoren worden verre scènes zelfs 's nachts waarneembaar.

Uitgebreide gezichtsveld: CCD-chips met groot gebied, gemaakt door middel van halfgeleidertechnologie, zijn begonnen met het vervangen van traditionele films in digitale camera's, een overgangscenitie voor professionele fotografie.

Brede spectrale respons: in staat om een ​​breed scala aan golflengten te detecteren, CCD's verbeteren systeemflexibiliteit, het uitbreiden van applicatiedomeinen.

Verminderde beeldvervorming: met CCD -sensoren vertegenwoordigt beeldverwerking trouw de ware aard van objecten zonder vervorming.

Compactheid en eenvoudige integratie: compact en lichtgewicht, CCD's vinden eenvoudige toepassingen in satellieten en navigatiesystemen.

Efficiënte ladingsoverdracht: integrale tot het vergroten van signaal-ruisverhoudingen en resolutie, slechte ladingsoverdracht resulteert in wazige beelden, wat de uitmuntendheid van dit aspect binnen CCD-sensoren onderstreept.

CMOS -technologie

CMOS -beeldsensoren begrijpen

Het CMOS -productieproces loopt parallel met dat van typische computerchips, die sterk afhankelijk zijn van silicium- en Germanium -halfgeleiders.Deze dubbele materiële samenstelling maakt de coëxistentie mogelijk van een negatief geladen N-type en een positief geladen P-type halfgeleider binnen de CMO's.Door deze complementaire eigenschappen worden stromen geproduceerd, vastgelegd en omgezet in afbeeldingen via een verwerkingschip.In de loop van de tijd onthulde innovatie het vermogen van CMO's om als beeldsensor te dienen en het gebruik ervan uit te breiden naar digitale fotografie.

Een complementaire metaal-oxide-halfgeleider of CMOS omvat voornamelijk silicium- en Germanium-halfgeleiders.Het functioneert door gebruik te maken van het samenspel van negatief en positief geladen transistoren.De afbeelding-capturingcapaciteit komt voort uit de huidige die deze effecten genereren, die de verwerkingschip records en interpreteert.

CMOS-beeldsensoren worden herkend als robuuste beeldvormingsapparatuur voor vaste toestand en deelt historische wortels met CCD-technologie.Een typische CMOS -beeldsensor integreert componenten zoals beeldsensorcelarrays, rij- en kolom stuurprogramma's, timingregelingslogica, een AD -omzetter en interfaces voor gegevensbusuitvoer en -regeling.Deze elementen functioneren gezamenlijk binnen een uniforme siliciumchip, waarbij processen zoals reset, foto -elektrische conversie, integratie en uitlezing worden uitgevoerd.

De foto -elektrische conversiemogelijkheden van CMO's lijken op die van CCD;Diverging in de daaropvolgende methoden voor informatieoverdracht.

Operationele principes van CMOS -beeldsensoren

Pixelstructuur van de MOS -transistor

Om een ​​CMOS -beeldsensor te begrijpen, moet men eerst de fundamentele pixelstructuur van de MOS -transistor begrijpen.Binnen deze opstelling vormt een MOS -transistor in combinatie met een fotodiode een pixel.Tijdens lichte integratie is de MOS -transistor inactief omdat de fotodiode dragers genereert op basis van invallende lichtintensiteit, waardoor ze worden opgehouden in zijn PN -junctie (aangegeven als positie ① in het diagram).

Bij de voltooiing van de integratie wordt een scanpuls naar de MOS -transistorpoort gestuurd om deze te activeren.Het fotodiode herstelt vervolgens de referentiepotentiaal, waardoor de stroomstroom stroomt over de belasting.De bron PN Junction voert foto -elektrische conversie en drageropslag uit, met videosignalen gelezen als de poort een pulstrigger ontvangt.

CMOS -beeldsensor array -configuratie

Individuele pixelstructuren, gevormd door talloze MOS-transistors, stellen een CMOS-beeld-elementarray op.Deze opstelling betekent de initiatie van lichtdetectie door de CMOS -beeldsensor.Samengesteld uit een horizontaal schakelregister, verticaal schuifregister en CMOS-beeldgevoelige element array (1-verticaal schakelregister, 2-horizontaal schakelregister, 3-horizontale scanschakelaar, 4-verticale scanschakelaar, 5-image sensor array, 6-signaallijn, 7-imago, 7-imago-sensor), deze array vormt de kernsensorstructuur.

Elke MOS -transistor werkt als een schakelaar, aangedreven door horizontale en verticale scancircuits.Sequentiële activering, gefaciliteerd door het horizontale schuifregister, maakt identificatie van kolommen mogelijk, terwijl het verticale schuifregister systematisch elke rij aanpakt.Een typische pixel bestaat uit een fotodiode en MOS -transistor die dient als een verticale schakelaar, beïnvloed door pulsen uit overeenkomstige schuifregisters.Via deze configuratie wordt referentiespanning (bias) opeenvolgend toegepast op elke fotodiode.

