цифровая электроника
вычислительная техника
встраиваемые системы

 
» » Что такое КМОП датчик изображения, как он работает, его преимущества и недостатки

Что такое КМОП датчик изображения, как он работает, его преимущества и недостатки

Автор: Mike(admin) от 11-11-2020, 03:55

Датчик изображения является одним из основных блоков в системе цифровой обработки изображений и сильно влияет на общую производительность системы. Двумя основными типами датчиков изображения являются устройства с зарядовой связью (ПЗС) и формирователи изображения на основе КМОП. В этой статье мы рассмотрим основы работы с КМОП датчиками изображения.


Что такое КМОП датчик изображения, как он работает, его преимущества и недостатки

Большинство КМОП-фотодетекторов основано на работе фотодиода с PN-переходом. Когда фотодиод имеет обратное смещение (и обратное напряжение меньше, чем напряжение лавинного пробоя), через диод будет протекать составляющая тока, пропорциональная интенсивности падающего света. Этот компонент тока зачастую называют фототоком. Поскольку фототок линейно увеличивается с интенсивностью света, мы можем использовать фотодиод для создания фотодетектора. Абстрактное представление такой структуры фотообнаружения показано на следующем рисунке.


Что такое КМОП датчик изображения, как он работает, его преимущества и недостатки

Ключ сброса замыкается в начале цикла экспонирования для обратного смещения фотодиода до напряжения VD. Затем переключатель размыкается и генерируется фототок, пропорциональный интенсивности падающего света. Этот ток находится в диапазоне от фемто- до пикоампер и слишком мал для непосредственного измерения. Если мы позволим фотодиоду подвергаться воздействию света в течение заданного периода времени, tint, ток будет интегрирован по емкости диода CD. Накопленный заряд дает нам более сильный накопленный сигнал, который легче измерить. Кроме того, встроенный процесс усреднения делает накопленный сигнал более точным представлением измеренной интенсивности света, особенно при работе со слабыми или зашумленными сигналами.


Обратите внимание, что емкость накопления Qwell устанавливает верхний предел количества заряда, который может удерживать диод CD. Выше определенной интенсивности света диод будет насыщен, и накопленный заряд будет равен максимальному значению, как показано на рисунке выше. Следовательно, период интеграции следует выбирать тщательно.


Еще один неидеальный эффект, который следует учитывать, заключается в том, что, помимо фототока, существует еще одна составляющая тока, называемая темновым током, который протекает через диод. Темновой ток – это ток, который генерируется в отсутствие света. Этот компонент тока должен быть минимизирован, чтобы максимизировать чувствительность устройства.


Базовая структура КМОП датчика изображения представлена на следующем изображении.


Что такое КМОП датчик изображения, как он работает, его преимущества и недостатки

Двумерный массив фотодетекторов используется для измерения интенсивности падающего света. Заряд, создаваемый фотодетектором, преобразуется в сигнал напряжения и передается на выходной усилитель через набор переключателей «выбор строки» и «выбор столбца». АЦП используется для оцифровки усиленного сигнала. Для выполнения считывания значения пикселей данной строки передаются параллельно набору накопительных конденсаторов (не показаны выше), а затем эти переданные значения пикселей считываются последовательно.


На приведенном выше рисунке показана архитектура APS (датчик с активными пикселями). В устройстве APS каждое местоположение пикселя содержит не только фотодиод, но и усилитель. Более простая архитектура, известная как PPS (пассивный пиксельный датчик), не интегрирует усилитель в пиксель. В устройстве DPS (датчик цифрового пикселя) каждый пиксель имеет свой собственный аналого-цифровой преобразователь и блок памяти. Следовательно, пиксели в архитектуре DPS выводят цифровые значения, пропорциональные интенсивности света.


Что такое КМОП датчик изображения, как он работает, его преимущества и недостатки

Как следует из названия, КМОП датчики изображения изготавливаются по стандартной технологии КМОП. Это большое преимущество, поскольку оно позволяет нам интегрировать датчик с другими аналоговыми и цифровыми схемами, необходимыми для системы визуализации. Комплексное решение позволяет снизить энергопотребление и улучшить скорость считывания. Это не относится к другим технологиям датчиков изображения, таким как устройства с зарядовой связью, которые основаны на специальных производственных технологиях, оптимизированных для передачи заряда и формирования изображений.


Недостатком датчика изображения CMOS является то, что в тракте считывания имеется несколько активных устройств, которые могут создавать изменяющийся во времени шум. Кроме того, несоответствия при изготовлении могут привести к несоответствию между усилителями заряда и напряжения разных пикселей. Это приводит к шуму с фиксированной структурой, когда разные пиксели дают разные значения, даже если они подвергаются равномерному освещению.


У многих КМОП датчиков изображения цикл экспонирования различных строк пикселей начинается в несколько разное время. Обычно строки сбрасываются последовательно сверху вниз. По истечении времени интегрирования данной строки должно начаться ее считывание. Следовательно, интеграция света происходит последовательно сверху вниз, как и процесс сброса. Это может вызвать своего рода искажение, называемое артефактом скользящего затвора, при съемке быстро движущегося объекта. Это связано с тем, что сцена с быстро движущимся объектом может измениться к тому времени, когда будут захвачены все пиксели. Артефакт проявляется как некоторая нежесткость или изгиб в захваченной сцене. Это показано на следующем рисунке.


Что такое КМОП датчик изображения, как он работает, его преимущества и недостатки

Современные КМОП датчики более высокого класса имеют гораздо более высокую скорость считывания и позволяют легче избежать этого неидеального эффекта. Кроме того, есть датчики изображения на основе КМОП с глобальным затвором, где цикл сброса и выдержки всех пикселей происходит одновременно. В конце времени интегрирования накопленный заряд различных пикселей одновременно переносится в область хранения для дальнейшей обработки. Поскольку цикл экспозиции всех пикселей происходит одновременно, эффект скользящего затвора отсутствует.


Итак, мы выяснили, что фотодиод с обратным смещением создает составляющую тока, пропорциональную интенсивности падающего света. Двумерный массив этих фотодетекторов можно использовать для реализации датчика изображения типа КМОП. Пиксели в таком датчике изображения могут иметь разный уровень сложности. Например, пиксели КМОП датчика изображения могут содержать не только фотодиод, но и усилитель. Устройство DPS (цифровой пиксельный датчик) использует более сложные пиксели, где каждый пиксель имеет свой собственный аналого-цифровой преобразователь и блок памяти. Наиболее важным преимуществом КМОП датчиков изображения является возможность интеграции датчика с другими аналоговыми и цифровыми схемами, необходимыми для системы формирования изображения. Два источника шума, которые могут ухудшить характеристики КМОП датчиков изображения – это несоответствие изготовления компонентов разных пикселей и шум от активных устройств на пути считывания.




© digitrode.ru


Теги: датчик изображения




Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.

Комментарии:

Оставить комментарий