Einführung in die Bilds ensor technologie

Die Grund voraussetzung der elektronischen Bildgebung ist, dass Lichtenergie auf eine Weise in Elektrizität umgewandelt wird, die visuelle Informationen bewahrt und es uns ermöglicht, die optischen Eigenschaften einer Szene zu rekonstruieren. Diese vorhersehbare Wechsel wirkung zwischen Photonen und Elektronen initiiert den Prozess der Erfassung digitaler Bilder. Nachdem die von einfallenden Photonen abgegebene Energie in elektrische Energie umgewandelt wurde, muss das System eine Möglichkeit haben, diese Energie zu quantifizieren und als Folge (oder Matrix) von Werten zu speichern.

Bei den meisten Bildsensoren erfolgt die Umwandlung von Licht in Elektrizität durch eine Fotodiode, bei der es sich um einen PN-Übergang handelt, dessen Struktur die Erzeugung von Elektronen-Loch-Paaren als Reaktion auf einfallendes Licht begünstigt.

Fotodioden bestehen normaler weise aus Silizium, aber auch andere Halbleiter materialien wie Indium arsenid, Indium antimonid, Quecksilber cadmium tellurid usw. werden für verschiedene spezielle Zwecke verwendet.

Ein wichtiger Fortschritt in der Bildsensor technologie war die Schaffung einer angehefteten Fotodiode. Im obigen Bild besteht eine Fotodiode wie eine normale Diode aus einem p-Typ-Bereich und einem n-Typ-Bereich.

Photodioden vom Pinned-Typ haben einen zusätzlichen Bereich aus hoch dotiertem Halbleiter vom p-Typ (kurz p); Wie gezeigt, ist es dünner als die beiden anderen Bereiche.

Diese Abbildung zeigt die Struktur einer in einen Bildsensor integrierten angehefteten Fotodiode

Pinned Photodioden wurden in den 1980er Jahren eingeführt und lösten das Problem ("Hysterese" genannt), das mit der verzögerten Übertragung von licht erzeugter Ladung verbunden ist. Photodioden im Pinned-Stil bieten auch eine höhere Quanten effizienz, eine verbesserte Rausch leistung und einen geringeren Dunkelstrom (wir werden später in dieser Serie zu diesen Konzepten zurückkehren).

Heute ist das lichte mpfindliche Element in fast allen CCD-und CMOS-Bildsensoren eine Pinned-Fotodiode.

Die beiden wichtigsten Bildgebung stech no logien sind CCD (Charge Coupled Device) und CMOS.

Es gibt auch andere Arten von Sensoren, wie NMOS-Sensoren für die Spektroskopie, Miniatur photometer für die Empfindlichkeit der Infrarot-Wärme bilder, und spezielle Anwendungen können Fotodioden arrays verwenden, die an benutzer definierte Verstärkersc haltungen anges ch lossen sind.

Dennoch werden wir uns auf CCD und CMOS konzentrieren. Diese beiden allgemeinen Sensor kategorien decken ein sehr breites Spektrum an Anwendungen und Funktionen ab.

Es scheint, dass die Menschen von dem Wert urteil "Was ist besser?" Fragen wie Oberflächen montage oder Durchgangs loch angezogen werden? BJT oder FET? Canon oder Nikon? Windows oder Mac (oder Linux)? Diese Fragen haben selten aussage kräftige Antworten, und selbst der Vergleich einzelner Merkmale kann schwierig sein.

Also, was ist besser, CMOS oder CCD? Der traditionelle Vergleich sieht folgender maßen aus: CCD hat ein geringeres Rauschen, eine bessere Gleichmäßigkeit von Pixel zu Pixel und einen Ruf für seine überlegene Bildqualität. CMOS-Sensoren bieten ein höheres Integrations niveau-eine Verringerung der Komplexität für Schaltung entwickler-und einen geringeren Strom verbrauch.

Ich sage nicht, dass diese Einschätzung ungenau ist, aber ihre Nützlichkeit ist begrenzt. Viel hängt von Ihren Bedürfnissen an Sensoren und Ihren Anforderungen und Prioritäten ab.

Darüber hinaus ändert sich die Technologie schnell, und der große Geldbetrag, der in die Forschung und Entwicklung der digitalen Bildgebung investiert wird, kann das Muster von CCD und CMOS allmählich verändern.

Zweitens erzeugen Bildsensoren keine Bilder. Es ist ein integraler Bestandteil eines digitalen Bildgebung systems (natürlich ein sehr wichtiger Teil), und die vom System erzeugte wahrgenommene Bildqualität hängt nicht nur vom Sensor ab. aber viele weitere Faktoren. Es besteht kein Zweifel, dass CCDs CMOS-Sensoren für einige opto elektronische Eigenschaften übertreffen. Aber eine CCD mit einem höheren insgesamt assoziierenBildqualität scheint ein bisschen unvernünftig.

Ein CCD-Sensor-basiertes System erfordert eine große Design-Investition. CCDs erfordern eine Vielzahl von Leistungs-und Steuers pannungen ohne Logik pegel (einschl ießlich negativer Spannungen), und das Timing, das auf den Sensor angewendet werden muss, kann sehr komplex sein. Die vom Sensor erzeugten "Bilddaten" sind eine analoge Wellenform, die fein verstärkt und abgetastet werden muss, und natürlich kann jede Signal verarbeitungs-oder Daten umwandlung schaltung Rauschen erzeugen.

Die Leistung bei geringem Rauschen beginnt mit einem CCD, endet jedoch nicht dort. Wir müssen uns bemühen, das Rauschen in der gesamten Signalkette zu minimieren.

CCD-Ausgangs wellenform

Ganz anders sieht es bei CMOS-Bildsensoren aus. Sie arbeiten eher wie integrierte Standard schaltungen mit Spannungs quellen auf Logik ebene, On-Chip-Bild verarbeitung und digitalen Ausgangs daten. Möglicher weise müssen Sie sich auch mit zusätzlichen Bildrauschen auseinander setzen, aber in vielen Anwendungen ist dies ein geringer Preis, um die Komplexität des Designs, die Entwicklungs kosten und den Stress erheblich zu reduzieren.

Die Bild verarbeitung ist keine typische Mikro controller aufgabe, insbesondere wenn Sie mit Sensoren mit hoher Bildrate oder hoher Auflösung arbeiten. Die meisten Anwendungen profitieren von der Rechen leistung eines digitalen Signal prozessors oder FPGA.

Die Kom primi erung muss ebenfalls berücksicht igt werden, insbesondere wenn Sie Bilder im Speicher speichern oder drahtlos übertragen müssen. Dies kann durch Software oder programmier bare Hardware erfolgen.