Onder verlichting loost de fotodiode capaciteit via het genereren van dragers, waardoor een signaal tijdens de integratie wordt verzameld.De toepassing van biasspanning is een voorbeeld van een signaalleesproces, met videosignaalgroottes die correleren met pixel lichtintensiteit.

Workflow van een CMOS-beeldsensor: een driestapsbenadering

De werking van een CMOS-beeldsensor volgt een driestapsbenadering zoals afgebeeld in zijn functionele blokdiagram:

Stap 1: Licht verlicht de pixelarray, die een foto -elektrische respons opwekken, lading genereren binnen de pixeleenheid.De scène, gefocust via een beeldvormende lens op de sensorarray-een tweedimensionaal construct met fotodiodes bij elke pixel-vertaalt de lichtintensiteit in elektrische signalen.

Stap 2: Selectie van doelpixels voor werking vindt plaats via rij- en kolomselectiekircuits, waardoor elektrische signalen kunnen worden geëxtraheerd.Tijdens de selectie kan de Row Logic -eenheid sequentiële of geïnterlinieerde scanning uitvoeren, ook van toepassing op kolommen, waardoor de extractie van de beeldvenster mogelijk wordt.

Stap 3: Natuurverwerking, het signaal van de pixeleenheid is uitgeschakeld.Analoge signaalverwerkingseenheden en A/D -converters transformeren signalen van beeldarray naar digitale vorm.De primaire taak hier omvat signaalversterking en ruisreductie, het verbeteren van signaal-ruisverhoudingen.

Pixelsignalen ondergaan versterking en gecorreleerde dubbele bemonstering (CDS) voor verwerking.Apparaten van hoge kwaliteit geven de voorkeur aan CD's om statische en gerelateerde interferentie te annuleren.Deze techniek omvat dubbele uitgangsvergelijkingen-de ene uitgang is een realtime signaal en een ander een referentiesignaal-bij het verminderen van interferentie.

Extra voordelen van deze methodologie zijn onder meer mitigatie van KTC -ruis, resetruis en vaste patroonruis (FPN), naast 1/F -ruisreductie.Het vergemakkelijkt signaalverwerkingstaken zoals integratie, versterking, bemonstering en vasthouden.Het verwerkte signaal gaat vervolgens over naar een analoge/digitale converter voor digitale uitvoer.

Bovendien bevat de chip voor functionele cameratoepassingen de besturingscircuits voor blootstelling, automatische versterking en timingsynchronisatie.Deze mechanismen zorgen voor samenhangende werking over geïntegreerde circuits, met essentiële uitgangen zoals synchronisatie en lijnstartsignalen voor naadloze camerafunctie.

Veelgestelde vragen [FAQ]

1. Wat is de functie van een beeldsensor?

Een beeldsensor is een apparaat waarmee een camera licht, met name fotonen, in elektrische signalen kan omzetten.Deze signalen worden vervolgens geïnterpreteerd door de camera en helpen bij het creëren van beelden.In de begindagen van digitale fotografie gebruikten de eerste camera's op lading-gekoppelde apparaten (CCD's) om de overdracht en modulatie van elektrische ladingen op het hele apparaat te vergemakkelijken.

2. Hoeveel kost een beeldsensor?

CMOS-beeldsensoren vinden hun weg naar verschillende budgetvriendelijke toepassingen.Ze worden vaak gebruikt in apparaten zoals digitale stillcamera's op instapniveau, persoonlijke digitale assistenten (PDA's) en mobiele telefoons.Afhankelijk van de specifieke toepassing variëren de productiekosten voor deze sensoren meestal tussen $ 4 en $ 10.

3. Hoe werken camerasensoren?

In de kern omvat het begrijpen van een camerasensor het herkennen van het moment waarop de sluiter opent.Het is op dit moment dat de sensor fotonen vangt die door de lens binnenkomen en deze omzetten in elektrische signalen.Deze signalen worden gelezen door de processor van de camera, die ze vervolgens in kleuren interpreteert.Deze kleurrijke gegevens zijn verzameld om de uiteindelijke afbeelding te maken.

4. Welke rol speelt een beeldsensor in een CCTV -camera?

Binnen een IP -camera is de beeldsensor verantwoordelijk voor het vastleggen van het licht dat de lens doordringt.Dit vastgelegde licht wordt omgezet in elektrische signalen, die vervolgens worden opgenomen en gezien als videobeelden.Dit proces zorgt voor realtime monitoring en het afspelen van visuele gegevens.

5. Op welke manieren beïnvloedt de sensorgrootte beeldkwaliteit?

Een grotere sensor in een camera betekent over het algemeen grotere fotosieten, die geschikt zijn voor meer megapixels en bijdragen aan superieure afbeeldingen met een hogere resolutie.Een uitkomst met hoge resolutie zorgt ervoor dat uw foto's hun kwaliteit behouden, zelfs wanneer het wordt vergroot tot aanzienlijke maten.