Billedføler - Image sensor

En CCD -billedsensor på et fleksibelt printkort
En American Microsystems, Inc., (AMI) 1-kilobit DRAM- chip (centerchip med glasvindue) brugt som billedsensor af Cromemco Cyclops

En billedsensor eller billedbehandler er en sensor, der registrerer og videregiver oplysninger, der bruges til at lave et billede . Det sker ved at omdanne den variable dæmpning af lette bølger (som de passerer gennem eller reflekteres af objekter) i signaler , små byger af strøm , der videresender oplysningerne. Bølgerne kan være lys eller anden elektromagnetisk stråling . Billedsensorer bruges i elektroniske billeddannelsesenheder af både analoge og digitale typer, som omfatter digitale kameraer , kameramoduler , kameratelefoner , optiske musenheder , medicinsk billeddannelsesudstyr , nattesynsudstyr såsom termiske billeddannelsesenheder , radar , sonar og andre. Efterhånden som teknologien ændrer sig , har elektronisk og digital billeddannelse en tendens til at erstatte kemisk og analog billeddannelse.

De to hovedtyper af elektroniske billedsensorer er den ladningskoblede enhed (CCD) og den aktive pixelsensor ( CMOS- sensor). Både CCD og CMOS sensorer er baseret på metal-oxid-halvleder (MOS) teknologi, med CCD'er baseret på MOS kondensatorer og CMOS sensorer baseret på MOSFET (MOS field-effect transistor) forstærkere . Analoge sensorer til usynlig stråling har en tendens til at involvere vakuumrør af forskellig art, mens digitale sensorer omfatter fladskærmsdetektorer . Billedsensorer med indbyggede behandlingsenheder til maskinsyn er kendt som smarte billedsensorer eller intelligente billedsensorer .

CCD vs. CMOS sensorer

Et mikrograf af hjørnet af fotosensor arrayet af et webcam digitalkamera
Billedføler (øverst til venstre) på bundkortet til en Nikon Coolpix L2 6 MP

De to hovedtyper af digitale billedsensorer er den ladningskoblede enhed (CCD) og den aktive pixelsensor (CMOS-sensor), der er fremstillet i komplementære MOS (CMOS) eller N-type MOS ( NMOS eller Live MOS ) teknologier. Både CCD- og CMOS -sensorer er baseret på MOS -teknologi , hvor MOS -kondensatorer er byggestenene i en CCD, og MOSFET -forstærkere er byggestenene i en CMOS -sensor.

Kameraer, der er integreret i små forbrugerprodukter, bruger generelt CMOS -sensorer, som normalt er billigere og har et lavere strømforbrug i batteridrevne enheder end CCD'er. CCD -sensorer bruges til high -end broadcast -videokameraer, og CMOS -sensorer dominerer i stillfotografering og forbrugsvarer, hvor de samlede omkostninger er en stor bekymring. Begge sensortyper udfører den samme opgave med at fange lys og konvertere det til elektriske signaler.

Hver celle i en CCD -billedsensor er en analog enhed. Når lys rammer chippen, holdes den som en lille elektrisk ladning i hver fotosensor . Opladningerne i pixelrækken nærmest (en eller flere) outputforstærkere forstærkes og sendes ud, derefter flytter hver linje af pixels sine ladninger en linje tættere på forstærkerne og fylder den tomme linje nærmest forstærkerne. Denne proces gentages derefter, indtil alle pixellinjer har ladet deres forstærkning og output.

En CMOS -billedsensor har en forstærker for hver pixel sammenlignet med de få forstærkere på en CCD. Dette resulterer i mindre areal til optagelse af fotoner end en CCD, men dette problem er blevet overvundet ved at bruge mikrolinser foran hver fotodiode, som fokuserer lys ind i fotodioden, der ellers ville have ramt forstærkeren og ikke var blevet detekteret. Nogle CMOS-billedsensorer bruger også bagbelysning til at øge antallet af fotoner, der rammer fotodioden. CMOS -sensorer kan potentielt implementeres med færre komponenter, bruge mindre strøm og/eller give hurtigere aflæsning end CCD -sensorer. De er også mindre sårbare over for statisk elektricitetsafladning.

Et andet design, en hybrid CCD/CMOS -arkitektur (sælges under navnet " sCMOS ") består af CMOS -aflæste integrerede kredsløb (ROIC'er), der er bumpbundet til et CCD -billeddannelsessubstrat - en teknologi, der blev udviklet til infrarøde stirrende arrays og er blevet tilpasset til siliciumbaseret detektorteknologi. En anden tilgang er at udnytte de meget fine dimensioner, der findes i moderne CMOS-teknologi, til at implementere en CCD-lignende struktur helt i CMOS-teknologi: Sådanne strukturer kan opnås ved at adskille individuelle poly-siliciumporte med et meget lille hul; selvom det stadig er et produkt af forskningshybridsensorer, der potentielt kan udnytte fordelene ved både CCD- og CMOS -billeddannere.

Ydeevne

Se også: EMVA1288

Der er mange parametre, der kan bruges til at evaluere ydelsen af ​​en billedsensor, herunder dynamisk område , signal-til-støj-forhold og følsomhed ved svagt lys. For sensorer af sammenlignelige typer forbedres signal-støj-forholdet og det dynamiske område, når størrelsen stiger.

Eksponeringstidskontrol

Eksponeringstiden for billedsensorer styres generelt enten af ​​en konventionel mekanisk lukker , som i filmkameraer, eller af en elektronisk lukker . Elektronisk skodde kan være "global", i hvilket tilfælde hele billedsensorområdets akkumulering af fotoelektroner starter og stopper samtidigt, eller "ruller", i hvilket tilfælde eksponeringsintervallet for hver række umiddelbart går forud for den pågældende ræks aflæsning, i en proces, der "ruller" på tværs af billedrammen (typisk fra top til bund i liggende format). Global elektronisk skodder er mindre almindelig, da det kræver "lagring" kredsløb for at holde opladning fra slutningen af ​​eksponeringsintervallet, indtil aflæsningsprocessen når der, typisk et par millisekunder senere.

Farveseparation

Bayermønster på sensor
Foveons skema for lodret filtrering til farvefornemmelse

Der er flere hovedtyper af farvebilledsensorer, der adskiller sig efter typen af ​​farveseparationsmekanisme:

  • Bayer-filter sensor , billig og mest almindelig, ved hjælp af et farvefilter array, der sender rødt, grønt og blåt lys til udvalgte pixelsensorer . Hvert individuelt sensorelement er gjort følsomt over for rødt, grønt eller blåt ved hjælp af en farvegel fremstillet af kemiske farvestoffer mønstret over elementerne. Den mest almindelige filtermatrix, Bayer -mønsteret , bruger to grønne pixels for hver rød og blå. Dette resulterer i mindre opløsning for røde og blå farver. De manglende farveprøver kan interpoleres ved hjælp af en demosaiseringsalgoritme eller ignoreres helt ved tabsfri komprimering . For at forbedre farveoplysninger bruger teknikker som farve co-site sampling en piezomekanisme til at flytte farvesensoren i pixeltrin.
  • Foveon X3-sensor ved hjælp af en række lagdelte pixelsensorer, der adskiller lys via siliciums iboende bølgelængdeafhængige absorptionsegenskab, således at hvert sted registrerer alle tre farvekanaler. Denne metode ligner, hvordan farvefilm til fotografering fungerer.
  • 3CCD , ved hjælp af tre diskrete billedsensorer, med farveseparationen udført af et dikroisk prisme . De dikroiske elementer giver en skarpere farveseparation og forbedrer dermed farvekvaliteten. Fordi hver sensor er lige så følsom inden for sit passbånd og ved fuld opløsning, producerer 3-CCD-sensorer bedre farvekvalitet og bedre ydeevne ved svagt lys. 3-CCD-sensorer producerer et fuldt 4: 4: 4- signal, hvilket foretrækkes inden for fjernsynsudsendelse , videoredigering og chroma key visuelle effekter.

Specialsensorer

Infrarød udsigt over Orion-stjernetågen taget af ESOs HAWK-I, en kryogen bredfeltbilledoptager

Særlige sensorer bruges i forskellige applikationer såsom termografi , oprettelse af multispektrale billeder , videolaryngoskoper , gammakameraer , sensorarrays til røntgenstråler og andre meget følsomme arrays for astronomi .

Mens digitale kameraer generelt bruger en flad sensor, prototypede Sony en buet sensor i 2014 for at reducere/eliminere Petzval -feltkurvatur, der opstår med en flad sensor. Brug af en buet sensor muliggør en kortere og mindre diameter af objektivet med reducerede elementer og komponenter med større blænde og reduceret lysfald ved kanten af ​​billedet.

Historie

Se også: Digital billeddannelse

Tidlige analoge sensorer til synligt lys var videokamera -rør . De går tilbage til 1930'erne, og flere typer blev udviklet indtil 1980'erne. I begyndelsen af ​​1990'erne var de blevet erstattet af moderne CCD-billedsensorer i solid state .

Grundlaget for moderne solid-state billedsensorer er MOS teknologi, som stammer fra opfindelsen af MOSFET af Mohamed M. Atalla og Dawon Kahng på Bell Labs i 1959. Senere forskning på MOS teknologi førte til udviklingen af solid state halvleder billede sensorer, herunder den ladningskoblede enhed (CCD) og senere den aktive pixelsensor ( CMOS- sensor).

Den passive-pixel sensor (PPS) blev forstadiet til det aktive pixel sensor (APS). En PPS består af passive pixels, der udlæses uden forstærkning , hvor hver pixel består af en fotodiode og en MOSFET -switch. Det er en type af fotodiodearray , med pixels, der indeholder en pn-overgang , integreret kondensator og MOSFETs som udvælgelse transistorer . En fotodioderække blev foreslået af G. Weckler i 1968. Dette var grundlaget for PPS. Disse tidlige fotodioderarrays var komplekse og upraktiske, hvilket krævede selektionstransistorer at blive fremstillet inden for hver pixel sammen med on-chip multiplexerkredsløb . Den støj af fotodiodearray var også en begrænsning til ydeevne, som fotodioden udlæsning bus kapacitans resulterede i forøget støjniveau. Korreleret dobbelt sampling (CDS) kunne heller ikke bruges med et fotodioder array uden ekstern hukommelse .

Opladningskoblet enhed

Hovedartikel: Opladningskoblet enhed

Den ladningskoblede enhed (CCD) blev opfundet af Willard S. Boyle og George E. Smith på Bell Labs i 1969. Mens de undersøgte MOS-teknologi, indså de, at en elektrisk ladning var analogien til magnetboblen, og at den kunne opbevares på en lille MOS kondensator . Da det var ret ligetil at fremstille en række MOS -kondensatorer i træk, sluttede de en passende spænding til dem, så ladningen kunne skridtes videre fra den ene til den næste. CCD er et halvlederkredsløb, der senere blev brugt i de første digitale videokameraer til fjernsynsudsendelse .

Tidlige CCD -sensorer led af lukkerforsinkelse . Dette blev stort set løst med opfindelsen af ​​den fastgjorte fotodiode (PPD). Det blev opfundet af Nobukazu Teranishi , Hiromitsu Shiraki og Yasuo Ishihara på NEC i 1980. Det var en fotodetektorstruktur med lav forsinkelse, lav støj , høj kvanteeffektivitet og lav mørk strøm . I 1987 begyndte PPD at blive indarbejdet i de fleste CCD -enheder og blev en fastgørelse i forbrugerelektroniske videokameraer og derefter digitale stillbilleder . Siden da har PPD været brugt i næsten alle CCD -sensorer og derefter CMOS -sensorer.

Aktiv pixelsensor

Hovedartikel: Aktiv pixelsensor

Den NMOS aktiv-pixel-sensor (APS) blev opfundet af Olympus i Japan i midten af 1980'erne. Dette blev muliggjort af fremskridt inden for fremstilling af MOS halvlederenheder , hvor MOSFET-skalering nåede mindre mikron og derefter sub-mikron niveauer. Den første NMOS APS blev fremstillet af Tsutomu Nakamuras team på Olympus i 1985. CMOS- aktiv-pixelsensoren (CMOS-sensor) blev senere udviklet af Eric Fossums team på NASA Jet Propulsion Laboratory i 1993. I 2007 solgte CMOS-sensorer i 2007 havde overgået CCD -sensorer. I 2010'erne fortrængte CMOS -sensorer stort set CCD -sensorer i alle nye applikationer.

Andre billedsensorer

Ny iPad indeholder lidar sensor

Det første kommercielle digitale kamera , Cromemco Cyclops i 1975, brugte en 32 × 32 MOS billedsensor. Det var en modificeret MOS dynamisk RAM ( DRAM ) hukommelseschip .

MOS billedsensorer bruges meget i optisk musteknologi . Den første optiske mus, opfundet af Richard F. Lyon på Xerox i 1980, brugte en 5  µm NMOS integreret kredsløbssensorchip . Siden den første kommercielle optiske mus, IntelliMouse blev introduceret i 1999, bruger de fleste optiske musenheder CMOS -sensorer.

I februar 2018 annoncerede forskere ved Dartmouth College en ny billedføler -teknologi, som forskerne kalder QIS, til Quanta Image Sensor. I stedet for pixels har QIS -chips det, forskerne kalder "jots". Hvert prik kan detektere en enkelt lyspartikel, kaldet en foton .

Se også

Referencer

eksterne links