Введение
Сенсор изображения, состоящий из интегральной схемы Активный пиксельный сенсор (APS) - это сенсор изображения, который был изобретен Питером Дж. У. Ноблом в 1968 году, где каждая ячейка пиксельного сенсора имеет фотодетектор (обычно прикрепленный фотодиод) и один или несколько активных транзисторов. CMOS-датчики появились как альтернатива зарядке связанных устройств (CCD) датчиков изображения и в конечном итоге превзошли их к середине 2000-х годов. Термин "активный пиксельный датчик" также используется для обозначения самого отдельного пиксельного датчика, в отличие от датчика изображения. В этом случае датчик изображения иногда называют активным датчиком изображения пикселя или активным датчиком изображения пикселя.
An active pixel sensor (APS) is an image sensor, which was invented by Peter J. W. Noble in 1968, where each pixel sensor unit cell has a photodetector (typically a pinned photodiode) and one or more active transistors. CMOS sensors emerged as an alternative to charge coupled device (CCD) image sensors and eventually outsold them by the mid 2000s. The term active pixel sensor is also used to refer to the individual pixel sensor itself, as opposed to the image sensor. In this case, the image sensor is sometimes called an active pixel sensor imager, or active pixel image sensor.
Предыстория
Исследуя технологию полупроводников металлических оксидов (MOS), Уиллард Бойл и Джордж Э. Смит поняли, что электрический заряд может храниться на крошечном конденсаторе MOS, который стал основным строительным блоком устройства зарядной пары (CCD), которое они изобрели в 1969 году. Проблема с технологией CCD заключалась в необходимости почти идеальной передачи заряда при чтении, что "делает их радиационную [терпимость?] "мягкие", трудно использовать при слабом освещении, трудно изготовить в больших размерах массивов, трудно интегрировать с электронной микросхемой, трудно использовать при низких температурах, трудно использовать при высоких частотах кадров и трудно изготовить из некремниевых материалов, которые расширяют длину волны". В лабораториях RCA исследовательская группа, включающая Пола К. Ваймера, В. С. Пайка и Г. Садасива, в 1969 году предложила создать датчик изображения в твердом состоянии с сканирующими схемами с использованием тонкопленочных транзисторов (TFT), с фотопроводящей пленкой, используемой для фотодетектора. Низкое разрешение "в основном цифровой" N-канальный MOSFET (NMOS) с внутрипиксельной амплификацией для оптического мыши было продемонстрировано Ричардом Ф. Лионом в 1981 году. Другой тип технологии датчика изображения, связанный с APS, - это гибридный инфракрасный фокусный плоскостной массив (IRFPA), а затем публично сообщенный Тераньси и Ишихарой с А. Кохоно, Э. Одой и К. Араи в 1982 году с добавлением анти-цветящейся структуры. Прикрепленный фотодиод представляет собой фотодетекторную структуру с низким лагом, низким уровнем шума, высокой квантовой эффективностью и низким темным током. В фотодиодном массиве пиксели содержат p n-соединение, интегрированный конденсатор и MOSFET в качестве селекционных транзисторов. Фотодиодный массив был предложен Г. Веклером в 1968 году, предшествуя CCD. В 1968 году Питер Дж. У. Нобл предложил пассивные пиксельные датчики в качестве альтернативы вакуумным трубкам. Пассивный сенсор MOS использовал простой выключатель в пикселе для считывания интегрированного заряда фотодиода. Пиксели были расположены в двухмерной структуре, с проводом доступа, разделенным пикселями в одном ряду, и выходной проводом, разделенным колонкой. В конце каждой колонки был транзистор. Пассивные пиксельные датчики испытывали много ограничений, таких как высокий уровень шума, медленное считывание и отсутствие масштабируемости. Ранние (1960-е - 1970-е годы) фотодиодные массивы с транзисторами выбора внутри каждого пикселя, наряду с мультиплексорами на чипе, были непрактически большими. Шум фотодиодных массивов также был ограничением производительности, поскольку емкость вычислительной шины фотодиода привела к увеличению уровня шума считывания. Коррелированный двойной отбор проб (CDS) также не может использоваться с фотодиодным массивом без внешней памяти. В 1970-х годах из-за ограниченных возможностей микролитографии в то время было невозможно изготовить активные пиксельные датчики с практическим размером пикселя. Первый MOS APS был изготовлен командой Цутому Накамуры в Olympus в 1985 году. Термин активный пиксельный датчик (APS) был придуман Накамурой во время работы над CMD активным пиксельным датчиком в Olympus. CMD-изображение имело вертикальную структуру APS, которая увеличивает коэффициент заполнения (или уменьшает размер пикселя), сохраняя заряд сигнала под выходной транзистором NMOS. Другие японские компании полупроводников вскоре последовали за ними с их собственными активными пиксельными датчиками в конце 1980-х - начале 1990-х годов. В период с 1988 по 1991 год компания Toshiba разработала датчик "транзистор плавающей поверхности с двойными воротами", который имел боковую структуру APS, причем каждый пиксель содержал скрытый канал MOS и усилитель вывода PMOS. В период с 1989 по 1992 год Canon разработала базовый сенсор сохраненного изображения (BASIS), который использовал вертикальную структуру APS, аналогичную сенсору Olympus, но с биполярными транзисторами, а не MOSFET. в то время как активные пиксельные датчики начали использоваться для высокофункциональных приложений с низким разрешением, таких как моделирование сетчатки и детекторы частиц высокой энергии. Однако CCD по-прежнему имели гораздо меньший временный шум и шум с фиксированной структурой и были доминирующей технологией для потребительских приложений, таких как видеокамеры, а также для радиовещательных камер, где они вытесняли трубки видеокамер. В 1993 году первая пра�...
Passive pixel sensors were being investigated as a solid state alternative to vacuum tube imaging devices. The MOS passive pixel sensor used just a simple switch in the pixel to read out the photodiode integrated charge. Pixels were arrayed in a two dimensional structure, with an access enable wire shared by pixels in the same row, and output wire shared by column. At the end of each column was a transistor. Passive pixel sensors suffered from many limitations, such as high noise, slow readout, and lack of scalability. Early (1960s–1970s) photodiode arrays with selection transistors within each pixel, along with on chip multiplexer circuits, were impractically large. The noise of photodiode arrays was also a limitation to performance, as the photodiode readout bus capacitance resulted in increased read noise level. Correlated double sampling (CDS) could also not be used with a photodiode array without external memory. It was not possible to fabricate active pixel sensors with a practical pixel size in the 1970s, due to limited microlithography technology at the time. The first MOS APS was fabricated by Tsutomu Nakamura's team at Olympus in 1985. The term active pixel sensor (APS) was coined by Nakamura while working on the CMD active pixel sensor at Olympus. The CMD imager had a vertical APS structure, which increases fill factor (or reduces pixel size) by storing the signal charge under an output NMOS transistor. Other Japanese semiconductor companies soon followed with their own active pixel sensors during the late 1980s to early 1990s. Between 1988 and 1991, Toshiba developed the "double gate floating surface transistor" sensor, which had a lateral APS structure, with each pixel containing a buried channel MOS photogate and a PMOS output amplifier. Between 1989 and 1992, Canon developed the base stored image sensor (BASIS), which used a vertical APS structure similar to the Olympus sensor, but with bipolar transistors rather than MOSFETs. while active pixel sensors began being used for low resolution high function applications such as retina simulation and high energy particle detectors. However, CCDs continued to have much lower temporal noise and fixed pattern noise and were the dominant technology for consumer applications such as camcorders as well as for broadcast cameras, where they were displacing video camera tubes. In 1993, the first practical APS to be successfully fabricated outside of Japan was developed at NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL), which fabricated a CMOS compatible APS. It had a lateral APS structure similar to the Toshiba sensor, but was fabricated with CMOS rather than PMOS transistors. The CMOS sensor with PPD technology was further advanced and refined by R. M. Guidash in 1997, K. Yonemoto and H. Sumi in 2000, and I. Inoue in 2003. This led to CMOS sensors achieve imaging performance on par with CCD sensors, and later exceeding CCD sensors. The video industry switched to CMOS cameras with the advent of high definition video (HD video), as the large number of pixels would require significantly higher power consumption with CCD sensors, which would overheat and drain batteries. CMOS sensors went on to have a significant cultural impact, leading to the mass proliferation of digital cameras and camera phones, which bolstered the rise of social media and selfie culture, and impacted social and political movements around the world. In recent years, the CMOS sensor technology has spread to medium format photography with Phase One being the first to launch a medium format digital back with a Sony built CMOS sensor. In 2012, Sony introduced the stacked CMOS BI sensor. Boyd Fowler of OmniVision is known for his work in CMOS image sensor development. His contributions include the first digital pixel CMOS image sensor in 1994; the first scientific linear CMOS image sensor with single electron RMS read noise in 2003; the first multi megapixel scientific area CMOS image sensor with simultaneous high dynamic range (86 dB), fast readout (100 frames/second) and ultra low read noise (1.2e RMS) (sCMOS) in 2010. He also patented the first CMOS image sensor for inter oral dental X rays with clipped corners for better patient comfort. By the late 2010s CMOS sensors had largely if not completely replaced CCD sensors, as CMOS sensors can not only be made in existing semiconductor production lines, reducing costs, but they also consume less power, just to name a few advantages. (see below)
HV-CMOS
HV CMOS-устройства являются специальным случаем обычных датчиков CMOS, используемых в приложениях высокого напряжения (для обнаружения высокоэнергетических частиц), таких как Большой адронный коллайдер CERN, где необходимо высокое разрывное напряжение до ~ 30 120 В. Однако такие устройства не используются для переключения высокого напряжения. CMOS-датчик также обычно имеет лучший контроль над цветом (то есть, кровотечением фотозарядки от сверхэкспонированного пикселя в другие близлежащие пиксели). В трех сенсорных системах камер, которые используют отдельные датчики для разрешения красного, зеленого и синего компонентов изображения в сочетании с призмами расщепления луча, три датчика CMOS могут быть идентичными, тогда как большинство призмов расщепления требуют, чтобы один из датчиков CCD был зеркальным изображением других двух, чтобы прочитать изображение в совместимом порядке. В отличие от датчиков CCD, датчики CMOS имеют возможность обратить адресацию датчиков. Существуют CMOS-датчики со скоростью пленки ISO 4 миллиона.
Недостатки CMOS по сравнению с CCD
Поскольку датчик CMOS обычно захватывает ряд за раз примерно за 1/60 или 1/50 секунды (в зависимости от частоты обновления), это может привести к эффекту "катушки затвора", когда изображение искажено (наклонено влево или вправо, в зависимости от направления движения камеры или объекта). Например, при отслеживании автомобиля, движущегося на высокой скорости, автомобиль не будет искажен, но фон будет выглядеть наклонным. У датчика CCD с передачей кадров или датчика CMOS с "глобальным затворами" нет этой проблемы; вместо этого он захватывает все изображение сразу в хранилище кадров. Преимуществом датчиков CCD является их способность снимать изображения с меньшим уровнем шума. С улучшением технологии CMOS это преимущество закрылось к 2020 году, с современными CMOS-датчиками, способными превзойти CCD-датчики. Активная схема в пикселях CMOS занимает некоторую площадь поверхности, которая не чувствительна к свету, снижая эффективность обнаружения фотонов устройства (микролинзы и датчики обратного освещения могут смягчить эту проблему). Но CCD передачи кадров также имеет около половины нечувствительной площади для узлов хранения кадров, поэтому относительные преимущества зависят от того, какие типы датчиков сравниваются.
Пиксель
Стандартный пиксель CMOS APS состоит из фотодетектора (прикрепленного фотодиода). Прикрепленный фотодиод первоначально использовался в межлинейных передачах CCD из-за его низкого темного тока и хорошего синего ответа, и в сочетании с передаточными воротами позволяет полностью передавать заряд от прикрепленного фотодиода к плавающей диффузии (которая далее соединена с воротами транзистора считывания), устраняя задержку. Использование внутрипиксельной передачи заряда может обеспечить снижение шума, позволяя использовать коррелированный двойной отбор проб (CDS). Пиксель Noble 3T все еще иногда используется, поскольку требования к изготовлению менее сложны. Пиксель 3T содержит те же элементы, что и пиксель 4T, за исключением шлюза передачи и фотодиода. Транзистор сброса, Mrst, действует как переключатель для сброса плавающей диффузии на VRST, который в этом случае представлен в виде шлюза транзистора Msf. Когда транзистор сброса включен, фотодиод эффективно подключен к источнику питания, VRST, очищая весь интегрированный заряд. Поскольку транзистор сброса является типа n, пиксель работает в режиме мягкой сбросы. Транзистор считывания, Msf, действует как буфер (в частности, последователь источника), усилитель, который позволяет наблюдать напряжение пикселя без удаления накопленного заряда. Его источник питания, VDD, обычно привязан к источнику питания транзистора сброса VRST. Транзистор выбора, Msel, позволяет читать один ряд пиксельного массива с помощью электронной системы считывания. Существуют и другие инновации пикселей, такие как пиксели 5T и 6T. Добавляя дополнительные транзисторы, возможно выполнение таких функций, как глобальный затвор, в отличие от более распространенного ролинг-закрывателя. Для увеличения плотности пикселей могут использоваться совместные строки, четырехсторонние и восьмисторонние совместные считывания и другие архитектуры. Вариантом 3T-активного пикселя является датчик Foveon X3, изобретенный Диком Мерриллом. В этом устройстве три фотодиода расположены друг на друге с использованием методов плоского изготовления, каждый фотодиод имеет свою собственную 3T-схему. Каждый слой служит фильтром для слоя, расположенного ниже, смещая спектр поглощаемого света в последовательных слоях. Деконволируя ответ каждого слойного детектора, можно восстановить красный, зеленый и синий сигналы.
Массив
Типичный двухмерный массив пикселей организован в ряды и столбцы. Пиксели в данном ряду делятся линиями сброса, так что вся строка сбросается за один раз. Линии выбора ряда каждого пикселя в ряду также связаны друг с другом. Выходы каждого пикселя в любом заданном столбце связаны друг с другом. Поскольку в данный момент времени выбирается только одна строка, не возникает конкуренции за выходную линию. Дальнейшие схемы усилителя обычно на колонной основе.
Размер
Размер датчика пикселей часто указывается в высоте и ширине, а также в оптическом формате.
Боковые и вертикальные конструкции
Существует два типа активных пиксельных датчиков (APS), боковые APS и вертикальные APS. Здесь Cpix - это емкость хранения пикселей, а также используется для емкостного соединения адресующего импульса "Читания" с воротами TAMP для переключения ON OFF. Такие схемы считывания пикселей лучше всего работают с фотопроводниковыми детекторами низкой емкости, такими как аморфный селен.
Варианты конструкции
Было предложено и сфабриковано много различных дизайнов пикселей. Стандартный пиксель использует наименьшее количество проводов и наименьшее количество, наиболее плотно упакованных транзисторов, возможных для активного пикселя. Важно, чтобы активная схема в пикселе занимала как можно меньше места, чтобы предоставить больше места для фотодетектора. Высокое количество транзисторов влияет на фактор заполнения, то есть на процент площади пикселей, чувствительных к свету. Размер пикселей может быть обменен на желаемые качества, такие как снижение шума или уменьшение задержки изображения. Шум - это мера точности, с которой может быть измерен падающий свет. Отставание возникает, когда следы предыдущего кадра остаются в будущих кадрах, т.е. пиксель не полностью сброшен. Различие напряжения и шума в мягком сбросе (регулируемом напряжении врат) пикселя равняется , но задержка изображения и шум фиксированного шаблона могут быть проблематичными. В электронах rms шум является жестким сбросом Пиксель через жесткий сброс приводит к шуму Джонсона-Найквиста на фотодиоде или , но предотвращает задержку изображения, иногда желательный компромисс. Один из способов использования жесткого сброса - заменить Mrst транзистором типа p и инвертировать полярность сигнала RST. Наличие устройства типа p уменьшает коэффициент заполнения, поскольку требуется дополнительное пространство между устройствами p и n; он также исключает возможность использования транзистора сброса в качестве слива переполнения, что является обычно используемым преимуществом FET сброса типа n. Другой способ достижения жесткого сброса, с FET типа n, заключается в снижении напряжения VRST относительно напряжения RST. Это уменьшение может уменьшить площадь для зарядки или полную мощность зарядки, но не влияет на коэффициент заполнения, если VDD не будет направлен по отдельному проводу с его исходным напряжением.
Hard reset The pixel via hard reset results in a Johnson–Nyquist noise on the photodiode of or , but prevents image lag, sometimes a desirable tradeoff. One way to use hard reset is replace Mrst with a p type transistor and invert the polarity of the RST signal. The presence of the p type device reduces fill factor, as extra space is required between p and n devices; it also removes the possibility of using the reset transistor as an overflow anti blooming drain, which is a commonly exploited benefit of the n type reset FET. Another way to achieve hard reset, with the n type FET, is to lower the voltage of VRST relative to the on voltage of RST. This reduction may reduce headroom, or full well charge capacity, but does not affect fill factor, unless VDD is then routed on a separate wire with its original voltage.
Комбинации жесткого и мягкого сброса
Такие методы, как сброс с помощью флеш-резайта, псевдо-сброс с помощью флэша и сброс с помощью сбора из твердого в мягкий, объединяют мягкий и твердый сброс. Подробности этих методов различаются, но основная идея одна и та же. Сначала выполняется жесткий сброс, устраняя задержку изображения. Затем выполняется мягкое сброс, вызывающее сброс низкого уровня шума без добавления задержки. Псевдо-сброс вспышки требует отделения VRST от VDD, в то время как другие два метода добавляют более сложную схему колонки. В частности, сброс псевдо-вспышки и сброс твердости на мягкую добавляют транзисторы между пиксельными источниками питания и фактическим VDD. В результате уменьшается пространство для головы, не влияя на фактор заполнения.
Активный сброс
Более радикальная конструкция пикселей - это пиксель активного сброса. Активный сброс может привести к значительно более низким уровням шума. Компромисс - это сложная схема сброса, а также гораздо более крупный пиксель или дополнительная схема уровня колонки.