Bildsensor

A CCD Bildsensor auf a Flexible Leiterplatte
Ein American Microsystems, Inc., (AMI) 1 Kilobit Dram Chip (Mitte Chip mit Glasfenster) als Bildsensor von der verwendet Cromemco Cyclops

Ein Bildsensor oder Imagator ist ein Sensor das erkennt und vermittelt Informationen, die verwendet werden, um eine zu erstellen Bild. Dies geschieht, indem es die Variable konvertiert Dämpfung Licht Wellen (wie sie durchlaufen oder nachdenken Objekte) in Signale, kleine Ausbrüche von aktuell das vermittelt die Informationen. Die Wellen können leicht oder anderer sein elektromagnetische Strahlung. Bildsensoren werden in verwendet elektronisch Bildgebungsgeräte von beiden Analog und Digital Typen, einschließlich Digitalkameras, Kameramodule, Kamera -Telefone, optische Maus Geräte,[1][2][3] medizinische Bildgebung Ausrüstung, Nachtsicht Ausrüstung wie Wärmebildgebung Geräte, Radar, Sonar, und andere. Wie Technologieänderungen, elektronisch und digitale Bildbearbeitung tendiert dazu, die chemische und analoge Bildgebung zu ersetzen.

Die beiden Haupttypen elektronischer Bildsensoren sind die Ladungsgekoppelte Gerät (CCD) und die Active-Pixel-Sensor (CMOs Sensor). Sowohl CCD- als auch CMOS -Sensoren basieren auf Metal -Oxid -Jemonductor (MOS) -Technologie mit CCDs basierend auf MOS -Kondensatoren und CMOS -Sensoren basierend auf Mosfet (MOS-Feldeffekttransistor) Verstärker. Analogische Sensoren für unsichtbare Strahlung neigen dazu, zu beinhalten Vakuumröhren von verschiedenen Arten, während digitale Sensoren enthalten sind Flat-Panel-Detektoren.

CCD gegen CMOS -Sensoren

Eine Aufnahme in die Ecke des Photosensor -Arrays von a Webcam Digitalkamera
Bildsensor (oben links) auf dem Motherboard von a Nikon Coolpix L2 6 MP

Die beiden Hauptarten von digitales Bild Sensoren sind die Ladungsgekoppelte Gerät (CCD) und die Active-Pixel-Sensor (CMOS -Sensor), erfunden in Komplementäre Mos (Cmos) oder N-Typ Mos (Nmos oder Live Mos) Technologien. Sowohl CCD- als auch CMOS -Sensoren basieren auf MOS -Technologie,[4] mit MOS -Kondensatoren Die Bausteine ​​eines CCD sein,[5] und Mosfet Verstärker sind die Bausteine ​​eines CMOS -Sensors.[6][7]

In kleine Verbraucherprodukte integrierte Kameras verwenden im Allgemeinen CMOS -Sensoren, die normalerweise billiger sind und in batteriebetriebenen Geräten einen geringeren Stromverbrauch als CCDs aufweisen.[8] CCD -Sensoren werden für Videokameras von High -End -Broadcast -Qualität verwendet, und CMOS -Sensoren dominieren in immer noch Fotografie und Konsumgütern, bei denen die Gesamtkosten ein wichtiges Problem darstellen. Beide Arten von Sensor erfüllen die gleiche Aufgabe, Licht aufzunehmen und in elektrische Signale umzuwandeln.

Jede Zelle von a CCD Bildsensor ist ein analoges Gerät. Wenn Licht auf den Chip schlägt, wird er in jedem als kleine elektrische Ladung gehalten Lichtschranke. Die Ladungen in der Pixellinie, die dem (einer oder mehreren) Ausgangsverstärkern am nächsten liegt, werden verstärkt und ausgegeben. Anschließend verschiebt jede Pixellinie ihre Ladungen eine Linie näher an die Verstärker und füllt die leere Linie, die den Verstärkern am nächsten liegt. Dieser Vorgang wird dann wiederholt, bis alle Pixellinien ihre Ladung verstärkt und ausgegeben haben.[9]

