Шта је ЦМОС сензор слике? Дубин разумети

Од паметних телефона до аутомобила за само-вожњу у индустријску инспекцијску опрему, скоро сви уређаји који ухвате дигиталне слике ослањају се на основну технологију: ЦМОС сензор слике (ЦИС). Одговорна је за претварање светлости у дигиталне сигнале који се могу препознати и обрађивати електронским уређајима.

Па, шта је ЦМОС сензор слике? Шта је његова унутрашња структура? Како се светлост претвори у дигиталну слику? Зашто је заменио ЦЦД и постао маинстреам? Овај чланак ће вам пружити дубинско разумевање сензора слика ЦМОС-а, анализирање њихових принципа рада, кључних компоненти, предности и тренутне технолошке еволуције.

ЦМОС сензор слике је полуводички уређај који користи комплементарни метал-оксид-полуводички (ЦМОС) технологију за претварање инцидента (фотона) у електричне сигнале, на крају формира дигиталну слику.

Једноставно речено, ЦМОС сензор слике је интегрисани чип са хиљадама ситних фотосензисијских јединица, названих пиксела, густо упаковано на њену површину. Сваки пиксел може да открије светло и претвори га у електрични набој, који се затим претвори у дигиталне податке кроз кругове интегрисане на чип, на крају формира дигиталну слику коју видимо.

what is cmos sensor

Кључно за разумевање како функционише ЦМОС сензори за сензори је да разумеју како делују на нивоу пиксела и како се сигнал чита.

Фотоелектрична конверзија (фотодиода):
У срцу сваког пиксела је фотодиода. Када светлост (фотони) удари на фотодиоду, генерише се парови електронских рупа, где се прикупљају електрони и генерише се набоје. Што је јачи свјетло за инцидент, то се више наплаћује у одређеном времену изложености.

Акумулација и конверзија наплате:
Количина наплате сакупљене фотодиодом пропорционална је интензитету светлости. Ове оптужбе се привремено чувају у способној раскрсници фотодиоде. Када читате, ове акумулиране оптужбе претварају се у напон сигнал.

Активни сензор пиксела (АПС):
Ово је основна разлика између ЦМОС сензора и традиционалних ЦЦД сензора. У ЦМОС сензору, сваки пиксел садржи сопствени активни круг, обично састављен од више транзистора (најчешће 3Т-ове архитектуре). Ови транзистори врше кључне функције унутар пиксела:

Ресетујте транзистор:Користи се за брисање оптужбе из последње изложености у фотодиоду у припреми за нови циклус експозиције.
Извор Фолловер \/ Амплифиер Трансистор:Претвара накнаду на акумулирану у фотодиоду у сигнал напона и врши пуферирање или прелиминарно појачање за смањење буке и повећања снаге сигнала.
Ред Селецт Трансистор:Делује као прекидач да би се омогућило екстерним читањим круговима да приступи сигналу реда где се налази пиксел.
(У 4Т архитектури) Трансфер капија Транзистор:У пикселу 4Т, фотодиода преноси оптужбу за плутајућу дифузију, која је затим повезана са извором следбеника. Ова трансферна капија помаже побољшање фотоелектричне конверзије и смањење буке.

Паралелно очитавање и аналогно-дигитална конверзија (АДЦ):
Пошто сваки пиксел садржи активне кругове, ЦМОС сензори се могу очитати паралелно. То значи да вишеструки редови или стубови пиксела истовремено могу читати сигнале, а сваки сигнал се преноси на аналогни-дигитални претварач (АДЦ) након проласка кроз појачало (обично у самом појачаловима (обично у самом пикселу).

За разлику од ЦЦД-а, ЦМОС сензори обично интегришу АДЦ директно на сензорски чип и чак могу да конфигуришу независне АДЦ за сваку колону или сваку групу пиксела, чиме се постиже изузетно високе брзине за очитавање података. АДЦ претвара аналогни сигнал напона у дигиталне вредности, који су подаци о пикселу финалне слике.

Комплетан ЦМОС сензор сензора садржи више функционалних модула:

Пикел Арраи:Дводимензионална мрежа густи се са фотодиодима и активним транзисторима, што је основно подручје заробљавања слика.
Артраи у боји (ЦФА):Смештен изнад низа пиксела, она обично усваја баиер образац, а сваки пиксел омогућава само једну од три боје црвене, зелене и плаве боје. На овај начин сваки пиксел забележи само интензитет светлости одређене боје, а затим се демонстрација вршиИСПда реконструишете слику у боји.
Микроленција:Смјештен изнад филтера у боји, сваки пиксел одговара микроленима, које се користи за фокусирање светлости на алкохолу на фотодиоду сваког пиксела за побољшање употребе светлости.
Ров \/ Колонски декодери:Користи се за тачно адресу и одабир СпикЕл Ров или колона која се чита.
Очитавање круга:Укључује појачала на нивоу пиксела (следбенике извора), појачала за ступац и АДЦ-ове интегрисане на чип за претварање аналогних сигнала у дигиталне сигнале.
ЛОГИКА ВИМИНГ & ЦОНТРОЛ:Управља временом целокупног рада сензора, укључујући експозицију, ресетирање, читање итд.
Дигитални излазни интерфејс:Преноси прерађени дигитални подаци о дигиталним сликама на спољни сигнал сигнала (ИСП) или контролер домаћина.

Key Components Of A CMOS Image Sensor

Пре успона сензора ЦМОС-а, сензори ЦЦД (уређај за повезивање) били су главни ток дигиталног слике. ЦЦД сензори раде попут "релеја канте": Наплата коју је сакупи сваки пиксел преноси се на суседне пикселе један по један док не дође до очигледног чвора на ивици чипа за конверзију. Ова метода очитавања серијског очитавања доноси својствене ограничења.

ЦМОС сензори имају следеће значајне предности у односу на ЦЦД сензоре због своје јединствене архитектуре, чинећи ихпрви избор за већину модула камереДанас:

Већа брзина:ЦМОС-ов паралелни очитавање омогућава прераду више редова или ступаца података истовремено, што је много брже од ЦЦД-ова серијска очитавања, паВиши брзина кадраможе се постићи.
Нижа потрошња електричне енергије:ЦМОС сензори који обављају претворбу на напону у пикселу, а процес очитавања не захтева премештање велике наплате што је често као ЦЦД, па је потрошња електричне енергије значајно смањена, чинећи га врло погодним за уређаје на батерије (попут паметних телефона).
Нижи трошак:ЦМОС сензори се могу произвести са стандардним поступцима производње полуводича, што је исплативије и лакше за масовне производње.
Виша интеграција:На основу ЦМОС технологије, сензори за слике могу се лако интегрисати са логиком контроле, АДЦ, па чак и неке ИСП функције на истом чипу за формирање "камера на чипу", смањујући тако спољне компоненте и смањење сложености и смањења система.
Мање размаза \/ цветања:Пошто се сваки пиксел чита самостално, ЦМОС сензори су мање склони ЦЦД-у (вертикалној белим пругама) и цвјети (белих тачака шире се споља од светлих светла).
Флексибилно очитавање:ЦМОС сензори могу прочитати одређене области (РОИ) без читања целог сензора.

Ефекат ролете:Већина ЦМОС сензора користи читање ролета за ролете, што може проузроковати изобличење слике приликом снимања брзих објеката. Међутим, са развојем технологије,Глобални затварачПојавили су сензори ЦМОС-а, решавајући овај проблем и широко се користе у индустријским и професионалним областима.Чланак о Глобалном затварачу у односу на Роллинг Схуттер.

Историјски већа бука:Рани ЦМОС сензори увели су додатну буку због интеграције транзистора у сваком пикселу. Међутим, уз напредовање производних процеса и технологија за смањење буке (као што су интегрисање корелационих ЦД-ова у пикселима), савремени ЦМОС сензори направили су велики пробоји у контроли буке, чак и на надмасавању ЦЦД-а у неким аспектима.

