`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Анатомия сенсоров изображений

0 
 

Точная дата рождения цифровой фотографии неизвестна. Наиболее вероятным периодом называют конец 1960-х гг. -- время, когда многие исследователи обнаружили, что структуры КМОП (CMOS) обладают чувствительностью к свету. Второй тип фоточувствительных полупроводниковых устройств -- приборы с зарядовой связью, ПЗС, или в английском написании CCD (Charge Coupled Device) -- были изобретены в конце 1969 г. Уильямом Бойлем (William Boyle) и Джорджем Смитом (George Smith) из Bell Labs. Качество формирования изображений у этих устройств было на то время столь высоким, что они быстро затмили матрицы на КМОП.

Первые коммерчески доступные ПЗС-сенсоры появились в 1973 г. Впечатляющие возможности по переносу заряда сделали их идеальным выбором для изготовления сенсорных матриц. Сегодня ПЗС являются специализированными чипами, применяемыми, как правило, только для захвата изображения. Они производятся небольшим числом компаний, в частности Sony, Philips, Kodak, Matsushita, Fuji и Sharp. КМОП также продолжают использоваться в фотокамерах, однако более прочно утвердились для изготовления памяти, обработки данных и других цифровых функций ввиду их низкого энергопотребления и гибкой полупроводниковой технологии. Тем не менее ряд характеристик этих устройств продолжает привлекать к себе внимание производителей цифровой фототехники. Поскольку особенности архитектуры КМОП позволяют осуществлять обработку изображений и преобразование аналог--код прямо в чипе, цифровые камеры и другие устройства на базе КМОП получаются значительно дешевле. Вдобавок КМОП-камеры требуют меньше сопутствующей электроники и печатных плат и могут быть размером с ноготь или еще меньше. В начале 90-х характеристики КМОП-сенсоров, а также технология производства были значительно улучшены. Например, прогресс в субмикронной литографии и дальнейшая миниатюризация транзисторов в интегральных схемах позволили применять в КМОП-сенсорах более тонкие соединения. Это, в свою очередь, привело к увеличению фоточувствительности за счет большего процента облучаемой площади матрицы. Таким образом, в последние годы КМОП стали практической альтернативой ПЗС. Однако в сегменте высокоуровневых решений ПЗС в ближайшее время будут удерживать первенство.


Что происходит в кремнии

Большинство сенсоров изображений строится на базе кремния. Напомним вкратце основные принципы взаимодействия света и электронов в полупроводниках.

Как известно, энергия фотона связана с частотой (длиной волны) соотношением Анатомия сенсоров изображений, где -- h постоянная Планка, c -- скорость света, v -- частота, а Анатомия сенсоров изображений -- длина волны падающего света. Если энергия фотона больше, чем ширина энергетической щели, разделяющей валентную зону и зону проводимости полупроводника, то электрон при взаимодействии с таким фотоном может перейти из валентной зоны в зону проводимости и стать подвижным. Важным следствием данного соотношения является существование минимальной длины волны света, при которой возможно появление подвижного электрона. Обычно полупроводник легируют соответствующим материалом, что приводит к образованию промежуточных энергетических уровней в запрещенной зоне. Это позволяет свету с длиной волны большей, чем минимальная, генерировать электроны проводимости. Легирование бором создает полупроводник p-типа, а фосфором -- n-типа.

Анатомия сенсоров изображений
Рис. 1
Вообще говоря, электроны проводимости способен генерировать свет в видимом диапазоне длин волн (400--750 нм) и в ближней инфракрасной области спектра (1100 нм). Количество электронов, так называемый квантовый выход, является линейной функцией от числа фотонов, падающих на единицу площади за единицу времени (интенсивности света). Оно может быть меньше (рис. 1) за счет отраженных и поглощенных фотонов и рекомбинации возбужденных электронов или больше -- при взаимодействии с высокоэнергетическими фотонами. Квантовый выход является одним из важнейших параметров, используемых при оценке качества фотодетектора.


Пикселы

Сенсор изображений состоит из набора фотоприемников -- пикселов, которые образуют прямоугольную матрицу. Хотя структура пикселов зависит от типа сенсора, принципы их работы одинаковы.

Падающий свет попадает на фоточувствительную зону пикселов, где генерирует электроны, которые собираются в потенциальных ямах. Величина аккумулируемого заряда определяется интенсивностью падающего света. Время, за которое собирается заряд, называется временем интеграции (integration time). Таким образом, потенциальная яма содержит информацию о части изображения в форме электрического заряда, порожденного падающим светом.

В своей основе сенсор изображений должен выполнять четыре основные задачи: сгенерировать заряд от падающего фотона, собрать полученные заряды, перенести суммарный заряд и преобразовать его в напряжение. И ПЗС-, и КМОП-сенсоры решают все четыре задачи. Первые две они выполняют одинаково, но расходятся в методах переноса заряда и преобразования его в напряжение. В дальнейшем мы уделим большее внимание сенсорам на базе ПЗС.


Как работает ПЗС-сенсор

Он выполняет меньше функций на чипе, чем КМОП-сенсоры, но изящная простота ПЗС позволяет обеспечить превосходное качество изображения. Конечно, только наличие матрицы ПЗС в фотокамере не означает, что она будет делать хорошие снимки. Их качество определяется всей системой, включающей оптику, АЦП, схемы обработки изображений и другие компоненты. Более того, важным фактором является и способ взаимодействия всех составляющих.

Анатомия сенсоров изображений
Рис. 2
На рис. 2 представлена схема формирования потенциальной ямы. ПЗС-структура состоит из легированного поликремния, отделенного от подложки изолирующим слоем двуокиси кремния. Прикладывая напряжение к поликремниевым электродам, которые служат своеобразными вентилями (затворами), можно менять электрические потенциалы в прилегающих зонах внутри кремния. Так, положительное напряжение создает потенциальную яму, куда устремляются электроны, выбитые фотонами из валентной зоны. Электроны удерживаются в зоне под затвором за счет создания вокруг нее потенциального барьера -- посредством приложения отрицательного потенциала к соседним электродам. Потенциальную яму или барьер можно сформировать под любым затвором.

Собранный заряд, соответствующий некоторому элементу изображения и удерживаемый в потенциальной яме, необходимо теперь каким-то образом доставить к преобразователям и усилителям, которые физически отделены от пиксела. Применяемые сегодня методы включают четыре различных способа переноса заряда: четырехфазный, трехфазный, псевдодвухфазный и истинный двухфазный. Остановимся подробнее на первом, поскольку остальные являются его вариациями.

Анатомия сенсоров изображений
Рис. 3
Для переноса заряда в ПЗС-матрице с помощью поликремниевых электродов создаются сдвиговые регистры -- так, что они образуют цепочку вдоль одной оси (строку или колонку). В названии метода отражено то, что пиксел формируется четырьмя электродами (Ф1, Ф2, Ф3 и Ф4 на рис. 3). Если приложить к Ф1 и Ф2 высокое напряжение, удерживая низкое на Ф3 и Ф4, можно создать потенциальную яму под пикселом Pn, в которую будут стекаться электроны проводимости (фаза t1). Если затем изменить полярность на электродах Ф1 и Ф3 (фаза t2), то "зарядовый пакет" под действием электростатических сил будет перемещаться от Ф1 к Ф3. В следующей фазе (t3) меняется полярность электродов Ф2 и Ф4, и заряд перетекает в потенциальную яму, образованную под электродами Ф3 и Ф4. Этот процесс применяется синхронно для всех сдвиговых регистров. Таким образом, заряды смещаются строка за строкой, как бы связанные друг с другом. Собственно говоря, данному процессу такие устройства и обязаны своим названием -- приборы с зарядовой связью. Цикл повторяется до тех пор, пока все зарядовые пакеты достигнут выходных цепей, которые преобразуют величину заряда, накопленного каждым пикселом, в соответствующее напряжение и усилят его.


Форматы ПЗС-матриц

Существуют три формата ПЗС-матриц, определяющих способ получения (сканирования) изображения: точечные, линейные и просматривающие изображение по площади.

Анатомия сенсоров изображений
Рис. 4
При точечном сканировании используется один фотодетектор, а полное изображение получается путем перемещения детектора в плоскости XY. Линейное сканирование предполагает, что массив фотодетекторов размещается в один ряд и сканирование выполняется в одном направлении (рис. 4, а). При таком способе изображение формируется построчно, и, прежде чем отсканировать очередную строку, текущие данные передаются на выходные цепи. Это медленные процессы, к тому же они требуют шаговых двигателей, которые усложняют систему, создают шум и служат дополнительным источником отказов.

Для захвата изображения по всей площади формируется двумерный массив детекторов, на который проецируется полное изображение (рис. 4, б), -- таким образом устраняется необходимость использования механических компонентов, а значит, сложность системы сводится к минимуму. Данный метод формирования изображения обеспечивает в фотокамерах максимальную скорость съемки и точность в расположении пикселов. Недостатками этой схемы являются пониженное значение отношения сигнал/шум и высокая стоимость, поскольку из одной пластины получается меньшее количество устройств.


Архитектура ПЗС-матриц

Анатомия сенсоров изображений
Рис. 5
Анатомия сенсоров изображений
Рис. 6
Анатомия сенсоров изображений
Рис. 7
Анатомия сенсоров изображений
Рис. 8
ПЗС-матрицы строятся по различной архитектуре. Наиболее распространенными сегодня являются матрицы с двумя разными механизмами сдвига кадра, которые называются перенос полного кадра (Full-Frame Transfer -- FFT) и перенос кадра (Frame-Transfer -- FT). В таких устройствах в качестве детекторов используются фотоконденсаторы. В третьем типе архитектуры -- матрицы с межстрочным переносом (Interline Transfer -- IT) детектор состоит из фотодиода и фотоконденсатора.

Из всех трех FFT-матрицы имеют простейшую архитектуру, технологию производства и способ функционирования. Они содержат параллельный сдвиговый регистр, последовательный сдвиговый регистр и выходной усилитель (рис. 5). Сцена оптически проецируется на параллельный массив детекторов, служащий плоскостью изображения. Затем строки, содержащие информацию о сцене, параллельно сдвигаются, попадая в последовательный сдвиговый регистр, который передает строку информации на выходные цепи. Процесс повторяется до тех пор, пока все строки изображения не передадутся на выход. Далее выполняется реконструкция образа. Поскольку параллельный регистр используется как для формирования изображения, так и для его переноса, то на время процесса сенсорная матрица защищается от попадания света. Ввиду простоты конструкции такие матрицы обладают наивысшим разрешением и плотностью.

Архитектура FT-матрицы (рис. 6) во многом схожа с предыдущей. Различие состоит лишь в том, что здесь добавляется идентичный, но отдельный и нечувствительный к свету параллельный сдвиговый регистр, который называется областью хранения (storage array). Идея заключается в том, чтобы очень быстро сдвинуть захваченную сцену из фоточувствительной области в область хранения. Перенос зарядовых пакетов из последней выполняется так же, как и для архитектуры FFT. Преимущество такого построения -- съемку можно выполнять практически непрерывно. Вследствие того что для реализации этой архитектуры требуется вдвое большая площадь матрицы, чем для сенсоров FFT, камеры на ее основе имеют меньшее разрешение и более высокую стоимость.

Ограничения FT-архитектуры преодолеваются матрицами с межстрочным переносом. Это достигается разделением функций захвата изображения и переноса информации посредством размещения рядов фотодетекторов между рядами нечувствительных свету или защищенных от него считывающих элементов (рис. 7). После захвата сцены заряд, накопленный каждым пикселом, немедленно передается в защищенный от света параллельный сдвиговый регистр ПЗС. Затем выполняется уже рассмотренный выше перенос заряда на выходные цепи. Во время этого, как и для FT-матриц, может осуществляться захват следующей сцены. Такая архитектура также обеспечивает высокую скорость съемки, причем степень размытости изображения намного ниже, чем для матриц FT-архитектуры. Основным недостатком межстрочных матриц является сложность их изготовления, приводящая к повышению стоимости. Кроме того, у таких матриц ниже чувствительность, поскольку меньше площадь светочувствительной зоны, что равносильно уменьшению апертуры. Это также ведет к увеличению количества ошибок при оцифровке (квантизации) изображения.


Архитектура КМОП-сенсоров

Остановимся вкратце на архитектуре КМОП-сенсоров (детальное изложение принципов их работы требует отдельной статьи). Сенсоры изображений, построенные на базе структур КМОП, выполняют больше функций на микросхеме, чем ПЗС-матрицы. Кроме генерации электронов проводимости под действием падающего света и их переноса, КМОП-сенсоры могут также производить обработку изображений, выделение контуров, способны понижать уровень шума и осуществлять преобразования аналог--код. Однако наиболее привлекательная их особенность -- возможность программирования различных функций. Это позволяет делать КМОП-устройства очень гибкими. Такая интеграция функций на одном чипе является основным преимуществом КМОП над ПЗС. Столь высокая степень интеграции не требует установки в цифровых фотокамерах дополнительных чипов, например процессора цифровой обработки сигналов и АЦП. Вдобавок, поскольку КМОП-устройства потребляют меньше энергии, чем ПЗС, они не так нагреваются и, следовательно, имеют более низкий уровень тепловых шумов.

Переворот в технологии КМОП-сенсоров произошел в начале 90-х, 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 г. APS добавляет к каждому пикселу транзисторный усилитель для считывания (рис. 8), что дает возможность преобразовывать заряд в напряжение прямо в пикселе. Это обеспечило также произвольный доступ к фотодетекторам наподобие реализованного в ОЗУ. С помощью механизма произвольного доступа можно выполнять считывание выбранных групп пикселов. Данная операция получила название кадрированного считывания (windowing readout). Кадрирование позволяет уменьшить размер захваченного изображения и потенциально увеличить скорость считывания по сравнению с ПЗС-сенсорами, поскольку в последних необходимо выгрузить всю информацию. Вдобавок 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. Возможно установление отдельных усилителей для каждого цвета, что улучшает, в частности, балансировку белого.

Однако все дополнительные цепи приводят к тому, что у КМОП-сенсоров традиционно возникают такие трудности, как высокий уровень шума, ток утечки и остаточный заряд. Этим недостаткам есть некоторая компенсация: с помощью дополнительных схем можно устранить темновой ток и уменьшить вносимые им помехи. Неудивительно, что при таких возможностях существует множество модификаций КМОП-сенсоров.

Нами не рассмотрена еще одна, органически связанная с сенсорами изображений, тема -- как создается цвет. К ней мы обратимся в дальнейших публикациях.
0 
 

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT