Czujnik obrazu - Image sensor

Przetwornik obrazu CCD na elastycznej płytce drukowanej
1-kilobitowy układ DRAM firmy American Microsystems, Inc. (AMI) (środkowy układ ze szklanym oknem) używany jako czujnik obrazu przez cyklop Cromemco

Przetwornik obrazu lub przetwornik obrazu to czujnik, który wykrywa i przekazuje informacje wykorzystywane do wykonania obrazu . Czyni to poprzez przekształcenie zmiennego tłumienia fal świetlnych ( przechodzących przez obiekty lub odbijających się od nich ) na sygnały , małe impulsy prądu, które przekazują informacje. Fale mogą być światłem lub innym promieniowaniem elektromagnetycznym . Czujniki obrazu są wykorzystywane w elektronicznych urządzeń do przetwarzania obrazu, zarówno analogowych i cyfrowych typów, do których należą aparaty cyfrowe , moduły kamery , aparaty fotograficzne , mysz optyczna urządzeń, obrazowania medycznego sprzętu, noktowizor urządzeń, takich jak termowizyjne urządzeń, radar , sonar i innych. Wraz ze zmianami technologii obrazowanie elektroniczne i cyfrowe ma tendencję do zastępowania obrazowania chemicznego i analogowego.

Dwa główne typy elektronicznych czujników obrazu to urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym (CCD) i czujnik z aktywnym pikselem ( czujnik CMOS ). Oba CCD i CMOS w oparciu o metal-tlenek-półprzewodnik techniki (MOS), kamery CCD podstawie kondensatorów MOS i CMOS podstawie MOSFET (MOS tranzystor polowy) wzmacniacza . Czujniki analogowe do niewidzialnego promieniowania zwykle wykorzystują różnego rodzaju lampy próżniowe , podczas gdy czujniki cyfrowe obejmują czujniki płaskie . Czujniki obrazu z wbudowanymi jednostkami przetwarzającymi do widzenia maszynowego nazywane są inteligentnymi czujnikami obrazu lub inteligentnymi czujnikami obrazu .

Przetworniki CCD a CMOS

Mikrofotografia rogu matrycy fotoczujników kamery cyfrowej kamery internetowej
Przetwornik obrazu (u góry po lewej) na płycie głównej Nikon Coolpix L2 6 MP

Dwa główne typy cyfrowych czujników obrazu to urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym (CCD) i czujnik z aktywnym pikselem (czujnik CMOS), wykonane w komplementarnych technologiach MOS (CMOS) lub MOS typu N ( NMOS lub Live MOS ). Zarówno czujniki CCD, jak i CMOS są oparte na technologii MOS , przy czym kondensatory MOS są elementami składowymi CCD, a wzmacniacze MOSFET są elementami składowymi czujnika CMOS.

Kamery zintegrowane z małymi produktami konsumenckimi zazwyczaj wykorzystują czujniki CMOS, które są zwykle tańsze i zużywają mniej energii w urządzeniach zasilanych bateryjnie niż CCD. Czujniki CCD są używane w wysokiej jakości kamerach wideo o wysokiej jakości transmisji, a czujniki CMOS dominują w fotografii i towarach konsumpcyjnych, gdzie ogólny koszt jest głównym problemem. Oba typy czujników realizują to samo zadanie przechwytywania światła i przekształcania go w sygnały elektryczne.

Każda komórka przetwornika obrazu CCD jest urządzeniem analogowym. Gdy światło pada na chip, jest ono utrzymywane jako mały ładunek elektryczny w każdym fotoczujniku . Ładunki w linii pikseli najbliżej (jednego lub więcej) wzmacniaczy wyjściowych są wzmacniane i wyprowadzane, a następnie każda linia pikseli przesuwa swoje ładunki o jedną linię bliżej wzmacniaczy, wypełniając pustą linię najbliższą wzmacniaczom. Proces ten jest następnie powtarzany, aż wszystkie linie pikseli zostaną wzmocnione i wyprowadzone.

