КМОП-сенсор

Основная статья: Фотосенсор

КМОП-сенсор или фотосенсор, где основным элементом является матрица (фото), выполненная на основе КМОП-технологии.

В КМОП-сенсорах используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости

Equivalent circuit of CMOS Image Sensor pixel.png

Эквивалентная схема ячейки КМОП-матрицы: 1 — светчувствительный элемент (диод); 2 — затвор; 3 — конденсатор, сохраняющий заряд с диода; 4 — усилитель; 5 — шина выбора строки; 6 — вертикальная шина, передающая сигнал процессору; 7 — сигнал сброса.^[1]

История[править | править код]

КМОП-сенсор с основным элементом — матрица (фото)(в синей рамке)

Точная дата рождения КМОП-сенсора неизвестна. В конце 1960-х гг. многие исследователи отмечали, что структуры КМОП (CMOS) обладают чувствительностью к свету. Однако приборы с зарядовой связью обеспечивали настолько более высокую светочувствительность и качество изображения, что матрицы на КМОП технологии не получили сколько-нибудь заметного развития.

В начале 90-х характеристики КМОП-сенсоров, а также технология производства были значительно улучшены. Прогресс в субмикронной фотолитографии на уровне нанотехнологий позволил применять в КМОП-сенсорах более тонкие соединения. Это привело к увеличению светочувствительности за счет большего процента облучаемой площади каждого фотодиода.

Переворот в технологии КМОП-сенсоров произошел, когда в лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory — JPL) NASA успешно реализовали Active Pixel Sensors (APS). Теоретические исследования были выполнены еще несколько десятков лет тому назад, но практическое использование активного сенсора отодвинулось до 1993 года. APS добавляет к каждому пикселу транзисторный усилитель для считывания, что даёт возможность преобразовывать заряд в напряжение прямо в пикселе. Это обеспечило также индивидуальный доступ к фотодиодам наподобие реализованного в микросхемах ОЗУ.

В результате к 2008 году КМОП практически стали вытеснять ПЗС.

Принцип работы[править | править код]

До съёмки подаётся сигнал сброса
В процессе экспозиции происходит накопление заряда фотодиодом
В процессе считывания происходит выборка значения напряжения на конденсаторе

Преимущества[править | править код]

Основное преимущество КМОП технологии — низкое энергопотребление в статическом состоянии. Это позволяет применять такие матрицы в составе энергонезависимых устройств, например, в датчиках движения и системах наблюдения, находящихся большую часть времени в режиме «сна» или «ожидания события».
Важным преимуществом КМОП сенсора является единство технологии с остальными, цифровыми элементами аппаратуры. Это приводит к возможности объединения на одном кристалле аналоговой и цифровой части, что послужило основой для создания миниатюрных встраиваемых камер для самого разного оборудования и снижения их стоимости.
С помощью механизма произвольного доступа можно выполнять считывание выбранных групп пикселов. Данная операция получила название кадрированного считывания (англ. windowing readout). Кадрирование позволяет уменьшить размер захваченного изображения и потенциально увеличить скорость считывания по сравнению с ПЗС-сенсорами, поскольку в последних для дальнейшей обработки необходимо выгрузить всю информацию. Появляется возможность применять одну и ту же матрицу в принципиально различных режимах. В частности, быстро считывая только малую часть пикселей, можно обеспечить качественный режим живого просмотра изображения на встроенном в аппарат экране с относительно малым числом пикселей. Можно отсканировать только часть кадра и применить её для отображения на весь экран. Тем самым получить возможность качественной ручной фокусировки. Есть возможность вести репортажную скоростную съёмку с меньшим размером кадра и разрешением.
В дополнение к усилителю внутри пиксела, усилительные схемы могут быть размещены в любом месте по цепи прохождения сигнала. Это позволяет создавать усилительные каскады и повышать чувствительность в условиях плохого освещения. Возможность изменения коэффициента усиления для каждого цвета улучшает, в частности, балансировку белого
Меньшая энергоемкость за счет возможности управления каждым пикселем.

Недостатки[править | править код]

Фотодиод ячейки занимает существенно меньшую площадь элемента матрицы, по сравнению с ПЗС матрицей с полнокадровым переносом. Поэтому ранние матрицы КМОП имели существенно более низкую светочувствительность, чем ПЗС.
Фотодиод ячейки фотосенсора имеет сравнительно малый размер, величина же получаемого выходного напряжения зависит не только от параметров самого фотодиода, но и от свойств каждого элемента пикселя. Таким образом, у каждого пикселя матрицы оказывается своя собственная характеристическая кривая, и возникает проблема разброса светочувствительности и коэффициента контраста пикселей матрицы. В результе чего первые произведённые КМОП-матрицы имели сравнительно низкое разрешение и высокий уровень так называемого «структурного шума» (англ. pattern noise).
Наличие на матрице большого по сравнению с фотодиодом объёма электронных элементов создаёт дополнительный нагрев устройства в процессе считывания и приводит к возрастанию теплового шума и вообще выход из строя отдельных пикселей. Однако в настоящее время введен в микросхему режим сброса лишних электронов в яму, что исключает практически перегрев.