Ein CMOS -Bildsensor hat für jedes Pixel einen Verstärker im Vergleich zu den wenigen Verstärkern eines CCD. Dies führt zu weniger Flächen für die Erfassung von Photonen als ein CCD, aber dieses Problem wurde durch die Verwendung von Mikrolensen vor jeder Fotodiode überwunden, die das Licht in die Fotodiode fokussieren, die ansonsten den Verstärker getroffen und nicht erkannt worden wäre.[9] Einige CMOS -Bildgebungssensoren verwenden ebenfalls Rückseite Beleuchtung Erhöhen Sie die Anzahl der Photonen, die auf die Fotodiode treffen.[10] CMOS -Sensoren können möglicherweise mit weniger Komponenten implementiert werden, weniger Leistung verwenden und/oder eine schnellere Anzeige als CCD -Sensoren bieten.[11] Sie sind auch weniger anfällig für statische Stromentladungen.

Ein weiteres Design, eine hybride CCD/CMOS -Architektur (verkauft unter dem Namen "SCMOs") besteht aus CMOS Arrays starren und wurde an die detektorbasierte Siliziumbasis-Technologie angepasst.[12] Ein weiterer Ansatz besteht darin, die in der modernen CMOS-Technologie verfügbaren sehr feinen Dimensionen zu nutzen, um eine CCD-ähnliche Struktur vollständig in der CMOS-Technologie zu implementieren: Solche Strukturen können erreicht werden, indem einzelne Poly-Silizium-Gates durch eine sehr geringe Lücke getrennt werden. Obwohl immer noch ein Produkt von Research -Hybridsensoren, können möglicherweise die Vorteile sowohl der CCD- als auch der CMOS -Imagators nutzen.[13]

Leistung

Es gibt viele Parameter, die zur Bewertung der Leistung eines Bildsensors verwendet werden können, einschließlich Dynamikbereich, Signal-Rausch-Verhältnisund schlechte Empfindlichkeit. Für Sensoren vergleichbarer Typen verbessert sich das Signal-Rausch-Verhältnis und der Dynamikbereich als die Größe steigt.

Expositionszeitkontrolle

Expositionszeit von Bildsensoren wird im Allgemeinen von einer herkömmlichen Mechanik gesteuert Verschlusswie in Filmkameras oder von einem elektronischer Verschluss. Das elektronische Shottering kann "global" sein, in diesem Fall startet und stoppt die gesamte Bildsensorfläche gleichzeitig oder "Rollen". In diesem Fall wird das Belichtungsintervall jeder Reihe unmittelbar vor der Anzeige der Zeile in einem Prozess, in dem "rollen", vorausgeht, in dem die Zeile vorangetrieben. über den Bildrahmen (typischerweise von oben nach unten im Landschaftsformat). Das globale elektronische Shuttering ist seltener, da "Speicher" Schaltkreise erforderlich sind, um die Ladung vom Ende des Expositionsintervalls zu halten, bis der Auslesungsprozess dort ankommt, normalerweise einige Millisekunden später.[14]

Farbtrennung

Bayer -Muster auf dem Sensor
Foveons Schema der vertikalen Filterung für die Farbempfindung

Es gibt mehrere Haupttypen von Farbbildsensoren, die sich je nach Farb-Trennungs-Mechanismus unterscheiden:

  • Bayer-Filter-Sensor, kostengünstig und am häufigsten mit a Farbfilterarray Das geht an rot, grün und blaues Licht an ausgewählt Pixelsensoren. Jedes einzelne Sensorelement wird mit a Farbgel Hergestellt aus chemischen Farbstoffen, die über die Elemente gemustert sind. Die häufigste Filtermatrix, die Bayer -Musterverwendet zwei grüne Pixel für jedes Rot und Blau. Dies führt zu einer geringeren Auflösung für rote und blaue Farben. Die fehlenden Farbproben können mit a interpoliert werden Demosaierung Algorithmus oder insgesamt ignoriert von Verlustige Komprimierung. Um die Farbinformationen zu verbessern, mögen Techniken wie Farb-Co-Site-Probenahme verwenden ein Piezo Mechanismus zum Verschieben des Farbsensors in Pixelschritten.
  • Foveon X3 -SensorUnter Verwendung einer Reihe von geschichteten Pixelsensoren, die das Licht über die inhärente wellenlängenabhängige Absorptionseigenschaft von Silizium trennen, sodass jeder Ort alle drei Farbkanäle erfasst. Diese Methode ähnelt der Funktionsweise von Farbfilmen für die Fotografie.
  • 3ccdmit drei diskreten Bildsensoren mit der Farbtrennung durch a Dichroic Prisma. Die dichroischen Elemente bieten eine schärfere Farbtrennung und verbessern so die Farbqualität. Weil jeder Sensor in seinem gleichermaßen empfindlich ist Passbandund bei voller Auflösung erzeugen 3-CCD-Sensoren eine bessere Farbqualität und eine bessere Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen. 3-CCD-Sensoren produzieren eine vollständige 4: 4: 4 Signal, das bevorzugt in Fernseh-Übertragung, Videobearbeitung und Chroma Key visuelle Effekte.

Spezialsensoren

Infrarotansicht der Orion Nebula genommen von EsoHawk-i, ein kryogener Weitfeldbildgeber[15]

Spezielle Sensoren werden in verschiedenen Anwendungen verwendet, wie z. Thermografie, Erstellung von Multispektrale Bilder, Video laryngoskopes, Gamma -Kameras, Sensorarrays für Röntgenaufnahmenund andere hochempfindliche Arrays für Astronomie.

Während im Allgemeinen Digitalkameras einen flachen Sensor verwenden, prototyp Sony 2014 einen gekrümmten Sensor, um zu reduzieren/zu eliminieren Petzval Feldkrümmung Das tritt bei einem flachen Sensor auf. Die Verwendung eines gekrümmten Sensors ermöglicht einen kürzeren und kleineren Durchmesser der Linse mit reduzierten Elementen und Komponenten mit einer größeren Blende und einem verringerten Lichtabfall am Rand des Fotos.[16]

Geschichte

Frühe analoge Sensoren für sichtbares Licht waren Videokamera -Röhren. Sie stammen aus den 1930er Jahren, und bis in die 1980er Jahre wurden verschiedene Typen entwickelt. In den frühen neunziger Jahren waren sie durch modern ersetzt worden fester Zustand CCD -Bildsensoren.[17]

Die Grundlage für moderne Festkörperbildsensoren ist die MOS-Technologie,[18][19] das stammt aus der Erfindung des MOSFET durch Mohamed M. Atalla und Dawon Kahng bei Bell Labs 1959.[20] Spätere Forschungen zur MOS-Technologie führten zur Entwicklung von Festkörperzustand Halbleiter Bildsensoren, einschließlich der Ladungsgekoppelte Gerät (CCD) und später die Active-Pixel-Sensor (CMOs Sensor).[18][19]

Das Passiv-Pixel-Sensor (PPS) war der Vorläufer des Active-Pixel-Sensors (APS).[7] Ein PPS besteht aus passiven Pixeln, die ohne vorgelesen werden Verstärkungmit jedem Pixel, bestehend aus einer Fotodiode und a Mosfet Schalter.[21] Es ist eine Art von Art von Fotodiodenarray, mit Pixeln, die a enthalten P-N Junction, integriert Kondensator, und MOSFets als Auswahl Transistoren. Ein Fotodiodenarray wurde 1968 von G. Weckler vorgeschlagen.[6] Dies war die Grundlage für die PPS.[7] Diese frühen Fotodiodenarrays waren komplex und unpraktisch, wobei Selektionstransistoren in jedem Pixel zusammen mit der Herstellung On-Chip Multiplexer Schaltungen. Das Lärm von Photodioden -Arrays war ebenfalls eine Einschränkung für die Leistung, wie die Photodioden -Anzeige Bus Die Kapazität führte zu einem erhöhten Geräuschpegel. Korrelierte Doppelabtastung (CDs) konnte auch nicht mit einem Fotodiodenarray ohne extern verwendet werden Erinnerung.[6]

Im Juni 2022 kündigte Samsung Electronics an, einen 200 Millionen Pixel -Bildsensor zu erstellen. Der 200MP Isocell HP3 verfügt über 0,56 Mikrometer -Pixel, wobei Samsung berichtet, dass frühere Sensoren 064 Mikrometer -Pixel hatten, ein Rückgang von 12% seit 2019. Der neue Sensor enthält 200 Millionen Pixel in einem 2 x 1,4 -Zoll -Objektiv.[22]

Ladungsgekoppelte Gerät

Das Ladungsgekoppelte Gerät (CCD) wurde von erfunden von Willard S. Boyle und George E. Smith 1969 bei Bell Labs.[23] Während der Erforschung der MOS -Technologie erkannten sie, dass eine elektrische Ladung die Analogie der magnetischen Blase war und dass sie auf einem winzigen gespeichert werden konnte MOS -Kondensator. Wie es ziemlich einfach war fabrizieren Als eine Reihe von MOS -Kondensatoren in Folge verbanden sie eine geeignete Spannung mit ihnen, damit die Ladung von einem zum nächsten entlanggetreten werden konnte.[18] Der CCD ist eine Halbleiterschaltung, die später im ersten verwendet wurde Digitale Videokameras zum Fernseh-Übertragung.[24]

Frühe CCD -Sensoren litten unter Verschlussverzögerung. Dies wurde größtenteils mit der Erfindung der Fast Photodiode (PPD).[7] Es wurde von erfunden von Nobukazu TeranishiHiromitsu Shiraki und Yasuo Ishihara bei NEC 1980.[7][25] Es war ein Fotodetektor Struktur mit geringer Verzögerung, niedrig Lärm, hoch Quanteneffizienz und tief dunkle Strömung.[7] 1987 wurde die PPD in die meisten CCD -Geräte eingebaut und wurde zu einer Bestandsanlage in Unterhaltungselektronik Videokameras und dann Digital noch Kameras. Seitdem wird die PPD in fast allen CCD -Sensoren und dann in CMOS -Sensoren verwendet.[7]

Active-Pixel-Sensor

Das Nmos Active-Pixel-Sensor (APS) wurde von erfunden von Olymp in Japan Mitte der 1980er Jahre. Dies wurde durch Fortschritte in MOs ermöglicht Herstellung von Halbleitervorrichtungen, mit MOSFET -Skalierung kleiner erreichen Mikron und dann Sub-Micron Ebenen.[6][26] Die ersten NMOS -APs wurden 1985 von Tsutomu Nakamuras Team bei Olympus hergestellt.[27] Das CMOs Der Active-Pixel-Sensor (CMOS-Sensor) wurde später von entwickelt von Eric Fossum's Team bei der NASA Jet Propulsion Laboratory 1993.[7] Bis 2007 hatten der Verkauf von CMOS -Sensoren CCD -Sensoren übertroffen.[28] In den 2010er Jahren verdrängten CMOS -Sensoren CCD -Sensoren in allen neuen Anwendungen weitgehend.

Andere Bildsensoren

Das neue iPad enthält einen Lidar -Sensor

Der erste Werbespot Digitalkamera, das Cromemco Cyclops 1975 verwendete ein 32 × 32 -MOS -Bildsensor. Es war eine modifizierte MOS -Dynamik RAM (Dram) Speicherkarte.[29]

MOS -Bildsensoren sind in großem Umfang verwendet in optische Maus Technologie. Die erste optische Maus, erfunden von Richard F. Lyon bei Xerox 1980 verwendete a 5 µm Nmos Integrierter Schaltkreis Sensorchip.[30][31] Seit der ersten kommerziellen optischen Maus, die Intellimouse Die im Jahr 1999 eingeführten meisten optischen Mausgeräte verwenden CMOS -Sensoren.[32]

Im Februar 2018 Forscher bei Dartmouth College kündigte eine neue Image -Sensing -Technologie an, die die Forscher QIS für Quantenbildsensor nennen. Anstelle von Pixeln haben QIS -Chips das, was die Forscher "Jots" nennen. Jeder JOT kann ein einzelnes Lichtteilchen erkennen, das als a genannt wird Photon.[33]

Siehe auch

Verweise

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Externe Links