ЦМОС сензор сензора сензора и даље се развија, а ево неколико важних иновација:

Осветљење задње стране (БСИ):Традиционални ЦМОС сензори (фронт-осветљени) постављају ожичење метала и транзисторе изнад фотодиоде, блокирају мало светлости. БСИ технологија помера слој ожичења испод или на полеђини фотодиоде, омогућавајући светло да се директније и ефикасније постигне светлост да достигнете фотосензибилно подручје, значајно побољшање фотосензибилности и квантне ефикасности, посебноУ ниско светлосним окружењимаи стандардна је карактеристика модерних модула камере паметних телефона.
Слагане ЦМОС:Даљњи развој БСИ технологије. Производи пиксел арраи чип и логички чип за обраду (укључујући ИСП и складиштење итд.) Засебно га заудате и повезује их са ситним конекторима. Ова тродимензионална структура слагања не само да се сензор не само мањи, већ и омогућава брже брзине прераде и више функција на чипу.
Глобални ЦХОТТЕР ЦМОС:Дизајнирани посебно за апликације које захтевају хватање брзих слика велике дисторзије, додаје меморију за чување набоја унутар сваког пиксела како би се свима пиксела омогућили истовремено, решавање ефекта ролете.

Advanced CMOS Technologies

ЦМОС сензор слике (ЦИС), као основна технологија за претварање светлости у дигиталне слике, постиже предности велике брзине, мале потрошње електричне енергије, ниске трошкове и високе интеграције кроз јединствену активну пикселу архитектуру и паралелно очитавање. Иако је било изазова као што су окидач, са непрекидним иновацијама напредних технологија, као што су осветљени, сложени и глобални затварач, ЦМОС сензори су превазишли своје историјске недостатке, постигли скок у перформансама и заузели апсолутну доминантну позицију у различитим доминантним положајем у различитим апликацијама за дигитално снимање.

Дубоко разумевање принципа и карактеристика ЦМОС сензора слика је пресудан први корак за било који програм или програмер система који је укљученМодули камере. То су ти ситне "електронске очи" које дају модерни уређаји могућност посматрања и разумевања света.

1.Колико дуго траје ЦМОС сензор слике? Хоће ли се истрошити?
A.ЦМОС сензори за слике су солид-стате полуводичке уређаје без механичких делова хабања. У нормалним радним условима (у оквиру дизајнерских граница, као што су температура и напон), њихов живот је веома дуг, обично далеко већи од живота производа у којем су интегрисани. Његова деградација перформанси углавном долази од повећања тамне струје која се акумулирала током дужег временског периода (који се манифестује као повећана бука), али то је обично врло спор процес и није уочљив у животу потрошачких производа. Екстремна топлота или зрачење могу убрзати старење.

2.редите ЦМОС сензори подложни оштећењу или "горући" попут традиционалног филма?
A.ЦМОС сензори су углавном издржљивији од традиционалних филмова или раних сензора ЦЦД-а, али нису у потпуности "неуништиви". У изузетно јакој директној светлости (као што је директно указивање на сунце, ласерска греда), дуготрајно пренасертизовано излагање може проузроковати трајно оштећење пиксела (мртвих пиксела или врућих тачака) или проузроковати ефекат "изгоревања". Стога би се модули камере треба избегавати да дуго буде изложени екстремном светлу.

3. Шта је граница минијатуризације ЦМОС сензора слика?
A.Минијатуризација сензора слике ЦМОС-а ограничена је законима физике и производње процеса. Када се величина пиксела смањи у одређеној мери, ефикасност фотона колекције ће се смањити, бука ће се релативно повећавати, а квантни ефекат ће постати очигледнији, што резултира смањењем квалитета слике. У исто време, постаје изузетно тешко интегрирати довољно кругова (као што су транзистори) и постићи ефикасно расипање топлоте у изузетно малим величинама. Упркос томе, произвођачи и даље истражују нове материјале и структуре (као што су наслагане, напредније БСИ) да се пробију кроз ове границе како би се задовољиле потребе мањих ендоскопских камера или носивих уређаја.