Датчики изображения на основе CMOS «Active-Pixel Sensor» архитектуры

5.5.3. Датчики изображения на основе CMOS «Active-Pixel Sensor» архитектуры

Принципиальной особенностью CMOS «Active-Pixel Sensor-архитектуры (рис.5.25, а) является наличие в каждом пикселе помимо фоточувствительного элемента (фотодиода или фотозатвора) активной транзисторной схемы усиления сигнала с фотодатчика, выполненной по CMOS-технологии.

Рис. 5.25. CMOS «Active-Pixel»-архитектура (а) и CMOS-image sensor MT9M413C36STC фирмы Micron (б): 1 – активный усилитель; 2 – выбор строк; 3 – фотодетектор; 4 – выход столбцов

Структура типичного цветного CMOS-датчика представляет собой кремниевую подложку, на которой расположены фотодиоды, светофильтры и микролинзы. Поток света, проникая через микролинзы, разделяется светофильтрами на синюю, зелёную и красную составляющие, а затем поступает на фотодиоды. Наличие микролинз обусловлено стремлением повысить чувствительность датчика, путем фокусировки большего числа фотонов на фотоэлементе.

В CMOS-датчиках используют светофильтр (CFA – color filter array), построенный на основе модели «Bayer», изобретенной фирмой Kodak. Такая модель определяет следующее пространственное расположение цветных элементов фильтра, закрывающих фотодиоды:

Здесь G – зелёный фильтр, R – красный и B – синий.

Следует отметить, что чувствительность цветных датчиков почти в три раза меньше, чем черно-белых. Поэтому в условиях малой освещенности лучше использовать черно-белые датчики изображения (например, в видеокамерах охранных систем).

Каждый электрик должен знать:  ПУЭ-7 Глава 6.6 Осветительные приборы и электроустановочные устройства

Для изготовления традиционных ПЗС-датчиков необходима дорогостоящая производственная база и специализированные технологические процессы. В то же время изготовление датчиков изображения по CMOS-технологии позволяет использовать стандартное промышленное оборудование, которое применяется при производстве более 90 % всех существующих микросхем, от процессоров до модулей памяти.

Поскольку современная CMOS-технология позволяет обеспечить высокий уровень интеграции, имеется реальная возможность выпускать однокристальные датчики изображения, обладающие всеми необходимыми функциями для создания видеокамеры на кристалле. Такое решение приводит к значительному снижению стоимости готовой системы, поскольку исключает необходимость применения дополнительных микросхем.

Приборы архитектуры «Active-pixel sensor» (APS) потребляют почти в 100 раз меньше энергии, чем устройства на ПЗС-матрицах. Это достоинство особенно ощутимо в устройствах с автономным питанием: ноутбуках, сотовых телефонах, цифровых фотоаппаратах и пр. По своей сути ПЗС-матрицы – ёмкостные устройства, требующие высоких тактовых частот для достижения приемлемой эффективности переноса заряда, что приводит к значительным энергозатратам (до 2 – 5 Вт) при необходимости использовать несколько источников напряжения (от 5 до 15 В). В отличие от них системы «active-pixel» работают от одного источника напряжения (5 В; 3,3 В или 2,8 В), потребляя от 20 до 150 мВт мощности.

Каждый электрик должен знать:  Подключение датчиков температуры

Датчики, изготовленные по APS-архитектуре, обладают высоким быстродействием, что позволяет успешно использовать их в системах машинного зрения и для анализа быстродвижущихся объектов. Например, датчик MT9M413C36STC (рис.5.25, б) фирмы Micron обеспечивает быстродействие до 500 fps (frames per second – кадров в секунду).

Ввиду того, что в CMOS-датчике фотоприёмник и усилитель находятся в каждом пикселе, преобразование заряда в напряжение производится внутри пиксела. Благодаря этому имеется возможность считывать информацию о состоянии каждого пиксела отдельно, задавая адрес его строки и столбца в двумерном массиве элементов. Также можно получать изображение не со всей матрицы, а только с предварительно заданного региона – «окна». Это позволяет легко выполнять операции масштабирования, увеличения изображения. Возможность задания «окна» для считывания изображения может быть полезна для сжатия изображения, обнаружения движения в кадре или отслеживания передвижения объекта.

В табл. 5.3 приведены сравнительные характеристики датчиков изображения на основе CMOS «Active-Pixel Sensor»-архитектуры.

Каждый электрик должен знать:  Какое соединение проводов надежнее - зажимы Wago или скрутка История реальных испытаний

CMOS-датчики имеют в сравнении с ПЗС-устройствами довольно высокий уровень шума. Это вызвано двумя основными причинами:

1) незначительный разброс характеристик транзисторных схем усиления, имеющихся в каждом пикселе матрицы, приводит к различной реак
ции пикселей;

2) наличие темнового тока утечки.

Для улучшения соотношения сигнал/шум может быть использован цифровой сигнальный процессор (DSP).

По заявлениям фирмы Micron, её датчики изображения, построенные по CMOS-APS архитектуре, имеют средний входной уровень шума, сопоставимый с уровнем шума высококачественных дорогих ПЗС-матриц. Специальная схема подавления шумов, реализованная в её датчиках, обеспечивает превосходный динамический диапазон до 75дБ.

Другим недостатком CMOS-технологии является низкая чувствительность. Это вызвано наличием в каждом пикселе помимо светочувствительного элемента схем усиления, шумопонижения и пр. Отношение площади фоточувствительного элемента ко всей площади пиксела в процентах называется «fill factor» (коэффициентом заполнения). Большинство CMOS-датчиков имеют «fill factor» не превышающий 75 %. В отличие от них, у ПЗС-датчиков его значение достигает 100 %.

Сравнительные характеристики датчиков изображения на основе CMOS «Active-Pixel Sensor» архитектуры

Добавить комментарий