Czujnik obrazu CMOS ma wzmacniacz dla każdego piksela w porównaniu do kilku wzmacniaczy CCD. Skutkuje to mniejszą powierzchnią do wychwytywania fotonów niż CCD, ale ten problem został rozwiązany przez zastosowanie mikrosoczewek przed każdą fotodiodą, które skupiają światło na fotodiodzie, które w przeciwnym razie uderzyłoby we wzmacniacz i nie zostałoby wykryte. Niektóre czujniki obrazu CMOS wykorzystują również podświetlenie od tyłu, aby zwiększyć liczbę fotonów, które trafiają na fotodiodę. Czujniki CMOS można potencjalnie wdrożyć z mniejszą liczbą komponentów, zużywać mniej energii i/lub zapewniać szybszy odczyt niż czujniki CCD. Są również mniej podatne na wyładowania elektrostatyczne.

Inny projekt, hybrydowa architektura CCD/CMOS (sprzedawany pod nazwą „ sCMOS ”), składa się z układów scalonych odczytu CMOS (ROIC), które są połączone z podłożem do obrazowania CCD – technologia, która została opracowana dla układów obserwacji w podczerwieni i została zaadaptowana do technologii detektorów na bazie krzemu. Innym podejściem jest wykorzystanie bardzo drobnych wymiarów dostępnych w nowoczesnej technologii CMOS do wdrożenia struktury podobnej do CCD w całości w technologii CMOS: takie struktury można uzyskać poprzez oddzielenie pojedynczych bramek polikrzemowych bardzo małą szczeliną; choć nadal jest to produkt badań, czujniki hybrydowe mogą potencjalnie wykorzystać zalety zarówno przetworników obrazu CCD, jak i CMOS.

Wydajność

Zobacz też: EMVA1288

Istnieje wiele parametrów, których można użyć do oceny wydajności przetwornika obrazu, w tym zakres dynamiki , stosunek sygnału do szumu i czułość przy słabym oświetleniu. W przypadku czujników podobnych typów stosunek sygnału do szumu i zakres dynamiczny poprawiają się wraz ze wzrostem rozmiaru .

Kontrola czasu ekspozycji

Czas naświetlania czujników obrazu jest zwykle kontrolowany przez konwencjonalną migawkę mechaniczną , jak w aparatach na kliszę, lub przez migawkę elektroniczną . Migawka elektroniczna może być „globalna”, w którym to przypadku akumulacja fotoelektronów na całym obszarze czujnika obrazu rozpoczyna się i zatrzymuje jednocześnie, lub „tocząca się”, w którym to przypadku interwał ekspozycji każdego rzędu bezpośrednio poprzedza odczyt tego wiersza, w procesie „toczenia się” w całej ramce obrazu (zwykle od góry do dołu w formacie poziomym). Globalna migawka elektroniczna jest mniej powszechna, ponieważ wymaga obwodów „magazynujących” do utrzymywania ładunku od końca okresu ekspozycji do momentu, gdy nastąpi proces odczytu, zwykle kilka milisekund później.

Separacja kolorów

Wzór Bayera na czujniku
Schemat filtrowania pionowego Foveona do wykrywania kolorów

Istnieje kilka głównych typów kolorowych czujników obrazu, różniących się rodzajem mechanizmu separacji kolorów:

  • Czujnik z filtrem Bayera , tani i najczęściej stosowany, wykorzystujący matrycę filtrów kolorów, która przepuszcza światło czerwone, zielone i niebieskie do wybranych czujników pikselowych . Każdy pojedynczy element czujnika jest czuły na kolor czerwony, zielony lub niebieski za pomocą kolorowego żelu wykonanego z barwników chemicznych naniesionych na elementy. Najpopularniejsza macierz filtrów, wzór Bayera , wykorzystuje dwa zielone piksele dla każdego koloru czerwonego i niebieskiego. Powoduje to mniejszą rozdzielczość dla kolorów czerwonego i niebieskiego. Brakujące próbki kolorów mogą być interpolowane za pomocąalgorytmu demozaikowania lub całkowicie ignorowane przez kompresję stratną . W celu poprawienia informacji o kolorze, techniki takie jak próbkowanie kolorów co-site wykorzystująmechanizm piezo , który przesuwa czujnik koloru w pikselach.
  • Czujnik Foveon X3 , wykorzystujący szereg warstwowych czujników pikselowych, oddziela światło za pomocą naturalnej, zależnej od długości fali właściwości absorpcji krzemu, dzięki czemu każda lokalizacja wykrywa wszystkie trzy kanały kolorów. Ta metoda jest podobna do działania filmu kolorowego do fotografii.
  • 3CCD , wykorzystujący trzy dyskretne przetworniki obrazu , z separacją kolorów wykonywaną przez pryzmat dichroiczny . Elementy dichroiczne zapewniają ostrzejszą separację kolorów, poprawiając w ten sposób jakość kolorów. Ponieważ każdy czujnik jest jednakowo czuły w swoim paśmie przepuszczania i przy pełnej rozdzielczości, czujniki 3-CCD zapewniają lepszą jakość kolorów i lepszą wydajność przy słabym oświetleniu. Czujniki 3-CCD wytwarzają pełnysygnał 4:4:4 , co jest preferowane w transmisji telewizyjnej , edycji wideo iefektach wizualnych chroma key .

Czujniki specjalistyczne

Obraz Mgławicy Oriona w podczerwieni wykonany przez HAWK-I, kriogeniczny szerokokątny imager ESO

Specjalne czujniki są wykorzystywane w różnych zastosowaniach, takich jak termografia , tworzenie obrazów wielospektralnych , wideolaryngoskopy , kamery gamma , matryce czujników do promieniowania rentgenowskiego i inne wysoce czułe matryce dla astronomii .

Podczas gdy ogólnie aparaty cyfrowe wykorzystują płaski czujnik, Sony opracowało prototyp zakrzywionego czujnika w 2014 r., aby zmniejszyć/wyeliminować krzywiznę pola Petzvala, która występuje w przypadku płaskiego czujnika. Zastosowanie zakrzywionej matrycy pozwala na krótszą i mniejszą średnicę obiektywu ze zredukowanymi elementami i komponentami o większej aperturze i zmniejszonym wpadaniu światła na krawędzi zdjęcia.

Historia

Zobacz także: Obrazowanie cyfrowe

Wczesne analogowe czujniki światła widzialnego były tubami kamer wideo . Pochodzą z lat 30. XX wieku, a do lat 80. opracowano kilka typów. Na początku lat 90. zostały one zastąpione nowoczesnymi półprzewodnikowymi przetwornikami obrazu CCD.

Podstawą nowoczesnych półprzewodnikowych przetworników obrazu jest technologia MOS, która wywodzi się z wynalezienia MOSFET przez Mohameda M. Atallę i Dawona Kahnga w Bell Labs w 1959 roku. Późniejsze badania nad technologią MOS doprowadziły do ​​opracowania półprzewodnikowego obrazu półprzewodnikowego czujniki, w tym urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym (CCD), a później czujnik z aktywnym pikselem ( czujnik CMOS ).

Czujnik pasywnego piksela (PPS) był prekursorem czujnika aktywnego piksela (APS). PPS składa się z pasywnych pikseli, które są odczytywane bez wzmocnienia , przy czym każdy piksel składa się z fotodiody i przełącznika MOSFET . Jest to rodzaj matrycy fotodiod , w której piksele zawierają złącze pn , zintegrowany kondensator i tranzystory MOSFET jako tranzystory selekcyjne . Matryca fotodiodowa została zaproponowana przez G. Wecklera w 1968 roku. Była to podstawa PPS. Te wczesne układy fotodiod były złożone i niepraktyczne, co wymagało wytwarzania tranzystorów selekcyjnych w każdym pikselu, wraz z obwodami multipleksera na chipie . Hałas tablic fotodiody było również ograniczenie do wydajności, jak fotodiody odczyt autobus pojemność zaowocować wzrostem poziomu hałasu. Skorelowane podwójne próbkowanie (CDS) również nie mogło być używane z matrycą fotodiod bez pamięci zewnętrznej .

Urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym

Główny artykuł: urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym

Urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym (CCD) zostało wynalezione przez Willarda S. Boyle'a i George'a E. Smitha w Bell Labs w 1969 roku. Badając technologię MOS, zdali sobie sprawę, że ładunek elektryczny jest analogią bańki magnetycznej i może być przechowywany. na malutkim kondensatorze MOS . Ponieważ wyprodukowanie szeregu kondensatorów MOS w rzędzie było dość proste , podłączyli do nich odpowiednie napięcie, aby można było przenosić ładunek z jednego do drugiego. CCD to obwód półprzewodnikowy, który później został wykorzystany w pierwszych cyfrowych kamerach wideo do transmisji telewizyjnych .

Wczesne czujniki CCD cierpiały z powodu opóźnienia migawki . Zostało to w dużej mierze rozwiązane dzięki wynalezieniu przypiętej fotodiody (PPD). Została wynaleziona przez Nobukazu Teranishi , Hiromitsu Shiraki i Yasuo Ishihara w NEC w 1980 roku. Była to struktura fotodetektora o niskim opóźnieniu, niskim poziomie szumów , wysokiej wydajności kwantowej i niskim prądzie ciemnym . W 1987 roku PPD zaczęto włączać do większości urządzeń CCD, stając się stałym elementem konsumenckich elektronicznych kamer wideo, a następnie cyfrowych aparatów fotograficznych . Od tego czasu PPD jest używany w prawie wszystkich czujnikach CCD, a następnie czujnikach CMOS.

Czujnik aktywnego piksela

Główny artykuł: Aktywny czujnik pikselowy

NMOS czujnik aktywny pikseli (APS) został wynaleziony przez Olympus w Japonii w połowie 1980 roku. Było to możliwe dzięki postępom w produkcji urządzeń półprzewodnikowych MOS , przy czym skalowanie MOSFET osiągało mniejsze mikrony, a następnie poziomy submikronowe . Pierwszy APS NMOS został wyprodukowany przez zespół Tsutomu Nakamury w firmie Olympus w 1985 roku. Czujnik CMOS z aktywnymi pikselami (czujnik CMOS) został później opracowany przez zespół Erica Fossum w NASA Jet Propulsion Laboratory w 1993 roku. Do 2007 roku sprzedaż czujników CMOS przekroczył czujniki CCD. Do 2010 roku czujniki CMOS w dużej mierze wyparły czujniki CCD we wszystkich nowych zastosowaniach.

Inne czujniki obrazu

Nowy iPad zawiera czujnik lidar

Pierwszy komercyjny aparat cyfrowy , Cromemco Cyclops z 1975 roku, wykorzystywał przetwornik obrazu 32×32 MOS. Był to zmodyfikowany układ pamięci dynamicznej pamięci RAM ( DRAM ) MOS .

Czujniki obrazu MOS są szeroko stosowane w technologii myszy optycznych . Pierwsza mysz optyczna, wynaleziona przez Richarda F. Lyona w firmie Xerox w 1980 roku, wykorzystywała układ scalony czujnika 5  µm NMOS . Od czasu pierwszej komercyjnej myszy optycznej IntelliMouse wprowadzonej w 1999 r. większość myszy optycznych wykorzystuje czujniki CMOS.

W lutym 2018 roku naukowcy z Dartmouth College ogłosili nową technologię wykrywania obrazu, którą naukowcy nazwali QIS, dla Quanta Image Sensor. Zamiast pikseli układy QIS mają coś, co naukowcy nazywają „jotami”. Każda jota może wykryć pojedynczą cząsteczkę światła, zwaną fotonem .

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki