Размер матрицы cmos: Типы и размеры матриц камер видеонаблюдения

Содержание

Типы и размеры матриц камер видеонаблюдения

Светочувствительная матрица — важнейший элемент видеокамеры, который обеспечивает качество изображения на 90%. Представляет собой интегральную микросхему, состоящую из фотодиодов. Сенсор генерирует видеопоток, преобразуя проецируемое в него оптическое изображение в аналоговые электрические импульсы. В сетевых видеокамерах эти импульсы сразу преобразовываются в цифровой поток данных за счет наличия в системе АЦП, сразу обрабатывающего сигнал.

Сенсоры имеют ряд характеристик, важнейшие из которых — вид, разрешение и размер матрицы камеры видеонаблюдения. От этих параметров зависит быстродействие устройства, уровень его энергозатратности, а также конечное качество воспроизводимого камерой видео.

Типы матриц, которые используют в современных камерах видеонаблюдения

  • CCD (ПЗС). Характеризуются лучшей светочувствительностью, обеспечивают хорошую цветопередачу и низкий уровень шума на изображении. Это достигается за счет последовательного считывания зарядов в каждой ячейке сенсора. Однако принцип действия таких матриц слишком медленный и не удовлетворяет современное видеонаблюдение с большими разрешениями и высокой кадровой частотой. Кроме того, такие сенсоры энергозатратны, дороже в производстве и сложнее в эксплуатации. В современных цифровых камерах важно какая матрица используется. Поэтому, чтобы не тормозить процесс передачи видеопотока, технологию CCD практически не применяют;
  • Live-MOS. Разработка компании Panasonic. Применяется для трансляций «живого» изображения за счет технологии, которая позволяет упрощенно организовать передачу сигналов управления и преобразование света в электрические импульсы. Для технологии характерно меньшее напряжение электропитания, перегрев и уровень шумовых помех;
  • CMOS (КМОП). Главное достоинство — более низкое энергопотребление. Ячейки в сенсоре считываются в произвольном порядке, что позволяет избежать размытия изображения при съемке движущихся объектов. Камерой с типом матрицы CMOS гораздо проще управлять, поскольку большая часть электроники расположена на ячейке. Однако такая конструкция сенсора уменьшает светочувствительную площадь.

Для современного видеонаблюдения в соотношении быстродействия, энергопотребления и цены КМОП матрицы предпочтительнее. Поэтому крупнейшие производители камер сосредоточились на закупке или производстве собственных CMOS сенсоров. Например, компании Hikvision и Dahua разрабатывают собственные светочувствительные элементы, которые использует при производстве оборудования. В топовых видеокамерах Dahua DH-SD50430I-HC-S2 или HIKVISION DS-2CD2942F используются именно КМОП матрицы.

ПЗС или КМОП матрица?

Размеры матриц видеокамер наблюдения

Физические размеры матриц выражаются условной длиной, приведенной к диагонали видикона.

Видикон — родоначальник современной фото- и видеотехники. Его диаметр равнялся 1 условному дюйму при рабочей диагонали 16 мм. «Видиконовый дюйм» принят стандартом для определения типоразмера матрицы. Таким образом, если указано, что сенсор имеет размер 1/2”, это значит, что его диагональ равна 8 мм.

Современные видеокамеры чаще всего используют следующие типоразмеры: 1/2”; 1/3”; 1/4”; 1/6” и реже 1/10”.

На что влияет размер матрицы в камере?
От диагонали сенсора напрямую зависит качество изображения. Чем больше размер матрицы, тем крупнее у нее пиксели, следовательно, они улавливают большее количество света и расположены менее густо. Это позволяет уменьшить уровень помех, наводок и паразитных шумов. Кроме того, крупные сенсоры дают большие углы обзора для оптики с одинаковым фокусным расстоянием.

Какой размер матрицы лучше для видеокамеры

Это зависит от конкретных задач, стоящих перед видеонаблюдением. Важно помнить, что при выборе устройства характеристики нужно рассматривать комплексно. Например, хорошее разрешение при маленьком размере сенсора дадут плохое изображение. Кроме того, чем больше матрица, тем она дороже. Поэтому при выборе видеокамеры необходимо рассматривать вариант, в котором будут учитываться оптимальное соотношение трех показателей, удовлетворяющих потребности видеонаблюдения — это цена, разрешение и типоразмер.

Матрицы для камер видеонаблюдения. На что обращать внимание? / Хабр

Качество изображения видеокамеры во многом зависит от используемого в ней светочувствительного сенсора (матрицы). Ведь поставь хоть лучший процессор для оцифровки видео – если на матрице получено плохое изображение, хорошим оно уже не станет. Попытаюсь популярно объяснить, на что следует обращать внимание в характеристиках сенсора камеры видеонаблюдения, чтобы потом не было мучительно больно при взгляде на изображение…

Тип матрицы

В интернете вы наверняка найдете информацию о том, что в камерах видеонаблюдения применяются CCD (ПЗС, прибор с зарядовой связью) и CMOS (КМОП, комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) светочувствительные матрицы. Забудьте! Давно остался только CMOS, только хардкор.

CCD матрицы, при всех их достоинствах (лучшая светочувствительность и цветопередача, меньший уровень шумов) – уже практически не используются в видеонаблюдении. Потому что сам принцип их действия CCD матриц – последовательное считывание заряда по ячейкам – слишком медленный, чтобы удовлетворить запросы быстрых современных видеокамер высокого разрешения. Ну и самое главное CCD дороже в производстве, а в условиях современной высококонкурентной среды на счету каждая копейка прибыли. Вот почему все ключевые производители сосредоточились на выпуске именно CMOS матриц.

Осталось производителей, между прочим, не так и много. Крупнейшими, по состоянию на начало 2017 года, являются компании: ON Semiconductor Corporation (в свое время поглотившая известную профильную компанию Aptina), Omnivision Technologies Inc., Samsung Electronics и Sony Corporation. Кроме того, матрицы для собственных нужд производит, например, компания Canon, Hikvision.

Конкуренцию старым брендам пытаются создать молодые, полные энтузиазма и денег китайские чипмейкеры «второго эшелона», вроде компании SOI (Silicon Optronics, Inc.) и др. Трудно сказать, выживет ли молодая поросль, когда на рынке CMOS сенсоров наступит насыщение и станет слишком тесно. Но в любом случае в этом сегменте не исключено появление новых игроков и обострение борьбы, ведь наладить производство CMOS сенсоров не слишком и сложная по современным меркам задача.

Крупные мировые бренды типа Hikvision или Dahua обычно предпочитают работать с производителями матриц первого эшелона или собственными. Локальные же ведут себя по разному. Например, Tecsar даже в недорогих камерах использует матрицы с хорошей репутацией от ON Semiconductor, Omnivision и Sony. В в ассортименте других “народных” марок, например Berger, широко представлены сенсоры SOI и т.д.


Как делаются матрицы цифровых камер

Лидерские качества CMOS

CMOS технология предусматривает размещение электронных компонентов (конденсаторов, транзисторов) непосредственно в каждом пикселе светочувствительной матрицы.

Структура пикселя и CMOS матрицы

Это уменьшает полезную площадь светочувствительного элемента и снижает чувствительность, плюс активные элементы повышают уровень собственных шумов матрицы. Зато технология позволяет осуществлять преобразование заряда светочувствительного элемента в электрический сигнал прямо в матрице и гораздо быстрее сформировать цифровой сигнал изображения, что критично для видеокамер. Именно поэтому CMOS лучше подходят для камер видеонаблюдения, где требуется быстрая смена кадров.


Принцип работы CCD и CMOS матриц

Плюс возможность произвольного считывания ячеек CMOS матрицы дает возможность буквально «на лету» изменять качество и битрейт получаемого видео, что невозможно для CCD. А энергопотребление CMOS-решений ниже, что тоже немаловажно для компактных камер наблюдения.

Да будет цвет

Для получения цветного изображения матрица разлагает световой поток на составляющие цвета: красный, зеленый и синий. Для этого используются соответствующие светофильтры. Разные производители варьируют размещение и количество светочувствительных элементов разного цвета, но суть от этого не меняется.

Принцип формирования изображения на светочувствительной матрице:

Р – светочувствительный элемент
Т — электронные компоненты

Как устроен и работает КМОП сенсор камеры можно также посмотреть на этом видео от Canon:

CMOS матрицы всех производителей базируются на вышеописанных общих принципах, отличаясь лишь в деталях реализации на кремнии. Например, в погоне за дешевизной и сверхприбылью, чипмейкеры стараются выпускать матрицы как можно меньшего размера. Расплата за это неизбежна…

Почему большой – это хорошо

Типоразмер (или другими словами формат) матрицы обычно измеряют по диагонали в дюймах и указывают в виде дроби, например 1/4", 1/3", 2/3", 1/2 дюйма и др.

Первое правило выбора лучшей матрицы довольно простое: при одинаковом количестве пикселей (разрешении), чем больше физические размеры сенсора – тем лучше. У большей матрицы крупнее пиксели, а значит, она улавливает больше света. Пиксели большей матрицы расположены менее тесно, а значит меньше влияние взаимных помех и ниже уровень паразитных шумов, что напрямую влияет на качество получаемого изображения. Наконец, более крупная матрица позволяет получить большие углы обзора при использовании объектива с одним и тем же фокусным расстоянием!


Светочувствительная матрица производства ON Semicondactor для камер видеонаблюдения

Светочувствительная матрица, установленная на плате видеокамеры

Увы, большеформатные матрицы в массовых камерах видеонаблюдения сейчас практически не используются в силу дороговизны и самих матриц, и объективов для них, которые должны иметь более крупные линзы и, соответственно, габариты и стоимость. На сегодня в камеры устанавливают в основном матрицы типоразмера 1/2" – 1/4" (это самые крошечные). Выбирая камеру, нужно четко понимать, что покупая ультрадешевую модель с 1/4" матрицей производства SOI и крохотным объективом с пластиковыми линзами сомнительной прозрачности, вы не сможете создать систему видеоконтроля приемлемого качества, на которой можно было бы хорошо различать небольшие детали отснятых событий, особенно при съемке в условиях слабой освещенности.

Выбирая же камеру с матрицей Sony типоразмера 1/2.8" вы априори получите гораздо лучший результат по качеству видео, камеру с такой матрицей уже вполне можно использовать в профессиональной системе видеонаблюдения. И чувствительность у такой камеры будет заведомо выше, что позволит лучше снимать в условиях слабой освещенности: в плохую погоду, в сумерках, в полутемном помещении и т.п. С увеличением разрешения при том же размере матрицы светочувствительность падает, и это тоже нужно учитывать при выборе. Для камеры, установленной в темной подворотне у черного хода, имеет смысл выбрать матрицу с меньшим разрешением и более высокой чувствительностью, чем камеру ультравысокого разрешения с низкой чувствительностью матрицы на которой из-за шумов ничего нельзя будет толком различить.

Светочувствительность

Светочувствительность матрицы определяет возможность ее работы в условиях слабого окружающего освещения. С точки зрения физики это выглядит совсем банально: чем меньше световой энергии достаточно для получения изображения матрицей, тем выше ее светочувствительность. Но! Будем откровенны, гнаться за высокой чувствительностью уже особо не стоит. Дело в том, что современные камеры видеонаблюдения благополучно переходят в режимы «день/ночь», при снижении освещенности переводя матрицу в режим черно-белого изображения с более высокой чувствительностью. Плюс автоматическое включение инфракрасной подсветки дает камерам возможность отлично снимать даже в полной темноте. Например, в закрытом помещении без окон и с выключенным светом, когда об уровне какой-то внешней освещенности даже речи нет. Светочувствительность остается критичной для камер лишенных ИК подсветки, но использовать такие в современном видеонаблюдении – почти моветон. Хотя корпусные модели без подсветки все еще продаются, конечно.


Сравнение матриц разных производителей

Вообще правило таково: чем выше освещенность, тем лучше снимет матрица и, соответственно, камера. Поэтому не рекомендуется ставить камеры по полутемным закоулкам, даже если у них хорошая чувствительность. Имейте в виду, что в спецификации матриц камер обычно указывается минимальный уровень освещенности, когда можно зафиксировать хоть какое-то изображение. Но никто не обещает, что это изображение будет хотя бы приемлемого качества! Оно будет отвратительным в 100% случаев, на нем с трудом можно будет что-либо разобрать. Для достижения хотя бы удовлетворительного результата рекомендуется снимать как минимум при освещенности хотя бы в 10-20 раз большей, чем минимально допустимая для матрицы.

Производители придумали ряд технических решений, чтобы улучшить чувствительность CMOS матриц и снизить потери света в процессе фиксации изображения. Для этого в основном используется один принцип: вынести светочувствительный элемент как можно ближе к микролинзе матрицы, собирающей свет. Сначала компания Sony предложила свою технологию Exmor, сократившую путь прохождения света в матрице:

Затем прогрессивные производители дружно перешли на использование матриц с обратной засветкой, позволяющей не только сократить путь света сквозь матрицу, но и сделать полезную площадь светочувствительного слоя больше, разместив его над другими электронными элементами в ячейке:

Технология обратной засветке дает камере максимальную чувствительность. Отсюда вывод – «при прочих равных условиях» лучше приобрести камеру использующую матрицу с обратной засветкой, чем без таковой.

Для улучшения изображения в условиях слабого освещения для слабочувствительных дешевых матриц производители камер могут использовать различные ухищрения. Например, режим «медленного затвора», а говоря проще – режим большой выдержки. Однако «размазывание» контуров движущихся объектов уже на этапе фиксации изображения матрицей в таком режиме не позволяет говорить о мало-мальски качественной видеосъемке, поэтому такой подход совершенно неприемлем в охранном видеонаблюдении, где важны детали.

Определенным прорывом в качестве изображения стало появление технологии Starlight, впервые появившейся в камерах Bosch в 2012 году. Эта технология, благодаря комбинации огромной светочувствительности матрицы (порядка 0,0001 — 0,001 люкс) и очень эффективной технологии шумоподавления позволила получать очень качественное цветное изображение с видеокамер в условиях слабой освещенности и даже в ночное время.

Тогда как традиционный способ преодоления слабой освещенности – использование ИК подсветки – дает возможность получить четкое изображение лишь в монохромном режиме (оттенках серого), камеры с технологией Starlight позволяют получить цветную картинку, обладающую гораздо большей информативностью. В частности, при слабой освещенности система видеонаблюдения с технологией Starlight легко сможет различать цвета автомобилей, одежды и др. важные признаки.

Вот демонстрация технологии Starlight в действии:

Итоги

При выборе камеры видеонаблюдения обязательно обращайте внимание на характеристики матрицы, а не только ее разрешение. Ведь от этого в значительной степени будет зависеть качество изображения, а следовательно и полезность камеры. В первую очередь следует обращать внимание на надежный бренд, типоразмер и разрешение матрицы, светочувствительность принципиальна лишь для камер лишенных ИК-подсветки.

Очень рекомендую брать камеру с матрицей, по которой можно найти вменяемый даташит с подробной информацией, а не покупать кота в мешке. Например, вы легко найдете спецификации на матрицы производства ON Semiconductor, Omnivision или Sony. А вот мало-мальски подробных характеристик матриц SOI не сыскать днем с фонарем. Возникает подозрение, что производителю есть что скрывать…

А общий итог такой: CMOS матрицы безоговорочно победили в устройствах видеонаблюдения и в ближайшем будущем не собираются сдаваться какой-либо конкурирующей технологии.

Разбираемся в светочувствительных матрицах: CMOS и CCD

Светочувствительная матрица - это «глаз» вашей видеокамеры безопасности. Она захватывает свет, попавший в объектив видеокамеры безопасности, и преобразовывает его в электронный сигнал.

Формат, или размер, матрицы определяет охват ваших камер безопасности. Самыми популярными форматами являются следующие: 2/3", 1/2" и 1/3".

  • Матрица с диагональю 2/3" позволяет вести видеонаблюдение на больших расстояниях в условиях очень низкой освещенности.
  • Матрица с диагональю 1/2" - в большинстве случаев, представляет собой оптимальное решение с приемлемой светочувствительностью.
  • Матрица с диагональю 1/3" обеспечивает хорошую производительность при низкой освещенности и высокой частоте кадров.

Самыми популярными типами матриц по применяемой технологии являются CMOS (КМОП-матрица) и CCD (ПЗС-матрица).

1. Видеокамеры наблюдения с КМОП-матрицей: за и против

КМОП (CMOS) означает комплементарный металл-оксид-полупроводник (Complementary Metal Oxide Semiconductor). В видеокамерах безопасности с матрицей CMOS используется технология прогрессивного сканирования.

Преимущества и недостатки видеокамеры наблюдения с CMOS-матрицей
Преимущества видеокамеры наблюдения с CMOS-матрицей
  • Высокое разрешение
  • Отличная цветопередача
  • Высокая кадровая частота
  • Низкое энергопотребление
  • Экономическая эффективность
Недостатки видеокамеры наблюдения с CMOS-матрицей
  • Высокий уровень шума
  • Умеренная светочувствительность

2. Видеокамеры наблюдения с ПЗС-матрицей: за и против

Аббревиатура ПЗС (CCD) означает прибор с зарядовой связью (Charge Coupled Device). Видеокамеры наблюдения с ПЗС-матрицами имеют отличный WDR (широкий динамический диапазон), поэтому часто используются в условиях низкой освещенности. Камеры безопасности с матрицами CCD, как правило, менее подвержены влиянию вибраций по сравнению с камерами безопасности с матрицами CMOS.

Сильные и слабые стороны видеокамеры наблюдения с CCD-матрицей
Сильные стороны видеокамеры наблюдения с CCD-матрицей
  • Хорошая производительность в условиях низкой освещенности
  • Хорошая технология WDR
  • Меньшая восприимчивость к вибрационному эффекту
  • Низкий уровень шума
  • Высокая чувствительность
  • Высокое разрешение
Недостатки видеокамеры наблюдения с CCD-матрицей
  • Высокое энергопотребление
  • Низкая кадровая частота
  • Дороговизна

CMOS или CCD - что лучше?

Раунд 1: Кадровая частота и потребляемая мощность

Камера безопасности с CMOS-датчиком является однозначным победителем по частоте кадров. Камера безопасности с CMOS-датчиком может напрямую преобразовывать фотоэлектрический сигнал в цифровой сигнал. Частота кадров и скорость процесса преобразования сигнала CMOS-датчиком гораздо больше по сравнению с CCD-датчиком.

Аналого-цифровое преобразование происходит за пределами CCD-датчиков, поэтому формирование изображений и видео происходит дольше. Кроме того, видеокамеры безопасности с датчиками изображения CCD часто страдают от проблемы перегрева.

Камеры видеонаблюдения с CMOS-датчиками поддерживают гораздо более высокую кадровую частоту и потребляют меньше энергии, а также более экономичны по сравнению с камерами безопасности с CCD-датчиками. Обычно цена камеры видеонаблюдения с CMOS-матрицей более приятная, чем цена камеры безопасности с CCD-матрицей.

Поэтому победителем первого раунда становится видеокамера с CMOS-матрицей!

Раунд 2: Качество изображения

Как правило, камеры безопасности с CCD-матрицей создают изображения с более высоким разрешением. Тем не менее, развитие технологий может поставить качество изображений CMOS на один уровень с CCD. Например, видеокамеры безопасности с CMOS датчиками и оптическим зумом могут создавать даже более четкие изображения, чем видеокамеры с матрицами CCD.

Итак, второй раунд - ничья!

Раунд 3: Светочувствительность и шум

Традиционно, ПЗС-датчики менее подвержены искажениям изображения и имеют более высокую светочувствительность, поэтому создают гораздо меньше шума, чем камеры безопасности с датчиками CMOS. Однако, в настоящее время, в плане чувствительности, камеры видеонаблюдения с матрицами CMOS иногда даже превосходят CCD видеокамеры.

Трудно сказать, кто станет победителем в категориях светочувствительности и шума. Однако, исходя из текущего уровня развития технологии и производительности, видеокамеры с матрицей CCD становятся победителями в третьем раунде (возможно, это временная победа).

Основываясь на приведенной выше информации и подробном сравнении двух типов датчиков, можно обнаружить, что каждый тип датчика имеет свои плюсы и минусы.

В этой битве не может быть одного победителя. Все сводится к конкретному случаю:

1. Вы можете выбрать камеры безопасности с CCD-датчиками, если их использование будет происходить в условиях низкой освещенности.

Примечание: Некоторые камеры безопасности с CMOS-матрицами также могут обеспечить отличное наблюдение в темное время суток.

2. Видеокамеры наблюдения с CMOS-датчиками могут быть более компактными, поскольку размеры самих CMOS-датчиков могут быть очень маленькими. Поэтому можете выбрать их, если не хотите привлекать внимания к своей системе наблюдения.

3. Выбирайте видеокамеры безопасности с CMOS-матрицей, если ваше интернет-подключение недостаточно качественное. Видеокамеры наблюдения с CMOS-матрицей имеют меньше требований к ширине полосы пропускания, поэтому не будут перегружать вашу сеть.

Источник reolink.com. Перевод статьи выполнила администратор сайта Елена Пономаренко.

Матрица (светочувствительная матрица) в камерах видеонаблюдения

Матрица или светочувствительная матрица, видеоматрица (image sensor, imager) является основным элементов видеокамер, цифровых фотоаппаратов и предназначена для преобразования, проецированного на неё оптического изображения в аналоговый электрический сигнал или в поток цифровых данных (при наличии аналого-цифрового преобразователя непосредственно в составе матрицы). Если обойтись без википедии, то матрица преобразовывает свет в электрический сигнал.


Необходимо отметить, что сама матрица даже важнее процессора, который используется для оцифровки видео - пусть в ЦП и будет множество функций, но если на матрице получено плохое изображение, то процессор работает уже с плохим изображением.
Также отметим, что у одного производителя может быть две камеры с одинаковыми характеристиками (разрешение записи, угол обзора и т.п.), но разными матрицами, например одна камера с матрицей от Sony и вторая камера с матрицей от SOI (или Noname) - и цена таких камер может отличаться на 30-35%.


Производители матриц


Давайте и начнем с производителей. Наиболее известными и популярными производителями матриц для камер видеонаблюдения являются: ON Semiconductor Corporation, Omnivision Technologies Inc., Samsung Electronics и Sony Corporation. Производители используют матрицы этих брендов для создания основной линейки видеокамер и камер премиум класса. Также, отметим бренды Canon, Hikvision и Dahua - они также производят матрицы под собственные нужды.

Но, разумеется, что существует множество других производителей, которые предлагают бюджетные решения, например, одна из наиболее популярных компаний - это SOI (Silicon Optronics, Inc.), которая достаточно молодая, но уже пытается найти свою нишу среди именитых брендов. Как раз на базе матриц SOI множество производителей и делают бюджетные линейки видеокамер. То есть, если Вы видите, что даже у одного производителя есть камеры с абсолютно одинаковыми характеристиками, но с разной ценой - то, обратите внимание на матрицу и производителя этой матрицы, скорее всего разница только в этом. В целом, понятна и разница между брендами и любым ноунеймом. Да, все характеристики могут быть одинаковыми, разрешение передачи видео изображения, но разные матрицы и разные производители - на выходе вы увидите разные картинки, разную насыщенность и даже разные цвета (оттенки).


CCD и CMOS матрицы


В старых статьях и обзорах в Сети вы можете увидеть много букв про преимущества и недостатки CCD или CMOS матриц и какую лучше выбрать. Но, победили CMOS матрицы, в основном из-за того, что они дешевле в производстве. Поэтому, при выборе камеры для видеонаблюдения нет больше выбора между CCD и CMOS матрицы - only CMOS. Поэтому, перейдем к остальным характеристикам матриц.

Формат (типоразмер) матрицы


В характеристиках видеокамеры вы обязательно увидите размер матрицы - 1/4 дюйма, 1/3", 1/2.8 д и т.п. Формат матрицы - это размер матрицы по диагонали. Обозначение типоразмера досталось в наследство от электронно-лучевых трубок, и указывают формат матрицы в виде дроби с размерностью в дюймах.


В формате матрицы очень простое правило - чем больше размер матрицы, тем лучше. Так как, при других равных условиях (разрешении, то есть одинаковом количестве пикселей) у большей матрицы крупнее пиксели, таким образом, она улавливает больше света. Кроме того, сами пиксели на матрице большего размера расположены менее тесно, что обеспечивает меньшее влияние взаимных помех и ниже уровень паразитных шумов, а это все влияет качество получаемого видеосигнала и получаемого изображения в итоге.

Также, физический размер матрицы влияет на угол обзора камера видеонаблюдения. При прочих равных условиях, чем больше матрица, тем больше углы обзора у видеокамеры.
От размера матрицы зависит и то, какие объективы можно устанавливать на камеру (если возможна смена объектива в камере видеонаблюдения).  Производители объективов всегда указывают размер матрицы, под которую подходит объектив, например 1/4 или 1/3. При этом, объектив для матрицы большего размера подойдет для камер с матрицей меньшего размера, но никак не наоборот.

И, что очевидно, матрица большего размера дороже в производстве. Поэтому, в бюджетных моделях камер видеонаблюдения вы редко увидите матрицы больше 1/4", а в уже более дорогих камерах используются типоразмеры матрицы 1/3",  1/2.8" и т.п. В специальных профессиональных камерах высокого качества могут использоваться матрицы размером 1/2" и 1/1.9".


Светочувствительность матрицы

Характеристика, которую вы также увидите в описание практически у каждого производителя, некоторые производители могут указывать просто как чувствительность матрицы. Светочувствительность матрицы определяет возможность работы матрицы в условиях окружающего освещения. Таким образом, чем меньше количество световой энергии необходимо для получения нормального изображения, тем выше и светочувствительность матрицы. Для всех матриц справедливо следующее - чем лучше освещенность, тем лучше изображение. Светочувствительность матрицы производители указывают в Люксах - ЛК, Lux, люкс. Но, обратите внимание, что производители указывают минимальный уровень освещенности, при котором видеокамера еще может зафиксировать какое-то изображение, но никто не обещает, что это будет изображение хорошего качества. Сегодня практически все камеры поддерживают режимы "день / ночь" и оснащены ИК-подсветкой и в темное время суток (при снижении освещенности) камера переключается автоматически в черно-белый режим съемки. Обычная ИК-подсветка позволяет снимать даже в полной темноте на расстоянии 20 – 25 м, кроме того, существуют модели с усиленной ИК-подсветкой, где можно снимать на расстоянии 60 – 100 м в полной темноте.



Таким образом, светочувствительность критична для камер, без ИК-подсветки, которых сейчас практически нет (только специальные миниатюрные цилиндрические или корпусные камеры могут быть без ИК-подсветки). Как правило, все производители указывают светочувствительность 0,01 Lux, что соответствует по значениям освещенности как "Безлунная ночь" 0,01 Lux (для сравнения - "Лунная ночь" - 0,05 Lux, "Сумерки и хорошо освещенная автомагистраль ночью" - 10 Lux, "Дневное, естественное освещение на улице в солнечную погоду" - 5000 - 100000 Lux).


Еще стоит немного упомянуть о технологиях, которые используются для улучшения светочувствительности матрицы в видеокамере и снизить потери света в процессе фиксации изображения. Как правило, для этого необходимо вывести светочувствительный элемент как можно ближе к микролинзе матрицы, которая собирает свет. Это технологии Exmor и Starlight. Такие камеры могут передавать даже в цвете с помещения освещенностью 0,01 Lux, и давать неплохое изображение в условиях освещенности 0,0001 - 0,001 Lux. Но стоит, отметить, что и цена таких камер немалая – это уже более профессиональная линейка. Есть смысл использовать такие технологии в роботизированных камерах, которые снимают, например, на больших территориях или для системы "Умный город". Для обычных объектов проще / и дешевле 🙂 / заняться вопросом освещения.

Надеемся, что после прочтения этой статьи вы больше узнаете о характеристиках матрицы и на что они влияют. Теперь вы понимаете насколько много зависит от производителя и качестве матрицы в видеокамере. Поэтому, в одном и том же производители в одинаковых характеристиках и корпусах могут быть камеры с разными матрицами и по разной цене (разница может составлять даже 30-35%).

Матрицы камер видеонаблюдения

В видеокамерах исторически использовалось два основных вида матриц – CCD (Charge-Coupled Device  - Прибор с Зарядовой Связью) и CMOS (Complementary-symmetry/Metal-Oxide Semiconductor  - комплементарная структура металл-оксид-полупроводник).

На сегодняшний день в камерах, в основном, используются матрицы CMOS.

Зачастую производители камер не раскрывают информацию об используемых матрицах. Иногда производитель матрицы для данной камеры известен, но, с учетом того, что данный производитель выпускает десятки различных матриц – остается неизвестным, какой тип матрицы установлен в данной камере. И даже если известно, что в двух данных камерах используются одинаковые матрицы, то все равно могут существовать различия в качественных характеристиках этих камер из-за разницы в настройке, кодировании и т.д. 

Разрешение матрицы

Матрицы различаются по поддерживаемому ими максимальному разрешению.

Есть матрицы с максимальным разрешением VGA, 1,3М, 2М, 3М, 5М и т.д.

 

Размеры матрицы

Матрицы  бывают различных размеров, в зависимости от устройства, в которое они устанавливаются. Например, в цифровом зеркальном фотоаппарате матрица существенно крупнее, чем в сотовом телефоне.

В камерах видеонаблюдения 95% матриц имеет размеры между 1/2” и 1/4”. Наиболее распространенные размеры матриц–  1/3”, 1/2,7" и 1/2.8 ". За последние несколько лет средний размер матрицы постепенно увеличивался. По мере увеличения разрешений камер 3MP, 4MP, 5MP, 4K и т. д. все более распространенными становились размеры матрицы 1/3 ".

Наиболее важным последним изменением в технологии создания и внедрения матриц видеокамер является использование  матрицы 1/2 "для камер 1080p. Многие производители теперь имеют в линейке выпускаемых камер, по крайней мере, одну профессиональную модель с матрицей  около 1/2 " (1/1,8", 1/1,9 "и т.д.), предназначенную для работы при очень низкой освещенности.

Размеры пикселя матрицы

Также, матрицы различаются  по размеру их пикселей, выраженному в микронах.

Размер пикселя зависит от размера матрицы и  количества пикселей в матрице, т.е. от разрешения. Чем больше размер матрицы, тем, при прочих равных условиях, больше размер пикселя. Однако, если добавить в матрицу больше пикселей при том же размере этой матрицы, то размер пикселя уменьшится, как показано в таблице. 

 

Размер матрицы

1/4 "1/3 "
1/3 "
1/4 "
1/3 "
1/3 "
1/2,5 "
РазрешениеVGA1,2MP1,2MP
1,1MP
3,5MP3,1MP5MP

Размер пикселя

5,6 мкм3,75 мкм3,75 мкм
3,0 мкм2,2 мкм2,2 мкм
2,2 мкм

Многие предпочитают более крупные размеры пикселей, потому что, при прочих равных условиях, пиксель большего размера может аккумулировать больший световой поток и, следовательно, лучше воспроизводить слабо освещенные сцены. Однако есть и другие факторы, влияющие на низкую светоотдачу, поэтому нельзя утверждать, что одна камера лучше другой только на основе размера пикселя.

Кроме того, размер пикселей почти никогда не раскрывается производителями камер, поэтому лучше всего оценивать качество камеры по ее разрешению и размеру используемой матрицы.

 

Размер пикселя матрицы 4K

4K камеры становятся все более распространенными. Хотя они имеют в 4 раза больше пикселей, чем  2МР камеры, а размеры матрицы в таких камерах существенно больше, чем 1080Р – все равно, размер  пикселей в камерах 4К получается меньше, чем в камерах 1080p. Это плохо для обработки сцен с низкой освещенностью. Второй проблемой 4К камер, как будет объяснено ниже,  являются ограничения в скорости обработки изображения.

 

Размер матрицы и величина угла обзора камеры.

Размер матрицы не сильно влияет на угол обзора камеры.Первичное влияние оказывает размер линзы (3 мм, 10 мм, 30 мм и т. д.) Тем не менее, чем больше размер матрицы, при прочих равных условиях, тем больше угол обзора. С другой стороны, размеры матриц, используемых в камерах видеонаблюдения, отличаются не существенно.  Соответственно, для матрицы 1/2 " величина угла обзора камеры составит 86°, а для матрицы 1/3" - величина угла обзора  составит 77°.

Матрица и кодеки

Матрицы не имеют ничего общего с сжатием видео (то есть H.264, MJPEG, и т.д.). Матрица, отправляет видео без сжатия в кодек для последующего кодирования.

 

Матрица и производительность при низкой освещенности.

Не совсем правильно утверждение, что матрица большего размера обеспечит лучшую передачу сцен с низкой освещенностью. Отчасти это так, но есть и другие, более сильно влияющие факторы, например, скорость обработки изображения с низкой освещенностью, которая выполняется кодеком и процессором камеры. Лучшее управление усилением камеры, устранение шумов изображения и другие процессы по обработке изображения в большей степени достигаются  увеличением производительности процессора, чем увеличением размера матрицы.  

К вопросу о выборе объектива

Планируя развернуть систему видеонаблюдения, вы неизбежно задаетесь вопросами: куда и сколько установить камер? Как определить наилучшие места их расположения, чтобы избежать «слепых зон»? На каком расстоянии от объектов наблюдения установить камеры, чтобы в итоге получилось достаточно четкое изображение нужных деталей?

На вид и качество изображения большое влияние оказывают не только параметры видеокамеры и объектива, но и их правильное сочетание. Так, иногда отличный, дорогой объектив может давать даже худшее изображение, чем альтернативная дешевая модель.

Расскажем об основных факторах, влияющих на качество и масштаб видеоизображения, которые следует учитывать при выборе объектива для камеры, чтобы по максимуму использовать их возможности и при этом избежать ненужных затрат.

Угол обзора объектива
Одной из важных характеристик систем видеонаблюдения является угол обзора объектива. От него напрямую зависит количество и возможные места установки камер на объекте. Угол обзора объектива определяет величину видимого объекта и масштаб изображения в кадре.

Рис. 1 Оптическая схема получения изображения на матрице

Из этой схемы видно, что на величину угла обзора напрямую влияет не только фокусное расстояние объектива, но и размеры матрицы:

И если с фокусное расстояние определить довольно легко, зная модель объектива, то с размером матриц не все так просто.

Размер матрицы видеокамеры
В зависимости от соотношения сторон (4:3 или 16:9), у матриц с одной и той же диагональю физические размеры различны (Таблица 1). Поэтому, например, камера на матрице 1/3’’ с соотношением сторон 4:3 дает больший угол обзора по вертикали и меньший по горизонтали, чем камера на матрице с такой же диагональю, но соотношением 16:9.

Формат матрицы Диагональ матрицы (мм) Соотношение сторон
4:3 16:9
Ширина (мм) Высота (мм) Ширина (мм) Высота (мм)
1/4 4.23 3.39 2.54 3.69 2.08
1/3 5.64 4.52 3.39 4.92 2.77
1/2.8 6.05 4.84 3.63 5.27 2.96
1/2.7 6.27 5.02 3.76 5.47 3.07
1/2.5 6.77 5.42 4.06 5.90 3.32
1/2 8.47 6.77 5.08 7.38 4.15
Таблица 1 Зависимость физических размеров матрицы от соотношения сторон

В целях облегчения подбора совместимой оптики и расчета углов обзора обычно заявляют ближайшее из стандартных значений для диагонали матрицы: 1’’, 1/2’’, 1/2.5’’, 1/2.7’’, 1/2.8’’, 1/3’’, 1/4’’. При этом измерять ее принято в видиконовых дюймах. Эта единица измерения, равная 2/3 обычного дюйма, была введена со времен зарождения телевидения, когда приёмным элементом в телекамере служила электронная трубка («видикон»), а размер обозначал её диаметр (в который должен был вписываться с запасом снимаемый кадр).

Помимо этого необходимо помнить, что на некоторых режимах работы камеры часть пикселей матрицы не используется. Поэтому при определении угла обзора следует говорить не столько о размере матрицы, сколько о размере активной области матрицы.

Для наглядности приведем несколько примеров:

N1000 (Рис. 2): для всех возможных режимов работы активная область матрицы остается неизменной.

Рис. 2 N1000. 0.3 Мп, VGA, 1/4’’

Размер матрицы: 3.7 х 2.77мм, диагональ 4,62 мм=1/3.67 видиконовых дюйма (ближайшее значение 1/4’’).

N37210 (Рис. 3): в зависимости от режима работы активная область матрицы изменяется почти на 30% по вертикали и 25% по горизонтали.

Рис. 3 N37210. 2 Мп, FullHD, 1/2.7’’

Размер матрицы: 5.71 х 3.14 мм, диагональ 6.52 мм=1/2.6 видиконовых дюйма (ближайшее значение 1/2.7’’). При разрешении 1024х768 размер активной области матрицы уменьшается до 4.58 х 2.32 мм.

BD2570 (Рис. 4): в зависимости от режима работы активная область матрицы изменяется почти на 50% по вертикали и 25% по горизонтали.

Рис. 4 BD2570. 5 Мп, 1/2.5’’

Размер матрицы: 5.61 х 4.31 мм, диагональ 7.08 мм=1/2.39 видиконовых дюйма (ближайшее значение 1/2.5’’). При разрешении 1280х720 размер активной области матрицы уменьшается до 4.22 х 2.21 мм.

Из этих примеров видно, что величина матрицы может отличаться от указанной в паспорте, а размер ее активной области - меняться в зависимости от режима работы.

Однако, при вычислении угла обзора следует учитывать не только эту особенность, но и тот факт, что аберрации реального объектива приводят к усложнению расчетов.

В большинстве объективов, используемых в CCTV, повышение качества изображения осуществляется путем усложнением оптической системы с целью уменьшения аберраций, влияющих на разрешающую способность. Это часто приводит к увеличению геометрических аберраций, таких как дисторсия (рис. 5), воспринимаемых как побочный эффект.

Рис. 5 Идеальное изображение без дисторсии (а), изображение с дисторсией типа «подушка» (б), изображение с дисторсией типа «бочка» (в)

Например, положительная дисторсия сокращает угол обзора непропорционально быстро при уменьшении активной области матрицы (синяя рамка на рис. 6).

Рис. 6 Кадры, сделанные объективом с дисторсией (а) и объективом без дисторсии (б)

Этот эффект наблюдается как при смене режимов работы одной и той же камеры, так и при установке объектива на матрицы разных форматов. Например, видимый угол обзора у 8-мм дисторзирующего объектива на матрице 1/2 может быть как у 6-мм, а на матрице 1/3 - как у 7-мм.

Непропорциональное уменьшение угла обзора реального объектива с положительной дисторсией объясняется смещением фокальной плоскости в центре кадра, в отличие от идеального объектива (рис. 7), для которого верны соотношения

Рис. 7 Оптическая схема идеального объектива (а) и реального объектива с положительной дисторсией (б)

Таким образом, спрогнозировать, какими будут качество и масштаб видеоизображения для пары «камера-объектив» можно достаточно точно только если учитывать все влияющие на это параметры видеосистемы. Универсальный калькулятор BEWARD позволяет не просто вычислить области видимости и углы обзора, но и подобрать подходящие объективы для камер BEWARD.

Чем матрица CCD отличается от матрицы CMOS? / Контроль-СБ

К этому времени стало очевидным, что CCD обеспечивает лучшие показатели при съемке динамичных и мелких объектов, поэтому ее предлагалось использовать для построения систем, требующих высокого качества изображения: цифровых фото- и видеокамер, медицинского оборудования и т. д. CMOS же отводилась ниша устройств, для которых критична конечная стоимость — недорогие фотоаппараты, бытовая, офисная техника и игрушки.

 

Опыт производства, накопленный за годы развития CMOS, позволил с каждым новым поколением этих сенсоров существенно снижать фиксированные и случайные шумы, влияющие на качество картинки. Еще одно слабое место CMOS — искажения, появляющиеся при захвате динамического изображения вследствие слабой чувствительности сенсора. В современных устройствах их удается избежать, а захват изображения без особых артефактов возможен со скоростью 15—30 кадров/с, и уже 0,3-мегапиксельные CMOS-сенсоры фактически были избавлены от этой проблемы.

 

Однако победа в конкуренции технологий, скорее всего, лежит в плоскости уменьшения площади пиксела. Для успеха на рынке 1-мегапиксельных при диагонали 1/4 дюйма площадь пиксела должна составлять не более 3 мкм2. При всех усилиях производителей CMOS удовлетворить таким требованиям они пока не могут, поэтому, как считают эксперты, по крайней мере в ближайшее время в данной нише будет господствовать CCD.

 

Многие крупные производители компонентов выпускают и CMOS-сенсоры, и CCD-матрицы. Например, Sharp, крупнейший в мире поставщик модулей захвата изображения (и CCD, и CMOS), считает 2003 год эпохой настоящего расцвета технологии CCD.

 

К преимуществам CCD матриц относятся:

1. Низкий уровень шумов.

2. Высокий коэффициент заполнения пикселов (около 100%).

3. Высокая эффективность (отношение числа зарегистрированных фотонов к их общему числу, попавшему на светочувствительную область матрицы, для CCD — 95%).

4. Высокий динамический диапазон (чувствительность).

 

К недостаткам CCD матриц относятся:

1. Сложный принцип считывания сигнала, а следовательно и технология.

2. Высокий уровень энергопотребления (до 2-5Вт).

3. Дороже в производстве.

 

Преимущества CMOS матриц:

1. Высокое быстродействие(до 500 кадров/с).

2. Низкое энергопотребление(почти в 100 раз по сравнению с CCD).

3. Дешевле и проще в производстве.

4. Перспективность технологии( на том же кристалле в принципе ничего не стоит реализовать все необходимые дополнительные схемы: аналого-цифровые преобразователи, процессор, память, получив, таким образом, законченную цифровую камеру на одном кристалле. Созданием такого устройства, кстати, с 2002 года занимаются совместно Samsung Electronics и Mitsubishi Electric).
К недостаткам CMOS матриц относятся

1. Низкий коэффициент заполнения пикселов, что снижает чувствительность(эффективная поверхность пиксела ~75%,остальное занимают транзисторы).

2. Высокий уровень шума (он обусловлен так называемыми темповыми токами — даже в отсутствие освещения через фотодиод течет довольно значительный ток)борьба с которым усложняет и удорожает технологию.

3. Невысокий динамический диапазон.

Общие сведения о камерах с матрицей SONY

Корпорация Sony была первой, кто применил в CCTV камере видеонаблюдения (видеокамере) принцип оцифровки сигнала ПЗС (CCD) матрицы с последующей его цифровой обработкой при помощи процессора — DSP (Digital Signal Processor — Процессор цифровой обработки сигнала). Произошло это 1997 г. с выпуском первого DSP серии SS. Благодаря высокому качеству и надежности которого, камеры на его основе завоевали популярность во всем мире, а новый принцип обработки цветного изображения за многие годы превратился в стандарт построения камер видеонаблюдения. Сердцем таких камер видеонаблюдения является ПЗС (англ. CCD) матрица формата 760H с количеством эффективных пикселей 752х582 по горизонтали и вертикали соответственно. Указанный формат матрицы уже давно используются в камерах высокого разрешения, включая камеры разрешений 480 ТВЛ, 500 ТВЛ, 520 ТВЛ и 540 ТВЛ. Каким же образом на классической матрице получено более высокое, 600 ТВЛ горизонтальное разрешение? Ответ простой — как и все предшествующие увеличения разрешения начиная с 480 ТВЛ и заканчивая 540ТВЛ осуществлялись за счет использования более эффективного процессора обработки сигналов видеоизображения — ISP (Image Signal Processor). В камерах с разрешением 600 ТВЛ, используется видеопроцессор IV поколения, отличающийся увеличенной разрядностью оцифровки видеосигнала снимаемого с цветной ПЗС матрицы, расширенной частотной характеристикой трактов видеообработки и возможностью формирования выходных сигналов CSVB или S-Video при помощи встроенных в процессор цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП). Как и все предыдущие процессора новый ISP выполняет обработку изображения в цифровом коде и реализует ряд уже традиционных для камер видеонаблюдения функций, а именно:

  • DN (Day-Night) — «день-ночь» — формирование черно-белого изображения при низкой освещенности с возможностью настройки порогов и задержек перехода между черно-белым и цветным режимами
  • AE (Automatic Exposition) — электронный затвор позволяет поддерживать постоянную яркость изображения независимо от освещенности наблюдаемой сцены
  • AGC (Automatic Gain Control) — автоматическая регулировка усиление в ночном режима обеспечивает формирования светлой и распознаваемой картинки при низкой освещенности и работе ночью
  • BLC (Back Light Compensation) — компенсация задней засветки с возможностью настройки до 4 зон, с заданием уровня яркости в каждой из них относительно общего уровня яркости изображения (для камер с OSD), что позволяет, например, компенсировать избыточную яркость окон на общем фоне помещения настройка контраста и четкости изображения

Широкий набор параметров видеообработки позволяет настроить камеру и получить идеальное изображение при любых условиях ее эксплуатации: в темных и светлых помещениях, на улице и внутри помещений, при работе на встречную засветку и в сценах с широким диапазоном яркостей, а также в полной темное при использовании инфракрасной (ИК) подсветки.

На сегодняшний день корпорация SONY производит следующий номенклатурный ряд ПЗС матриц для цветных аналоговых телекамер охранного назначения, предназначенных для работы в стандарте PAL.

Цветные ПЗС матрицы SONY:

 

 Наименование
изделия
 Диагональный размер
изображения
дюйм — мм
 Кол-во эффективных
пикселей
(Ш x В)
 Чувствительность (мВ)  Корпус  Кол-во выводов Технология
изготовления
 ICX419AKL     1/2″ — 8 мм     752 x 582                1300  Керамический DIP          20            —
 ICX429AKL     1/2″ — 8 мм     752 x 582                1600  Керамический DIP          20  EXview
 ICX419AKB     1/2″ — 8 мм     752 x 582                1300  Малый керамический цилиндр          16             —
 ICX259AK     1/3″ — 6 мм     752 x 582                1100  Пластиковый DIP          16  EXview
 ICX-NEW-09     1/3″ — 6 мм     752 x 582                2250  Пластиковый DIP          16  Super HAD
 ICX409AK     1/3″ — 6 мм     752 x 582                  950  Пластиковый DIP          16  Super HAD
 ICX255AK     1/3″ — 6 мм     500 x 582                2000  Пластиковый DIP          16  EXview
 ICX405AK     1/3″ — 6 мм     500 x 582                1700  Пластиковый DIP          16  Super HAD
 ICX279AK     1/4″ — 4,5мм     752 x 582                  800  Пластиковый DIP          14  EXview
 ICX229AK     1/4″ — 4,5мм     752 x 582                  440  Пластиковый DIP          14             —
 ICX207AK     1/4″ — 4,5мм     500 x 582                  800  Пластиковый DIP          14  Super HAD
 ICX227AK     1/4″ — 4,5мм     500 x 582                  880  Пластиковый DIP          14             —
 ICX207AKB     1/4″ — 4,5мм     500 x 582                  880  Малый керамический цилиндр          13  Super HAD
 ICX239AKE     1/6″ — 3мм     752 x 582                 300  Керамический SON (LCC)          12             —

Масштабируемые CMOS-датчики изображения

После периода рекордного роста рынок датчиков изображения CMOS начинает сталкиваться с некоторыми новыми и непредвиденными проблемами.

Датчики изображения

CMOS обеспечивают функции камеры в смартфонах и других продуктах, но теперь они сталкиваются с проблемами масштабирования и связанными с этим производственными проблемами на фабрике. И, как и все продукты на основе микросхем, датчики изображений демонстрируют более медленный рост в условиях вспышки коронавируса.

Эти датчики, изготовленные на зрелых узлах на фабриках диаметром 200 и 300 мм, используются в телефонах, автомобилях, потребительских товарах, промышленных / медицинских системах и камерах видеонаблюдения.Смартфоны, например, включают в себя две или более камеры, каждая из которых оснащена датчиком изображения CMOS, который преобразует свет в сигналы для создания изображений.


Рис.1: CMOS датчик изображения Источник: Wikipedia / Filya1

Смартфоны

содержат больше датчиков изображения CMOS, чем когда-либо прежде, что позволяет использовать в системах многофункциональные камеры с высоким разрешением. Например, новый смартфон Samsung 5G состоит из пяти камер, в том числе широкоугольной камеры на задней панели, основанной на датчике изображения с разрешением 108 мегапикселей (МП).Это соответствует более 100 миллионам пикселей при небольшом размере кристалла. По данным TechInsights, фронтальная камера для селфи оснащена 48-мегапиксельным датчиком изображения с наименьшим в мире шагом пикселя - 0,7 мкм.

Датчик изображения включает в себя множество крошечных светочувствительных пикселей. Шаг пикселя - это расстояние от центра одного пикселя до другого, которое измеряется в мкм. Не все телефоны оснащены ультрасовременными датчиками изображения, и потребители не нуждаются в них для съемки приемлемых фотографий.Но очевидно, что потребители требуют больше функций обработки изображений.

«По мере того, как скорость передачи данных с более высокой пропускной способностью увеличивалась с 3G до 4G, а теперь и до 5G, спрос на камеры более высокого качества вырос, - сказал Дэвид Хидео Уриу, технический директор по корпоративному маркетингу UMC. «Эта тенденция в сочетании с потребностью в большем количестве пикселей и лучшем разрешении вызвала бум CMOS-сенсоров изображения. Помимо этих тенденций, вырисовываются области применения биометрической идентификации, трехмерного зондирования и улучшенного человеческого зрения в ИК / БИК-спектрах телефонов.”

Тем не менее, производители датчиков изображения сталкиваются с некоторыми проблемами. В течение многих лет они боролись за уменьшение шага пикселей. Таким образом они могут упаковать больше пикселей в датчик изображения, что повысит разрешение устройства. Однако в последнее время масштабирование пикселей становится более трудным, поскольку шаг приближается к длине волны света. «Команда разработчиков Pixel теперь должна найти новые способы избежать снижения чувствительности и увеличения перекрестных помех в датчике», - сказала Линдси Грант, вице-президент по технологическому проектированию OmniVision.

С другой стороны, существует также тенденция поддерживать большие размеры пикселей в телефонах и вводить лучшие улучшения по сравнению с меньшими пикселями для улучшения качества изображения. Эти тенденции поддерживают спрос клиентов на более крупные и лучшие камеры, что приводит к появлению большего количества датчиков с более крупными матрицами.

Тем не менее, производители датчиков изображения нашли способы решить некоторые проблемы. Среди них:

  • Новые процессы . Пленки High-k и другие потрясающие технологии дали толчок к масштабированию пикселей.
  • Укладка штампов и межсоединения . Помещение разных функций на две матрицы и их штабелирование - не новость. Но новые схемы межсоединений, такие как соединения пиксель-пиксель, находятся в стадии исследований и разработок.

Динамика рынка датчиков изображения
Существует два основных типа датчиков изображения - КМОП-датчики изображения и устройства с зарядовой связью (ПЗС). ПЗС-матрицы, являющиеся устройствами, управляемыми током, используются в цифровых камерах и различных высококачественных продуктах.

Датчики изображения CMOS

разные.«Дополнительный металлооксидный полупроводниковый (CMOS) датчик изображения имеет фотодиод и транзисторный переключатель CMOS для каждого пикселя, что позволяет индивидуально усиливать сигналы пикселей», - говорится на сайте TEL.

Предназначенные для различных приложений, датчики изображения CMOS бывают разных форматов, частоты кадров, размеров пикселей и разрешений. Датчики изображения имеют глобальные или рольставни. Например, новый 64-мегапиксельный датчик изображения OmniVision имеет размер пикселя 0,8 мкм в формате 1 / 1,7 дюйма. Благодаря возможности захвата неподвижных изображений и видео 4K, датчик оснащен автофокусом с фазовым детектором с микролинзой типа 2 и 2 × 2 для повышения точности автофокусировки.Форматы вывода включают 64MP при 15 кадрах в секунду (fps).

Поставщики разделены на два лагеря - fabless и IDM. У IDM есть собственные фабрики, а у компаний без фабрики - литейные. В любом случае поставщик производит матрицы датчика изображения на пластине, которые разрезаются и собираются в пакет.

По данным Yole Développement, около 65% датчиков изображения производятся фабриками по 300 мм. «200 мм по-прежнему имеют решающее значение для широкого спектра продуктов безопасности, медицинских и автомобильных CMOS-датчиков изображения», - сказал Дэвид Хейнс, управляющий директор по стратегическому маркетингу Lam Research.

Сегодня Sony является крупнейшим поставщиком датчиков изображения CMOS, за которым следуют Samsung и OmniVision. По данным IC Insights, в число других поставщиков входят Sharp, ON Semi, STMicroelectronics, GalaxyCore, SK Hynix, Panasonic и Canon.

По данным IC Insights, в 2019 году продажи датчиков изображения достигли 18,4 миллиарда долларов, что на 30% больше, чем в 2018 году. «В 2020 году мы прогнозируем падение продаж CMOS-датчиков изображения на 3% до 17,8 млрд долларов, что прервёт серию рекордных продаж из-за падения спроса на датчики в мобильных телефонах и других системах из-за кризиса здоровья, вызванного вирусом Covid-19», - сказал он. Роб Лайнбек, аналитик IC Insights.

Согласно другому, более оптимистичному прогнозу, рынок КМОП-датчиков изображения в 2019 году вырос на 25%, согласно Йоле. По данным компании, в 2020 году рынок замедлится и вырастет на 7%. Большой драйвер - смартфоны. По словам Йоле, в 2018 году на каждый телефон приходилось 2,5 камеры. «В 2019 году количество камер на каждый смартфон увеличилось до 2,8. Мы видим, что в 2020 году на каждый смартфон будет приходиться по три камеры », - сказал Гийом Жирардин, директор подразделения фотоники и зондирования Yole.

Каждый телефон индивидуален. Например, в iPhone 11 Pro от Apple используется технология с тремя 12-мегапиксельными камерами (широкоугольная, сверхширокоугольная и телефото). Между тем, в телефоне Samsung 5G есть пять камер, в том числе четыре на задней панели и одна на передней панели. Одна камера оснащена датчиком времени пролета, который используется для распознавания жестов и 3D-объектов.

Камеры с более высоким разрешением не обязательно означают лучшие фотографии. «Это вопрос компромисса между размером пикселя и разрешением», - сказал Жирардин.«Масштабирование пикселей означает, что в нем больше пикселей. Когда разрешение превышает 40 и 50 мегапикселей, человеческий глаз не может увидеть то, что он снимает. Для датчиков изображения CMOS наиболее важными факторами для качества изображения являются пиксель с лучшей квантовой эффективностью (QE) и отношением сигнал / шум ».

Кроме того, смартфоны не заменят профессиональные зеркальные фотоаппараты. Но очевидно, что смартфоны предлагают больше функций, чем когда-либо прежде. «Людей определенно привлекает 5G для увеличения пропускной способности и потенциальных приложений, таких как потоковая передача 8K спортивного события в реальном времени в AR / VR / MR-игры в реальном времени», - сказал Рональд Ариф, старший менеджер по маркетингу продуктов Veeco.«Камеры в последних телефонах 5G стали более совершенными. Они начинают включать устройства VCSEL для измерения глубины, которые можно использовать где угодно, от автофокуса до трехмерного картографирования вашей гостиной. Можно представить комбинацию продвинутых камер с возможностью картирования глубины и 5G. Это может открыть богатые новые приложения, такие как игры, потоковое вещание, удаленное обучение и видеоконференции ».

Из других новинок поставщики поставляют датчики изображения ближнего инфракрасного диапазона (NIR).NIR, который освещает объекты с длинами волн вне видимого спектра, разработан для приложений, которые работают в почти или полной темноте. Новая технология NIR компании OmniVision обеспечивает улучшение на 25% невидимого спектра ближнего инфракрасного излучения с длиной волны 940 нм и увеличение на 17% на едва видимой длине волны 850 нм в ближнем ИК-диапазоне.

В рамках отдельной разработки Sony и Prophesee разработали датчик видения, основанный на событиях. Эти датчики, предназначенные для приложений машинного зрения, обнаруживают быстро движущиеся объекты в широком диапазоне условий.

Гонка масштабирования пикселей
Несколько лет назад производители CMOS-датчиков изображения начали так называемую гонку масштабирования пикселей. Это относится к «шагу пикселя», который описывает расстояние между каждым пикселем в устройстве. Целью было (и остается) уменьшать шаг пикселя при каждом поколении в течение заданного периода времени. Более высокая плотность пикселей означает большее разрешение, но не для всех датчиков требуется меньший шаг.

Несколько лет назад шаг пикселя для датчика изображения составлял 7 мкм.Продавцы уменьшили высоту подачи, но были некоторые проблемы.

Сам датчик изображения представляет собой сложную микросхему. Верхний слой называется массивом микролинз. Следующий слой - это цветной фильтр на основе мозаичного массива зеленого, красного и синего цветов. Следующий слой - это массив активных пикселей, который состоит из светозахватывающих компонентов, называемых фотодиодами, а также других схем.


Рис. 2: Блок-схема CMOS-датчика изображения. Источник: OmniVision

Активный массив пикселей подразделяется на крошечные и отдельные светочувствительные пиксели.Фактический пиксель состоит из фотодиода, транзисторов и других компонентов. Размер пикселя измеряется в мкм.

Датчик изображения с большим размером пикселя собирает больше света, что означает более сильный сигнал. Датчики изображения большего размера занимают место на плате. Датчики изображения с меньшими пикселями собирают меньше света, но вы можете упаковать их больше на матрицу. Это, в свою очередь, увеличивает разрешение.

Есть несколько способов сделать датчик изображения в фаб. В одном простом примере формируется массив пикселей.Поток начинается с лицевой стороны на подложке. Пластина прикреплена к несущей пластине или пластине ручки. Верхняя часть подвергается стадии имплантации, за которой следует процесс отжига. Сверху нанесено антибликовое покрытие. Проявлены цветная пленка и микролинза.

В другом, отдельном, простом потоке поверхность кремниевой подложки подвергается стадии имплантации. Сверху формируются диффузионные ямы и стопка металлизации. Структура перевернута. На тыльной стороне выгравированы желоба.На боковые стенки траншей, заполненные диэлектрическими материалами, наносится лайнер. Сверху изготовлены фильтр и микролинза.

Тем не менее, до 2009 года основной CMOS-датчик изображения был основан на архитектуре массива пикселей с передней подсветкой (FSI). Во время работы свет попадает на лицевую сторону устройства. Микролинза собирает свет и передает его цветному фильтру. Свет проходит через стек межсоединений и улавливается диодом. Заряд преобразуется в напряжение на каждом пикселе, а затем сигналы мультиплексируются.

За прошедшие годы архитектура FSI позволила поставщикам сократить шаг на несколько поколений. Например, по данным TechInsights, производители уменьшили шаг с 2,2 мкм в 2006 году до 1,75 мкм в 2007 году.

В 2008 году промышленность поразила стену с архитектурой FSI поколения 1,4 мкм. Поэтому, начиная примерно с 2009 года, производители перешли на новую архитектуру - заднюю подсветку (BSI). Архитектура BSI переворачивает датчик изображения с ног на голову. Свет проникает с обратной стороны кремниевой подложки.У фотонов более короткий путь к фотодиодам, что увеличивает квантовую эффективность.


Рис. 3: FSI и BSI. Источник: Omnivision

BSI также запустил масштабирование пикселей. «Что касается масштабирования пикселей, технология сенсоров BSI обеспечивает оптимальные размеры пикселей в диапазоне от 1,2 мкм до 1,4 мкм, а многослойный BSI позволяет занимать площадь сенсоров с такими размерами пикселей ниже 30 мм2», - сказал Ламс Хейнс. «Пиксели с субмикронными размерами могут быть задействованы с использованием четырехпиксельной архитектуры, обеспечивающей разрешение выше 48MP.”

Помимо BSI, отрасли потребовались и другие изменения. При масштабировании пикселей фотодиод - ключевой компонент улавливания света - сжимается внутри датчика изображения, что снижает его эффективность. И диоды расположены ближе друг к другу, создавая перекрестные помехи.

Таким образом, примерно в 2010 году при размере 1,4 мкм отрасль перешла к другому нововведению - изоляции глубоких траншей (DTI). В DTI цель состоит в том, чтобы сделать фотодиоды выше, что увеличивает емкость на единицу площади.

Чтобы включить DTI в фабрике, производители взяли архитектуру BSI и сделали фотодиоды более высокими, используя различные этапы процесса.Более высокие диоды также требуют более толстого кремния вокруг структур.

Тем не менее, масштабирование пикселей замедлилось. В свое время продавцы ежегодно переходили на новую площадку. Но, по данным TechInsights, производителям потребовалось три года, чтобы перейти с 1,4 мкм (2008 г.) на 1,12 мкм (2011 г.), четыре года - для достижения 1 мкм (2015 г.) и еще три года - для достижения 0,9 мкм (2018 г.).

«Таким образом, мы считаем, что разработка DTI и связанных с ним схем пассивации была основным фактором, способствовавшим отложенному введению пикселя 1.От 12 мкм до 0,9 мкм пикселей », - сказал Рэй Фонтейн, аналитик TechInsights, в недавнем блоге.

Недавно поставщики устранили проблемы, и гонка за масштабирование пикселей возобновилась. В 2018 году Samsung преодолела барьер в 1 мкм с размером 0,9 мкм, за ним последовали Sony с 0,8 мкм в 2019 году и Samsung с 0,7 мкм в 2020 году.

Для масштабирования пикселей размером менее мкм промышленность требует больше инноваций. «Поскольку пиксели сжимаются, требуется более толстый активный элемент (кремний) для поддержания подходящего размера фотодиода», - сказал Фонтейн в недавней презентации.«Ключевым технологическим фактором для более толстого активного (кремния) является DTI и связанные с ним пассивирующие пленки с высоким k».

Изготовление сенсора изображения с пленками high-k происходит по традиционному принципу. (Технологический процесс описан выше.) Отличие заключается в том, что пленки с высоким k осаждаются поверх футеровки в траншеях DTI.

Для high-k и других процессов поставщики используют два разных подхода в фабрике - front-DTI (F-DTI) и back-DTI (B-DTI). «F-DTI использует заполнение зазоров из поликремния, а поликремний может иметь смещение напряжения для улучшения закрепления поверхности.F-DTI также может иметь дополнительную термическую обработку для уменьшения утечки повреждений травлением », - сказал Грант из OmniVision. «B-DTI использует пленки high-k с отрицательным зарядом для накопления заряда и закрепления уровня Ферми на поверхности, что затем подавляет утечку темнового тока. Процесс пленок high-k представляет собой осаждение атомных слоев (ALD). B-DTI обычно использует заполнение оксидным зазором, но некоторые металлические наполнители и даже воздушный зазор также были опробованы и использованы в массовом производстве ».

Будет ли продолжаться масштабирование пикселей? «Вероятно, что масштабирование пикселей продолжится после 0.7 мкм, - сказал Грант. «Поскольку пиксели сжимаются более чем на 0,7 мкм, необходимо оптимизировать многие аспекты. Ключевые элементы, такие как B-DTI, высокоэнергетический имплантат для глубокого диода, усадка оптической структуры для цвета и микролинзы, останутся в центре внимания для развития. Необходимо обновить более простые правила проектирования, которые определяют внутрипиксельные транзисторы и межсоединения ».

Другая проблема заключается в том, что шаг пикселя для мобильных датчиков приближается к длине волны света. «Некоторые люди могут считать это пределом минимального размера пикселя», - сказал Грант.«Например, сегодня в исследованиях и разработках используется шаг пикселя 0,6 мкм. Это меньше длины волны красного света на 0,65 мкм (650 нм). Поэтому может возникнуть вопрос: «Зачем сжиматься до субволновой длины? Будет ли польза для пользователя камеры? Уменьшение размера пикселя до субволновой длины не означает, что на уровне пикселя нет ценной информации о пространственном разрешении ».

Грант указал, что оптические структуры для пикселя размером 1,0 мкм используют многие субволновые характеристики. «Например, узкие металлические решетки для подавления перекрестных помех и узкие диэлектрические стенки для квантовой эффективности улучшаются благодаря световоду.Эта наномасштабная оптическая технология уже используется в современных пикселях и существует уже много лет, поэтому переход на субволновые волны - не такая уж революция », - сказал он. «Ограничение продолжительной усадки может быть связано с пользой для пользователя, а не с технологией. Сегодня приложения продолжают находить ценность для конечных пользователей в уменьшении размера пикселя, так что это является движущей силой тенденции. Пока это будет продолжаться, развитие технологии CMOS-датчиков изображения будет поддерживать это направление ».

Стекирование и межсоединения
Помимо масштабирования пикселей, КМОП-датчики изображения претерпевают и другие инновации, такие как наложение кристаллов.Поставщики также используют различные технологии межсоединений, такие как сквозные переходные отверстия (TSV), гибридное соединение и попиксельное соединение.

В течение многих лет датчик изображения, включая матрицу пикселей и логическую схему, находился на одном кристалле. Большие изменения произошли в 2012 году, когда Sony представила многослойную матрицу с двумя матрицами. Укладка кристаллов позволяет поставщикам разделить сенсор и функции обработки на разных микросхемах. Это позволяет использовать больше функций в датчике, а также уменьшает размер матрицы.

Для этого Sony разработала одну матрицу пикселей по 90-нм техпроцессу.Этот кристалл был установлен на отдельном кристалле процессора обработки сигналов изображения (ISP), изготовленном по 65 нм техпроцессу, который обеспечивает функции обработки. Затем соединяются две матрицы.

В конце концов, другие перешли к аналогичному подходу к стеку кубиков. Как правило, верхняя матрица матрицы пикселей основана на зрелых узлах. Нижняя матрица ISP может работать с процессами 65, 40 и 28 нм. 14-нм технология FinFET находится в стадии разработки.

Между тем, в 2018 году Samsung и Sony разработали трехслойные устройства. Например, в одной из версий линейки CMOS-датчиков изображения Sony ячейка DRAM находится между датчиком изображения и логическими матрицами.Встроенная память DRAM обеспечивает более быстрое считывание данных.

Помимо штабелирования кристаллов, поставщики также разрабатывают различные схемы соединений, которые соединяют один кристалл с другим. Первоначально OmniVision, Samsung и Sony использовали TSV, которые представляют собой крошечные электрические межсоединения, похожие на переходные.

В 2016 году Sony перешла на технологию межсоединений, называемую гибридным медным соединением. Samsung по-прежнему находится в лагере TSV, в то время как OmniVision выполняет как TSV, так и гибридное соединение.

При гибридном соединении матрицы соединяются межсоединениями медь-медь.Для этого на фабрике обрабатываются две вафли. Одна из них - это пластина логики, а другая - пластина массива пикселей. Две пластины соединяются с помощью соединения диэлектрик-диэлектрик, за которым следует соединение металл-металл.

Как TSV, так и гибридное соединение допускают мелкий шаг. «Что касается наложения пикселей сенсора изображения CMOS и логических пластин, интеграция TSV и гибридное соединение, вероятно, продолжат сосуществовать для многослойного BSI», - сказал Ламс Хейнс. «Но поскольку многослойные датчики BSI становятся все более распространенным явлением, интеграция TSV становится все более актуальной.”

Есть и другие тенденции. «В будущем мы ожидаем увидеть две тенденции, связанные с наложением чипов в КМОП-сенсоры изображения. Во-первых, дальнейшее уменьшение шага для обеспечения еще большей плотности межсоединений между кристаллами. Во-вторых, увеличилось количество размещаемых в стеке трех или более устройств », - сказал Стив Хиберт, старший директор по маркетингу KLA.

Следующая большая вещь - межблочные межблочные соединения пиксель-пиксель. Xperi разрабатывает технологию под названием «3D Hybrid BSI» для интеграции на уровне пикселей.Sony и OmniVision продемонстрировали эту технологию.

«Это позволяет увеличить количество межсетевых соединений, - сказал Абул Нуруззаман, старший директор по маркетингу продуктов Xperi. «Это обеспечивает взаимосвязь на уровне пикселей между каждым пикселем датчика и соответствующим аналого-цифровым преобразователем. Это позволяет выполнять параллельное аналого-цифровое преобразование для всех пикселей. Это соединение обеспечивает электрическое соединение с высокой плотностью соединения между многослойным пиксельным и логическим слоями, позволяя реализовать столько аналого-цифровых преобразователей, сколько эффективных мегапикселей.Гибридное связывание также можно использовать для объединения памяти с выделенной памятью для каждого пикселя ».

Эта архитектура поддерживает массивную параллельную передачу сигналов, что позволяет считывать и записывать все пиксельные данные датчика изображения с высокой скоростью. «Он позволяет использовать глобальный затвор с масштабированными пикселями для получения изображений с высоким разрешением в реальном времени для различных критически важных приложений, таких как автономные транспортные средства, медицинская визуализация и высококачественная фотография», - сказал Нуруззаман.

Заключение
Очевидно, что рынок датчиков изображения CMOS динамичен.Но 2020 будет тяжелым годом для поставщиков на фоне вспышки COVID-19.

Тем не менее, на рынке наблюдается волна инноваций. «Встроенные CMOS-датчики изображения и камеры все чаще используются в системах безопасности, безопасности, пользовательских интерфейсах и распознавании на основе технического зрения, IoT, автономных автомобилях и дронах», - сказал Лайнбек из IC Insights.


Размер сенсора и пикселя

Прогрессирующее технологическое развитие датчиков CCD и CMOS позволяет изготавливать все более тонкие полупроводниковые структуры.Как правило, размеры сенсоров и пикселей уменьшаются, чтобы вырезать все больше и больше сенсоров из одной пластины. Это возможно, потому что чувствительность пикселей также постоянно увеличивается, так как шумовые характеристики электроники оптимизируются.

Поскольку в этом отношении также достигнуты технические ограничения, целесообразно сравнить камеры с разными матрицами и размерами пикселей с одинаковым разрешением, особенно если…

  • мало света
  • требуются изображения с низким уровнем шума и высоким динамическим откликом
  • Предполагается провести
  • прецизионных измерений

Более крупный сенсор с большими пикселями почти во всех случаях является технически лучшим выбором, однако цена всегда выше.

Размеры сенсоров стандартных камер

Камеры машинного зрения

Classic имеют датчики различного размера в зависимости от используемой камеры и разрешения. Большинство камер с меньшими сенсорами используются с так называемой оптикой с байонетом C или, возможно, с CS-креплением. Резьба C-mount имеет фактический диаметр 1 дюйм, то есть 25,4 мм, и шаг резьбы 1/32 дюйма.

Датчики, используемые в стандартных камерах, явно меньше по размеру и имеют диагональ изображения от 4 до 16 мм. Размеры этих сенсоров тоже указаны в дюймах.1-дюймовый сенсор имеет диагональ 16 мм.

Типичные размеры сенсора промышленных камер

дюймовые данные ПЗС- и КМОП-датчиков имеют только историческое объяснение: приемные трубки телекамер использовались до середины 1980-х годов и долгое время превосходили ПЗС- или КМОП-датчики, изобретенные в конце 1960-х годов.

Фактический преобразователь изображения трубчатых камер был расположен в стеклянной вакуумной трубке, а различные приемные трубки, среди прочего, были классифицированы в соответствии с их внешним диаметром стеклянной колбы.Диагональ светочувствительной поверхности внутри трубки была, конечно, меньше и составляла примерно две трети внешнего диаметра. Эквивалентные ПЗС-сенсоры, которые должны были заменить электронно-лучевые трубки, должны были покрывать именно эту поверхность. ПЗС-матрица, светочувствительная поверхность которой соответствует 1/2-дюймовой трубке, поэтому называлась 1/2-дюймовым сенсором, даже если это не соответствует реальному размеру ПЗС-сенсора.

В промышленных камерах обычно используются датчики 1/3 дюйма при разрешении 640 x 480 пикселей, в камерах с разрешением 1280 x 1024 пикселей - в основном 1/2 дюйма.В довольно популярной камере с разрешением 1600 x 1200 пикселей часто используется сенсор несколько большего размера с размером 1 / 1,8 дюйма с тем же размером пикселя.

В целом на рынке массовых камер наблюдается тенденция к уменьшению размеров сенсоров. Если в конце 1980-х стандартный датчик VGA в некоторых случаях имел размер 2/3 дюйма, то сегодня он составляет всего 1/3 дюйма. Миниатюризация является следствием усовершенствованных производственных процессов, которые позволяют изготавливать светочувствительные поверхности меньшего размера с (надеюсь) аналогичными характеристиками.Это позволяет производителям изготавливать большее количество датчиков по более низкой цене из одной пластины. Датчик 1/3 дюйма, например, имеет только около 40% поверхности датчика 1/2 дюйма и, следовательно, дешевле.

Важно: Если у вас есть выбор между большим или меньшим сенсором для той же версии камеры, выберите больший вариант, если вы…

  • проводить точные измерения, например, или тончайшие проверки поверхности с минимальным шумом камеры, искажающим результат.
  • спланируйте светочувствительные быстрые приложения с коротким временем экспозиции.
  • В
  • используются цветные камеры, которые, возможно, должны заменить монохромные камеры, и, если доступно мало света, они требуют в 3–4 раза больше света, чем сопоставимый монохромный датчик.

Размеры широкоформатных сенсоров камер с линейным сканированием или камер с линейным сканированием

В случае камер с высокой разрешающей способностью или камер с линейной разверткой, используются датчики значительно большего размера, размером в несколько сантиметров.Размеры этих датчиков обычно не стандартизированы и являются результатом разрешения и размеров пикселей датчиков. Все разрешено и ограничено только бюджетом.

Линейная камера с 2048 пикселями и размером пикселя 10 мкм имеет длину строки 10,48 мм, в случае размера пикселя 14 мкм длина сенсора составляет уже 28,6 мм. Начиная с диагонали сенсора 20 мм, соединение объектива с байонетом C больше не может использоваться.

Эти камеры обычно используют байонет Nikon (байонет F) или M42 - M72 в качестве соединения объектива.Только в этом случае можно использовать датчики высокого разрешения с большими пикселями для создания камер с линейной разверткой с разрешением до 12 тыс. Пикселей или камер с разверткой по площади с разрешением до 28 миллионов пикселей.

Размеры пикселей ПЗС- или КМОП-сенсоров

Вследствие миниатюризации сенсоров размеры пикселей становятся все меньше и меньше. Датчики бытовых фотоаппаратов (от 8 до 12 мегапикселей за 200 евро) сегодня имеют размер пикселей в основном 1,7 мкм, поэтому светоактивная поверхность на пиксель составляет всего примерно 3 мкм2.Это приводит к очень сильному шуму сенсора в случае неоптимальных условий освещения. Для контроля качества с помощью фотоаппаратов это абсолютно недопустимо.

Камеры машинного зрения (с байонетом C) с разрешением от VGA до 2 мегапикселей обычно имеют пиксели от 4,6 до 6,5 мкм с 10-15-кратным увеличением светоактивных поверхностей и, следовательно, явно лучшими результатами сигнала. Если вам нужны изображения с минимальным шумом и точные результаты измерения, ищите желательно большие пиксели сенсора, даже если эти камеры более дорогие!

Типичные размеры пикселей промышленных камер

Пиксели с длиной края 14 или 10 мкм преимущественно используются в камерах с линейной разверткой.Например, из-за высокой частоты линий, составляющей 18 Гц, максимальное время экспозиции составляет 1000/18000 = 55 мкс для одной строки захваченного изображения. Светоактивная поверхность пикселя в этом случае никогда не может быть достаточно большой.

Полная емкость пикселя

Эта спецификация описывает, сколько электронов может удерживать элемент пикселя, прежде чем он полностью насыщается. Пиксель размером структуры 5,5 мкм может накапливать примерно 20 000 электронов, пиксель 7,4 мкм - 40 000 электронов.

Чем больше полная емкость скважины, тем лучше максимальное отношение сигнал / шум.Обычным камерам с размером пикселя 1,7 мкм требуется всего около 1000 фотонов для насыщения пикселей. В случае оцифровки с 8, 10 или даже 12 битами другие шумовые эффекты (фотонный шум, шум оцифровки, темновой шум) уже могут принимать значительные масштабы, мешать сигналу и, таким образом, оказывать крайне негативное влияние на изображение.

Чем больше полная емкость скважины, тем лучше максимальное отношение сигнал / шум. Обычным камерам с размером пикселя 1,7 мкм требуется всего около 1000 фотонов для насыщения пикселей.В случае оцифровки с 8, 10 или даже 12 битами другие шумовые эффекты (фотонный шум, шум оцифровки, темновой шум) уже могут принимать значительные масштабы, мешать сигналу и, таким образом, оказывать крайне негативное влияние на изображение.

Важное значение для машинного зрения

  • Чем меньше пиксели, тем больше света требуется для захвата изображения. В случае короткого времени проверки недостаток света может легко стать проблемой.
  • В случае слабого освещения маленькие пиксели создают явно более шумные изображения, чем большие пиксели, динамический отклик изображения снижается.Шум мешает работе приложения. Используйте яркое освещение или контроллеры светодиодных вспышек, чтобы было больше света!
  • Большое количество мегапикселей не обязательно помогает. Маленькие пиксельные структуры требуют высококачественного оптического изображения, то есть линз с высоким разрешением. В противном случае создаются размытые изображения с большим количеством пикселей, но без реальных деталей структуры.
  • Маленькие пиксели камеры, кроме того, требуют чрезвычайно точного механического выравнивания сенсора, так как глубина резкости значительно уменьшается.Наклон сенсора 5 мкм в корпусе должен быть только вдвое меньше (+ / 1 15 мкм при апертуре = 2,8), чем в случае пикселей с размером структуры 10 мкм. Поэтому ищите поставщиков, производящих качественные, иначе лучший сенсор в камере окажется напрасным.

Матрица типа mos или cmos. Сравнение матриц видеокамер и фотоаппаратов (CMOS, CCD). Сильные и слабые стороны камеры CCD

CCD - это устройство с зарядовой связью (CCD - это устройство с обратной связью по зарядке).Этот тип матрицы изначально считался более качественным, но при этом более дорогим и энергоемким. Если вкратце изложить основной принцип работы ПЗС-матрицы, то в аналоговом варианте соберут всю картинку, а уже потом оцифровывают.

В отличие от матриц CCD, матрицы CMOS (комплементарный металл-оксид-полупроводник, дополнительная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник, CMOS) оцифровывают каждый пиксель на месте. КМОП-матрицы изначально были менее энергозатратными и дешевыми, особенно при производстве матриц большого размера, но по качеству уступали ПЗС-матрицам.

Преимущества матриц CCD включают:
  • Низкий уровень шума.
  • Высокая степень заполнения пикселей (около 100%).
  • Высокая эффективность (отношение количества зарегистрированных фотонов к их общему количеству, попадающему на светочувствительную область матрицы, составляет 95% для ПЗС).
  • Высокий динамический диапазон (чувствительность).
К недостаткам ПЗС-матриц можно отнести:
  • Сложный принцип считывания сигналов, а значит и технология.
  • Высокий уровень энергопотребления (до 2-5Вт).
  • Дороже в производстве.
Преимущества матриц CMOS:
  • Высокая скорость (до 500 кадров / с).
  • Низкое энергопотребление (почти в 100 раз по сравнению с CCD).
  • Дешевле и проще в производстве.
  • Перспективы техники (на одном кристалле в принципе ничего не стоит реализовать все необходимые дополнительные схемы: аналого-цифровые преобразователи, процессор, память, получая при этом полноценную цифровую камеру на одном кристалле.Кстати, с 2002 года над таким устройством вместе работают Samsung Electronics и Mitsubishi Electric).
К недостаткам CMOS-матриц можно отнести
  • Низкий коэффициент заполнения пикселей, снижающий чувствительность (эффективная поверхность пикселей ~ 75%, остальное - транзисторы).
  • Из-за высокого уровня шума (он вызван так называемыми темповыми токами - даже при отсутствии освещения через фотодиод протекает довольно значительный ток) борьба с этим усложняет и удешевляет технологию.
  • Низкий динамический диапазон.
Введение в датчики изображения

Когда изображение захватывается объективом видеокамеры, свет проходит через объектив и попадает на датчик изображения. Датчик изображения или матрица состоит из множества элементов, также называемых пикселями, которые регистрируют количество падающего на них света. Результирующее количество света преобразуется в пиксели с помощью соответствующего количества электронов. Чем больше света падает на пиксель, тем больше электронов он генерирует.Электроны преобразуются в напряжение, а затем преобразуются в числа в соответствии со значениями АЦП (аналого-цифровой преобразователь, аналого-цифровой преобразователь). Сигнал, состоящий из таких чисел, обрабатывается электронными схемами внутри видеокамеры.

В настоящее время существуют две основные технологии, которые можно использовать для создания датчика изображения в камере: CCD (устройство с зарядовой связью, CCD - устройство с зарядовой связью) и CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS - дополнительный оксид металла). полупроводник).Их характеристики, достоинства и недостатки будут рассмотрены в данной статье. На изображении ниже показаны датчики изображения CCD (вверху) и CMOS (внизу).

Цветовая фильтрация . Как уже было описано выше, датчики изображения регистрируют количество падающего на них света от светлого до темного, но без информации о цвете. Поскольку датчики изображения CMOS и CCD «не видят цвета», перед каждым из датчиков помещается фильтр, который позволяет назначать цветовой тон каждому пикселю в датчике.Двумя основными методами регистрации цвета являются RGB (красный-жадный-синий, красный-зеленый-синий) и CMYG (голубой-пурпурный-желтый-зеленый, голубой-пурпурный-желтый-зеленый). Красный, зеленый и синий - основные цвета, различные комбинации которых могут составлять большинство цветов, воспринимаемых человеческим глазом.

Фильтр Байера (или массив Байера), состоящий из последовательных рядов красно-зеленого и сине-зеленого фильтров, является наиболее распространенным цветовым фильтром RGB (см. Рисунок 2). Фильтр Байера содержит вдвое больше зеленых «ячеек», потому что человеческий глаз более чувствителен к зеленому, чем к красному или синему.Это также означает, что при таком цветовом соотношении в фильтре человеческий глаз увидит больше деталей, чем если бы три цвета использовались в фильтре в равных пропорциях.

Другой способ фильтрации (или регистрации) цвета - использование дополнительных цветов - голубого, пурпурного и желтого. Фильтр дополнительных цветов обычно комбинируется с фильтром зеленого цвета в виде цветового фильтра CMYG (цветовой массив CMYG), как показано на рисунке 2 (справа). Цветовой фильтр CMYG обычно обеспечивает более высокий пиксельный сигнал, поскольку имеет более широкую спектральную полосу пропускания.Однако сигнал должен быть преобразован в RGB для использования в окончательном изображении, а это влечет за собой дополнительную обработку и приводит к появлению шума. Следствием этого является уменьшение отношения сигнал / шум, поэтому системы CMYG, как правило, не очень хорошо передают цвета.

Цветовой фильтр CMYG обычно используется в датчиках чересстрочного изображения, тогда как системы RGB в основном используются в датчиках изображения с прогрессивной разверткой.

Светочувствительная матрица - важнейший элемент фотоаппарата.Именно она преобразует свет, падающий на нее через линзу, в электрические сигналы. Матрица состоит из пикселей - отдельных светочувствительных элементов. В современных матрицах общее количество светочувствительных элементов достигает 10 миллионов в любительских устройствах и 17 миллионов в профессиональных. Матрица N мегапикселей содержит N миллионов пикселей. Чем больше пикселей на матрице, тем детальнее фото.

Каждый светочувствительный элемент представляет собой конденсатор, заряжающийся под действием света.Конденсатор заряжен тем сильнее, чем ярче падает на него свет или чем дольше он находится на свету. Беда в том, что заряд конденсатора может изменяться не только под действием света, но и от теплового движения электронов в материале матрицы. В некоторых пикселях тепловых электронов больше, в некоторых - меньше. Результат - цифровой шум. Если взять, например, голубое небо, на снимке может показаться, что оно состоит из пикселей немного другого цвета, а снимок, сделанный с закрытым объективом, будет состоять не только из черных точек.Чем меньше геометрический размер матрицы при равном количестве мегапикселей, тем больше у нее шум, тем хуже качество изображения.

Для компактных цифровых устройств размер матрицы обычно указывается в долях и измеряется в дюймах. Интересно, что если вы попытаетесь вычислить эту дробь и перевести ее из дюймов в миллиметры, полученное значение не будет совпадать с реальными размерами матрицы. Это противоречие возникло исторически, когда аналогичным образом указывались размеры передающего телевизионного устройства (видикона).Для цифровых зеркальных фотоаппаратов размер матрицы либо напрямую указывается в миллиметрах, либо указывается как кроп-фактор, число, указывающее, во сколько раз этот размер меньше кадра стандартной пленки 24x36 мм.

Другой важной особенностью матриц является то, что матрица, имеющая N мегапикселей, фактически содержит N мегапикселей, и, кроме того, изображение с этой матрицы также состоит из N мегапикселей. Вы говорите, что в этом странного? И что странно, на изображении каждый пиксель состоит из трех цветов: красного, зеленого и синего.Казалось бы, на матрице каждый пиксель должен состоять из трех светочувствительных элементов, соответственно красного, зеленого и синего. Однако на самом деле это не так. Каждый пиксель состоит только из одного элемента. Откуда цвет? Фактически, каждый пиксель имеет фильтр, примененный таким образом, что каждый пиксель воспринимает только один из цветов. Фильтры чередуются - первый пиксель воспринимает только красный цвет, второй - только зеленый, третий - только синий. После считывания информации из матрицы цвет каждого пикселя вычисляется по цветам этого пикселя и его соседей.Конечно, этот метод немного искажает изображение, но алгоритм расчета цвета устроен так, что может искажаться цвет мелких деталей, но не их яркость. А для человеческого глаза, смотрящего на изображение, важнее яркость, чем цвет этих деталей, поэтому эти искажения практически незаметны. Эта структура называется паттерном Байера по имени инженера Kodak, который запатентовал эту структуру фильтра.

Большинство современных светочувствительных матриц, используемых в компактных цифровых фотоаппаратах, имеют два или три режима работы.Основной режим используется для фотографирования и позволяет считывать изображение с максимальным разрешением с матрицы. Этот режим требует отсутствия какой-либо засветки матрицы во время считывания кадра, что, в свою очередь, требует наличия механического затвора. Другой, скоростной режим позволяет считывать с матрицы полное изображение с частотой 30 раз в секунду, но с меньшим разрешением. Этот режим не требует механического затвора и используется для предварительного просмотра и для съемки видео.Третий режим позволяет читать изображение вдвое быстрее, но не на всю площадь матрицы. Этот режим используется для работы автофокусировки. Матрицы, используемые в цифровых зеркальных фотоаппаратах, не имеют скоростных режимов.

Но не все светочувствительные матрицы сконструированы таким образом. Sigma производит матрицы Foveon, в которых каждый пиксель действительно состоит из трех светочувствительных элементов. Эти матрицы имеют значительно меньше мегапикселей, чем их конкуренты, однако качество изображения с этих матриц практически не уступает их многомегапиксельным конкурентам.

Еще одна интересная особенность - матрицы Fuji SuperCCD. Пиксели в этих матрицах имеют шестиугольную форму и расположены в виде сот. С одной стороны, в этом случае повышается чувствительность за счет большей площади пикселя, а с другой стороны, используя специальный алгоритм интерполяции, можно получить лучшую детализацию изображения.

В данном случае интерполяция действительно позволяет улучшить детализацию изображения, в отличие от устройств других производителей, где изображение интерполируется с матрицы, имеющей обычное расположение пикселей.Принципиальное различие между этими матрицами состоит в том, что расстояние между пикселями вдвое меньше, чем у самих пикселей. Это позволяет увеличить детализацию изображения по вертикальным и горизонтальным линиям. При этом у обычных матриц детализация по диагонали лучше, но на реальных снимках диагональные линии обычно меньше вертикальных или горизонтальных.

Интерполяция - алгоритм вычисления пропущенных значений из соседних значений. Если мы знаем, что в 8 а.м. Температура на улице была +16 градусов, а в 10 часов поднялась до +20, не сильно ошибемся, если предположим, что в 9 утра температура была около +18.

В ПЗС-датчике свет (заряд), падающий на пиксель датчика, передается от микросхемы через один выходной узел или только через несколько выходных узлов. Заряды преобразуются в уровень напряжения, накапливаются и отправляются в виде аналогового сигнала. Затем этот сигнал суммируется и преобразуется в числа с помощью аналого-цифрового преобразователя вне датчика (см.рис.3).

Технология CCD была изобретена специально для использования в видеокамерах, а датчики CCD используются уже 30 лет. Традиционно ПЗС-сенсоры имеют ряд преимуществ перед КМОП-сенсорами, а именно лучшую светочувствительность и низкий уровень шума. Однако в последнее время различия едва заметны.

Недостатками ПЗС-сенсоров является то, что они являются аналоговыми компонентами, для которых требуется больше электроники «рядом» с сенсором, они более дороги в производстве и могут потреблять до 100 раз больше энергии, чем КМОП-сенсоры.Повышенное энергопотребление также может привести к повышению температуры в самой камере, что отрицательно сказывается не только на качестве изображения и увеличивает стоимость конечного продукта, но и на степень воздействия на окружающую среду.

ПЗС-сенсоры

также требуют более быстрой передачи данных, поскольку все данные проходят только через один или несколько выходных усилителей. Сравните рисунки 4 и 6, на которых показаны платы с датчиком CCD и датчиком CMOS соответственно.

На раннем этапе для отображения использовались обычные микросхемы CMOS, но качество изображения было плохим из-за низкой светочувствительности элементов CMOS.Современные КМОП-сенсоры производятся с использованием более специализированных технологий, что привело к быстрому повышению качества изображения и светочувствительности в последние годы.

КМОП-микросхемы

имеют ряд преимуществ. В отличие от ПЗС-сенсоров, КМОП-сенсоры содержат усилители и аналого-цифровые преобразователи, что значительно снижает стоимость конечного продукта, поскольку он уже содержит все необходимые элементы для получения изображения. Каждый пиксель CMOS содержит электронные преобразователи. По сравнению с датчиками CCD, датчики CMOS обладают большей функциональностью и большими возможностями интеграции.Другие преимущества включают более быстрое считывание, более низкое энергопотребление, более высокую шумостойкость и меньший размер системы.

Однако наличие электронных схем внутри микросхемы приводит к риску возникновения более структурированного шума, например полос. Калибровка КМОП-сенсоров на производстве также сложнее, чем с ПЗС-сенсорами. К счастью, современные технологии позволяют производить самокалибрующиеся КМОП-сенсоры.

В датчиках CMOS возможно считывать изображения с отдельных пикселей, что позволяет вам "окошко" изображение, т.е.е. считывать показания не всего датчика, а только его определенной области. Таким образом, можно получить более высокую частоту кадров от части датчика для последующей цифровой обработки PTZ (англ. Pan / tilt / zoom, pan / tilt / zoom). Кроме того, это позволяет передавать несколько видеопотоков с одного CMOS-сенсора, имитируя несколько «виртуальных камер»

HDTV и мегапиксельные камеры
Датчики

мегапикселей и телевидение высокой четкости позволяют цифровым IP-камерам обеспечивать более высокое разрешение изображения, чем аналоговые камеры видеонаблюдения, т.е.е. они предоставляют прекрасную возможность различать детали и идентифицировать людей и объекты - ключевой фактор в видеонаблюдении. Мегапиксельная IP-камера имеет как минимум вдвое большее разрешение по сравнению с аналоговой камерой видеонаблюдения. Мегапиксельные датчики являются ключевыми точками телевидения высокой четкости, мегапиксельных и многомегапиксельных камер. И может использоваться для обеспечения чрезвычайно высокой детализации изображения и многопоточного видео.

Мегапиксельные КМОП-сенсоры более распространены и намного дешевле мегапиксельных ПЗС-сенсоров, несмотря на то, что существуют довольно дорогие КМОП-сенсоры.

Сложно изготовить быстродействующий мегапиксельный ПЗС-датчик, что, конечно, является недостатком, и поэтому сложно изготовить многомегапиксельную камеру с использованием технологии ПЗС.

Большинство сенсоров в мегапиксельных камерах в целом аналогичны по размеру VGA-сенсорам с разрешением 640x480 пикселей. Однако мегапиксельный сенсор содержит больше пикселей, чем сенсор VGA, соответственно, размер каждого пикселя мегапиксельного сенсора меньше, чем размер пикселя сенсора VGA.Следствием этого является более низкая светочувствительность каждого пикселя мегапиксельного сенсора.

Так или иначе, прогресс не стоит на месте. Мегапиксельные сенсоры стремительно развиваются, и их светочувствительность постоянно увеличивается.

Основные отличия CMOS от CCD
КМОП-сенсоры

содержат усилители, аналого-цифровые преобразователи и часто микросхемы для дополнительной обработки, тогда как в камере с ПЗС-сенсором большинство функций обработки сигналов выполняется вне сенсора.CMOS-сенсоры потребляют меньше энергии, чем CCD-сенсоры, а это означает, что внутри камеры можно поддерживать более низкие температуры. Повышенная температура датчиков CCD может увеличить помехи. С другой стороны, КМОП-сенсоры могут страдать от структурированного шума (полосы и т. Д.).

CMOS-сенсоры поддерживают «оконное» изображение и многопотоковое видео, что невозможно с CCD-сенсорами. ПЗС-сенсоры обычно имеют один аналого-цифровой преобразователь, тогда как в КМОП-сенсорах он есть у каждого пикселя. Более быстрое считывание CMOS-сенсоров позволяет использовать их при производстве многомегапиксельных камер.

Современные технологические достижения стирают разницу в светочувствительности ПЗС- и КМОП-сенсоров.

Заключение
ПЗС- и КМОП-сенсоры

имеют различные преимущества и недостатки, но технологии быстро развиваются, и ситуация постоянно меняется. Вопрос о том, выбрать ли камеру с сенсором CCD или с сенсором CMOS, становится несущественным. Этот выбор зависит только от требований клиента к качеству изображения системы видеонаблюдения.

Для преобразования светового потока в электронный сигнал, который затем преобразуется в цифровой код, записанный на карту памяти фотоаппарата.
Матрица состоит из пикселей, назначение каждого из которых - вывод электронного сигнала, соответствующего количеству попадающего в него света.
Разница в матрицах ПЗС и КМОП в методе преобразования получен из пиксельного сигнала. В случае ПЗС - последовательно и с минимумом шума, в случае КМОП - быстро и с меньшим энергопотреблением (а благодаря дополнительным схемам количество шума значительно снижается).
Впрочем, обо всем по порядку ...

Есть матрицы CCD и CMOS

CCD - матрица

Устройство с зарядовой связью (CCD, по-английски - CCD) названо так из-за способа передачи заряда между светочувствительными элементами - пиксель на пиксель и в конечном итоге вывод заряда с датчика .

Заряды сдвинуты по матрице строками сверху вниз.Таким образом, заряд перемещается по строкам сразу многих регистров (столбцов).
Перед тем, как покинуть датчик CCD, заряд каждого пикселя усиливается, и на выходе получается аналоговый сигнал с другим напряжением (в зависимости от количества света, попадающего в пиксель). Перед обработкой этот сигнал отправляется на отдельный (вне чипа) аналого-цифровой преобразователь, и полученные цифровые данные преобразуются в байты, представляющие строку изображения, полученного датчиком.

Поскольку ПЗС передает электрический заряд, который имеет низкое сопротивление и менее подвержен помехам от других электронных компонентов, результирующий сигнал обычно содержит различных шумов по сравнению с сигналом датчиков CMOS.

Матрица CMOS

IN Матрица CMOS (CMOS - комплементарный металл-оксидный полупроводник, по-английски - CMOS), устройство обработки - рядом с каждым пикселем (иногда устанавливается на саму матрицу), тем самым повышая производительность Система .Также из-за отсутствия дополнительных устройств обработки отметим низкое энергопотребление CMOS - матрицы.

Некоторое представление о процессе чтения информации с матриц можно получить из следующего видео.

Технологии постоянно совершенствуются, и сегодня наличие CMOS-сенсора в фотоаппарате или видеокамере указывает на модель более высокого класса. Производители часто ориентируются на модели с КМОП-матрицами.
В последнее время стала популярной разработка CMOS-матрицы с размещением проводов сзади, которая показывает лучшие результаты при съемке в условиях низкой освещенности, а также имеет более низкий уровень шума.

Качество изображения видеокамеры во многом зависит от используемого в ней светочувствительного сенсора (матрицы). Ведь поставить хотя бы лучший процессор для оцифровки видео - если на матрицу получится плохое изображение, оно не станет хорошим. Попробую популярно объяснить, на что следует обратить внимание в характеристиках сенсора камеры видеонаблюдения, чтобы потом не было мучительно больно смотреть на изображение ...

Тип матрицы

Вкл. В Интернете вы обязательно найдете информацию о том, что в камерах видеонаблюдения используются светочувствительные матрицы CCD (CCD, устройство с зарядовой связью) и CMOS (CMOS, комплементарный металл-оксид-полупроводник).Забудь это! Долгое время была только CMOS, только хардкор.

ПЗС-матрицы

при всех их достоинствах (лучшая светочувствительность и цветопередача, меньший уровень шума) в видеонаблюдении практически не используются. Потому что сам принцип их действия ПЗС-матриц - последовательное считывание заряда по ячейкам - слишком медленный, чтобы удовлетворить потребности быстрых современных видеокамер высокого разрешения. Ну и самое главное, ПЗС дороже в производстве, а в условиях современной высококонкурентной среды на счету каждая копейка прибыли.Именно поэтому все ключевые производители сосредоточили внимание на вопросе CMOS-матриц.

Производителей, кстати, осталось не так много. Самыми крупными, по состоянию на начало 2017 года, являются компании: ON Semiconductor Corporation (которая в свое время приобрела известную профильную компанию Aptina), Omnivision Technologies Inc., Samsung Electronics и Sony Corporation. Кроме того, матрицы для собственных нужд производят, например, Canon, Hikvision.

Конкуренция старых брендов направлена ​​на создание молодых, энтузиастов и денег китайских производителей микросхем «второго уровня», таких как SOI (Silicon Optronics, Inc.) и другие. Трудно сказать, выживет ли молодняк, когда рынок КМОП-сенсоров станет перенасыщенным и станет слишком тесным. Но в любом случае в этом сегменте не исключено появление новых игроков и обострение борьбы, ведь наладить производство КМОП-сенсоров по современным меркам не так уж и сложно.

Крупные мировые бренды, такие как Hikvision или Dahua, обычно предпочитают работать с производителями матриц первого уровня или со своими собственными. Местные ведут себя иначе.Например, Tecsar даже в недорогих камерах использует матрицы с хорошей репутацией от ON Semiconductor, Omnivision и Sony. В ассортименте широко представлены другие «популярные» бренды, например Berger, датчики SOI и др.


Как изготавливаются матрицы цифровых фотоаппаратов

CMOS Leadership

Технология CMOS предусматривает размещение электронных компонентов (конденсаторов, транзисторов) непосредственно в каждом пикселе светочувствительной матрицы.

Структура пикселей и матрица CMOS

Это уменьшает полезную площадь светочувствительного элемента и снижает чувствительность, плюс активные элементы увеличивают уровень собственного шума матрицы.Но технология позволяет преобразовать заряд светочувствительного элемента в электрический сигнал прямо в матрице и намного быстрее сформировать цифровой сигнал изображения, что критично для видеокамер. Вот почему CMOS лучше подходит для камер видеонаблюдения, где требуется быстрая смена кадра.


Принцип работы матриц ПЗС и КМОП

Плюс возможность произвольного чтения ячеек матрицы КМОП дает возможность буквально «на лету» изменять качество и битрейт принимаемого видео, что невозможно для ПЗС.При этом энергопотребление CMOS-решений ниже, что также немаловажно для компактных камер видеонаблюдения.

Пусть будет цвет

Для получения цветного изображения матрица разлагает световой поток на составляющие его цвета: красный, зеленый и синий. Для этого используются соответствующие фильтры. У разных производителей разное размещение и количество светочувствительных элементов разного цвета, но суть от этого не меняется.

Принцип формирования изображения на светочувствительной матрице:

P - светочувствительный элемент
T - электронные компоненты

Как устроен и работает CMOS-сенсор камеры, можно также посмотреть на этом видео с Canon:

КМОП-матрицы всех производителей основаны на общих принципах, описанных выше, и отличаются только деталями реализации на кремнии.Например, в погоне за низкой стоимостью и сверхприбылью производители микросхем стараются производить матрицы как можно меньшего размера. Окупаемость этого неизбежна ...

Почему большой - это хорошо

Размер (или, другими словами, формат) матрицы обычно измеряется по диагонали в дюймах и указывается в виде дробей, ибо например, 1/4 ", 1/3", 2/3 ", 1/2 дюйма и т. д.


ON Semicondactor Светочувствительный датчик для камер видеонаблюдения

Светочувствительный датчик, установленный на плате видеокамеры

Увы, широкоформатные массивы в камерах массового наблюдения сейчас практически не используются из-за дороговизны самих массивов и линз к ним, которые должны иметь линзы большего размера и, соответственно, габариты и стоимость.Сегодня в камерах устанавливаются в основном матрицы размером 1/2 "- 1/4" (самые маленькие). Выбирая камеру, нужно четко понимать, что купив сверхдешевую модель с матрицей SOI 1/4 "и крохотным объективом с пластиковыми линзами сомнительной прозрачности, вы не сможете создать систему видеонаблюдения приемлемого качества, на в котором можно было бы четко различать мелкие детали снятых событий, особенно при съемке в условиях низкой освещенности

Выбор камеры с Sony 1/2.Размер камеры 8 дюймов априори даст гораздо лучший результат по качеству видео, камеру с такой матрицей уже можно использовать в профессиональной системе видеонаблюдения. И чувствительность такой камеры будет явно выше, что позволит лучше съемка при слабом освещении: в плохую погоду, в сумерках, в темном помещении и т. д. При увеличении разрешения при том же размере матрицы светочувствительность снижается, что тоже нужно учитывать при выборе. Для установленной камеры в темном корне Rotne у черного хода имеет смысл выбрать матрицу с меньшим разрешением и большей чувствительностью, чем камера сверхвысокого разрешения с матрицей низкой чувствительности, на которой из-за шума ничего нельзя четко различить.

Светочувствительность

Светочувствительность матрицы определяет возможность ее работы в условиях слабого внешнего освещения. С точки зрения физики это выглядит довольно банально: чем меньше световой энергии достаточно для получения изображения матрицей, тем выше ее светочувствительность. Но! Скажем откровенно, гоняться за высокой чувствительностью не стоит. Дело в том, что современные камеры видеонаблюдения благополучно переключаются на дневной / ночной режимы, при уменьшении освещенности переводя матрицу в черно-белое изображение с более высокой чувствительностью.Кроме того, автоматическое включение инфракрасной подсветки дает камерам возможность отлично снимать даже в полной темноте. Например, в закрытом помещении без окон и с выключенным светом, когда об уровне какой-то внешней освещенности и речи не идет. Светочувствительность остается критичной для камер без ИК-подсветки, но использовать их в современном видеонаблюдении - почти плохая идея. Хотя кузовные модели без подсветки, конечно, все еще продаются.


Сравнение матриц разных производителей

В целом правило такое: чем выше освещенность, тем лучше матрица и соответственно камера снимет.Поэтому не рекомендуется размещать камеры в темных укромных уголках и трещинах, даже если они обладают хорошей чувствительностью. Имейте в виду, что в спецификации матриц камеры обычно указывается минимальный уровень освещенности, когда можно сделать хоть какое-то изображение. Но никто не обещает, что это изображение будет хотя бы приемлемого качества! Будет мерзко в 100% случаев, разобрать на нем с трудом. Для достижения хотя бы удовлетворительного результата рекомендуется при засветке снимать как минимум в 10-20 раз больше минимально допустимого для матрицы.

Производители предложили ряд технических решений для повышения чувствительности КМОП-матриц и уменьшения потерь света при захвате изображения. Для этого в основном используется один принцип: вывести светочувствительный элемент как можно ближе к микролинзе матрицы, собирающей свет. Sony первой представила свою технологию Exmor, которая сократила путь света через матрицу:

Затем прогрессивные производители вместе перешли на использование матриц с задней подсветкой, что позволяет не только сократить путь света через матрицу, но и чтобы увеличить полезную площадь светочувствительного слоя, поместив его поверх других электронных элементов в ячейке:

Технология подсветки дает камере максимальную чувствительность.Отсюда вывод - «при прочих равных» лучше покупать камеру с матрицей с подсветкой, чем без нее.

Для улучшения изображения в условиях низкой освещенности на малочувствительных недорогих матрицах производители фотоаппаратов могут использовать различные уловки. Например, режим «медленной выдержки» или, проще говоря, режим медленной выдержки. Однако «размазание» контуров движущихся объектов уже на этапе фиксации изображения с матрицей в этом режиме не позволяет говорить о чуточку качественной видеосъемке, поэтому такой подход совершенно неприемлем в охранное наблюдение, где важны детали.

Несомненным прорывом в качестве изображения стало появление технологии Starlight, впервые представленной в камерах Bosch в 2012 году. Эта технология, благодаря сочетанию огромной светочувствительности матрицы (порядка 0,0001 - 0,001 люкс) и самой высокой эффективная технология шумоподавления, позволившая получать очень качественные цветные изображения с видеокамер в условиях низкой освещенности и даже ночью.

В то время как традиционный способ преодоления слабой освещенности - использование ИК-подсветки - позволяет получить четкое изображение только в монохромном режиме (оттенки серого), камеры с технологией Starlight позволяют получить гораздо большее цветное изображение. Информация.В частности, при слабом освещении система видеонаблюдения с технологией Starlight может легко различать цвета автомобилей, одежды и других важных знаков.

Вот демонстрация технологии Starlight в действии:

Summary

Выбирая камеру наблюдения, обязательно обращайте внимание на характеристики матрицы, а не только на ее разрешение. Ведь от этого во многом будет зависеть качество изображения, а, следовательно, и полезность камеры. В первую очередь следует обратить внимание на надежную марку, размер и разрешение матрицы, светочувствительность важна только для камер без ИК-подсветки.

Очень рекомендую взять камеру с матрицей, по которой можно найти вменяемый даташит с подробной информацией, а не покупать кота в мешке. Например, вы можете легко найти спецификации для матриц ON Semiconductor, Omnivision или Sony. А вот более-менее подробные характеристики матриц SOI днем ​​с фонарем не найти. Есть подозрение, что производителю есть что скрывать ...

Но общий результат таков: CMOS-матрицы безоговорочно победили в устройствах видеонаблюдения и в ближайшее время не собираются отказываться от конкурирующих технологий.

2016-11-28 15:10:42 0 1493

Какая матрица лучше CMOS или CCD?

В последние годы матрицы CCD (устройство с зарядовой связью, CCD - устройство с обратной связью по заряду) и CMOS (дополнительная логика металл-оксид-полупроводник, дополнительная логика CMOS на транзисторах металл-оксид-полупроводник) продолжают бороться друг с другом. У каждого есть свои плюсы и минусы, и мы сейчас их рассмотрим.

Матрицы

CCD и CMOS постоянно подвергаются различным тестам, чтобы выяснить, кто лучше.

Для начала рассмотрим схему того, как выглядят эти матрицы.


Преимущества и недостатки КМОП-матриц

Одной из основных причин широкого использования КМОП-матриц является низкая стоимость производства и низкое энергопотребление, а также высокая производительность.

Матрицы

CMOS имеют возможность произвольного чтения ячеек, в то время как матрица CCD считывает все ячейки сразу.

Благодаря такому способу считывания, CMOS-матрицы не обладают так называемым эффектом «smiring» (от англ. Blur - смазывание), который присущ матрицам CCD и проявляется в кадре в виде вертикальных «столбиков света» от яркого света. точечные объекты, например, солнце, фонари.

Несмотря на достоинства, технология CMOS имеет свои недостатки. Светочувствительный элемент чрезвычайно мал по сравнению с площадью пикселя. Львиную долю площади занимает встроенная в пиксель электроника. Это сказывается на низкой чувствительности, а предварительное усиление сигнала приводит к увеличению шума на картинке.

Помимо прочего, CMOS имеет эффект скользящего затвора. Это связано с тем, что считывание сигнала происходит построчно.

На самом деле эффект роллингаттера заметен при съемке быстро движущихся объектов.Читая сначала верхние строки, а затем нижние, изображение может исказиться. Например, можно продлить движущиеся автомобили.



Преимущества и недостатки ПЗС матриц Технология

CCD существует уже много лет, за эти годы она была значительно модернизирована и имеет ряд преимуществ по сравнению с CMOS.

Камеры на базе ПЗС

имеют более совершенный электронный затвор, что особенно важно для съемки быстро движущихся объектов или изображений.

Еще одна отличительная черта - низкий уровень шума и высокая чувствительность в ближнем инфракрасном диапазоне. Благодаря этому ПЗС-матрица хорошо справляется с плохой освещенностью.

ПЗС-датчики

не имеют вибрации и эффекта рольставни, что характерно для КМОП. Например, посмотрите видео, в котором сравниваются ПЗС-матрицы и КМОП-датчики.

Выводы. Так какая матрица лучше для автомобильных видеокамер?
Исходя из вышесказанного, можно сделать следующие выводы:
Камеры, оснащенные ПЗС-матрицей:
+ лучше работают в темноте; + не искажать движущиеся предметы; + иметь более насыщенные цвета; - чувствительны к точечным источникам света;
Камеры с CMOS сенсором:
+ дешевле, иногда вдвое; -искажение динамического изображения; матрица камеры выполняет функцию оцифровки параметров света на ее поверхности.На сегодняшний день рынок фотооборудования разделен на два лагеря: устройства с CMOS-матрицей и устройства с CCD-матрицей. Говорить о приоритете одной технологии над другой нельзя, хотя доля CMOS в отчетах о продажах несколько выше, но это объясняется объективными требованиями пользователя, а не свойствами самих матриц. Часто в процессе выбора решающее значение имеет стоимость.

Определение

Матрица ПЗС - микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов и созданная на кремниевой основе.Работа основана на принципе действия устройства с зарядовой связью.

CMOS Matrix - микросхема, созданная на основе полевых транзисторов с изолированным затвором с каналами разной проводимости.

Сравнение

Ключевое различие между CMOS и CCD матрицами заключается в совершенно разных принципах работы. CCD оцифровывает полученное аналоговое изображение, CMOS - сразу каждый пиксель изображения. Чуть подробнее: электрический заряд в пикселях (светодиодах) ПЗС-матрицы преобразуется в электрический потенциал, усиливается в аналоговом усилителе вне светочувствительного датчика и только после этого оцифровывается с помощью аналого-цифрового преобразователя. .Электрический заряд в пикселях CMOS-матрицы накапливается в конденсаторах, с которых снимается электрический потенциал, передается на аналоговый усилитель и тем же преобразователем оцифровывается. Некоторые новые матрицы CMOS оснащены усилителями аналогового сигнала, встроенными непосредственно в пиксель.

Еще один важный момент: количество усилителей для матриц CCD и CMOS разное. В последних больше усилителей, потому что качество изображения при передаче сигнала немного ухудшается.Поэтому именно ПЗС-матрица используется при создании фотооборудования, предназначенного для создания высокодетализированных изображений, например, для исследовательских, медицинских и промышленных целей. Мы сталкиваемся с КМОП каждый день: большинство фотоаппаратов в мобильной электронике основано именно на таких матрицах.

Качество получаемого изображения зависит от другого обстоятельства - плотности фотодиодов. Чем они ближе, тем меньше площади матрицы, где фотоны неактивны. ПЗС просто предлагает схему без зазоров между фотодиодами, а в КМОП они есть - есть транзисторы.

ПЗС-матрицы намного дороже КМОП и потребляют много энергии, поэтому устанавливать их там, где качество изображения близкое к среднему, нецелесообразно. ПЗС-матрицы обладают высокой чувствительностью, процент заполнения пикселей выше и достигает почти 100%, уровень шума низкий. Матрицы CMOS обеспечивают высокий уровень производительности, но уступают CCD по чувствительности и шумам. Технология CCD, в отличие от CMOS, не позволяет производить серийную съемку или запись видео. Поэтому их использование, например, в мобильной электронике не оправдано назначением самих устройств.Скажем так, CCD - это матрица для профессионального фотооборудования.

Веб-сайт выводы

  1. ПЗС - это матрица на основе кремния, работающая как устройство с зарядовой связью, КМОП - матрица на основе полевых транзисторов.
  2. Аналоговый сигнал в матрице CCD преобразуется вне светочувствительного сенсора, в матрице CMOS, непосредственно в пикселе.
  3. Качество изображения, полученного с ПЗС, выше, чем с КМОП.
  4. ПЗС-матрица более энергоемкая.
  5. CMOS позволяет снимать видео и делать серийные фотографии.
  6. CMOS получила широкое распространение в мобильной электронике.

Цифровое изображение в оптической микроскопии - Введение в КМОП-сенсоры изображения

Появление твердотельных устройств формирования изображений с высоким разрешением, в первую очередь устройств с зарядовой связью ( ПЗС, ) и дополнительных металлооксидных полупроводниковых ( КМОП ) датчиков изображения, привело к появлению возвестили новую эру в оптической микроскопии, которая угрожает затмить традиционные технологии записи изображений, такие как пленки, видеолампы и фотоумножители.Системы камер устройств с зарядовой связью, разработанные специально для микроскопии, предлагаются многочисленными производителями оригинального оборудования и послепродажного обслуживания, а КМОП-датчики изображения теперь становятся доступными для некоторых микроскопов.

Обе технологии были разработаны в период с начала до конца 1970-х годов, но КМОП-датчики имели неприемлемые характеристики и до начала 1990-х годов обычно игнорировались или считались просто диковинкой. К тому времени достижения в области проектирования CMOS привели к появлению чипов с меньшими размерами пикселей, уменьшенным шумом, более мощными алгоритмами обработки изображений и более крупными массивами изображений.Среди основных преимуществ КМОП-датчиков - низкое энергопотребление, основная тактовая частота и источник питания с одним напряжением, в отличие от ПЗС-матриц, которые часто требуют 5 или более напряжений питания при разных тактовых частотах со значительно более высоким энергопотреблением. И КМОП, и ПЗС-чипы воспринимают свет с помощью аналогичных механизмов, используя фотоэлектрический эффект , который возникает, когда фотоны взаимодействуют с кристаллизованным кремнием, продвигая электроны из валентной зоны в зону проводимости.Обратите внимание, что термин «CMOS» относится к процессу изготовления датчика изображения, а не к конкретной технологии формирования изображения.

Когда широкий диапазон длин волн видимого света падает на специально легированные кремниевые полупроводниковые материалы, высвобождается переменное количество электронов пропорционально плотности потока фотонов, падающих на поверхность фотодиода. Фактически, количество образовавшихся электронов зависит от длины волны и интенсивности света, падающего на полупроводник.Электроны собираются в потенциальной яме до завершения периода интегрирования (освещения), а затем они либо преобразуются в напряжение (процессоры CMOS), либо передаются в измерительный регистр (датчики CCD). Измеренное напряжение или заряд (после преобразования в напряжение) затем пропускается через аналого-цифровой преобразователь, который формирует цифровое электронное представление сцены, отображаемой датчиком.

Фотодиод, часто называемый пикселем, является ключевым элементом цифрового датчика изображения.Чувствительность определяется сочетанием максимального заряда, который может накапливаться фотодиодом, в сочетании с эффективностью преобразования падающих фотонов в электроны и способностью устройства накапливать заряд в ограниченной области без утечки или побочного эффекта. Эти факторы обычно определяются физическим размером и апертурой фотодиода, а также его пространственным и электронным отношением к соседним элементам в матрице. Другим важным фактором является коэффициент преобразования заряда в напряжение, который определяет, насколько эффективно интегрированный заряд электронов преобразуется в сигнал напряжения, который может быть измерен и обработан.Фотодиоды обычно организованы в виде ортогональной сетки, размер которой может варьироваться от 128 × 128 пикселей (16 тыс. Пикселей) до более распространенного 1280 × 1024 (более миллиона пикселей). Некоторые из новейших датчиков изображения CMOS, например, разработанные для телевидения высокой четкости ( HDTV ), содержат несколько миллионов пикселей, организованных в очень большие массивы размером более 2000 квадратных пикселей. Сигналы от всех пикселей, составляющих каждую строку и каждый столбец массива, должны быть точно обнаружены и измерены (считаны), чтобы собрать изображение из данных накопления заряда фотодиода.

В оптической микроскопии свет, собранный объективом, фокусируется проекционной линзой на поверхность датчика, содержащую двумерный массив идентичных фотодиодов, называемых элементами изображения или пикселями . Таким образом, размер массива и размеры в пикселях определяют пространственное разрешение датчика. Интегральные схемы CMOS и CCD по своей сути являются монохроматическими (черно-белыми) устройствами, реагирующими только на общее количество электронов, накопленных в фотодиодах, а не на цвет света, вызывающий их высвобождение из кремниевой подложки.Цвет определяется либо путем прохождения падающего света через последовательный ряд красных, зеленых и синих фильтров, либо с помощью миниатюрных прозрачных полимерных тонкопленочных фильтров, которые нанесены мозаичным узором на массив пикселей.

Анатомия фотодиода CMOS

Основным преимуществом CMOS-датчиков изображения по сравнению с их аналогами CCD является возможность интегрировать ряд функций обработки и управления, которые выходят за рамки основной задачи сбора фотонов, непосредственно на датчике Интегральная схема.Эти функции обычно включают в себя временную логику, управление экспозицией, аналого-цифровое преобразование, затвор, баланс белого, регулировку усиления и алгоритмы начальной обработки изображения. Для выполнения всех этих функций архитектура интегральной схемы КМОП больше напоминает архитектуру ячейки памяти с произвольным доступом, чем простую матрицу фотодиодов. Наиболее популярные конструкции КМОП построены на основе технологии активных пикселей ( APS ), в которой фотодиод и усилитель считывания встроены в каждый пиксель.Это позволяет заряду, накопленному фотодиодом, преобразовываться в усиленное напряжение внутри пикселя, а затем передаваться в последовательных строках и столбцах в блок обработки аналогового сигнала микросхемы.

Таким образом, каждый пиксель (или элемент изображения) содержит, помимо фотодиода, триаду транзисторов, которые преобразуют накопленный заряд электронов в измеряемое напряжение, сбрасывают фотодиод и передают напряжение на шину вертикального столбца. Результирующий массив представляет собой организованную шахматную доску из металлических шин считывания, которые содержат фотодиод и соответствующие схемы подготовки сигнала на каждом перекрестке.Шины подают синхронизирующие сигналы на фотодиоды и возвращают считываемую информацию обратно в схему аналогового декодирования и обработки, размещенную вдали от матрицы фотодиодов. Эта конструкция позволяет считывать сигналы от каждого пикселя в массиве с помощью простых методов адресации x, y , что невозможно с современной технологией CCD.

Архитектура типичного датчика изображения CMOS представлена ​​на рисунке 1 для кристалла интегральной схемы, который содержит активную область изображения 640 × 480 пикселей.Матрица фотодиодов, расположенная в большой красновато-коричневой центральной области чипа, покрыта упорядоченным тонким слоем полимерных фильтров, окрашенных в красный, зеленый и синий цвета, размер каждого из которых соответствует размеру отдельного фотодиода (аналогично технология, используемая для цветных ПЗС-матриц). Чтобы сконцентрировать падающие фотоны в лунках фотодиода для сбора электронов, отфильтрованные фотодиоды также размещаются под миниатюрной линзой с положительным мениском (см. Рисунки 2, 3 и 4), известной как микролинза, или линзовидная матрица.На вставке к рисунку 1 показаны фильтры и матрица микролинз в большом увеличении. В интегральную схему, показанную на рисунке 1, также включена схема обработки аналоговых сигналов, которая собирает и интерпретирует сигналы, генерируемые матрицей фотодиодов. Затем эти сигналы отправляются в схемы аналого-цифрового преобразования, расположенные рядом с матрицей фотодиодов в верхней части микросхемы (как показано на рисунке 1). К другим функциям, выполняемым датчиком изображения CMOS, относятся синхронизация по времени для пошаговой генерации заряда, сбора, передачи и измерения напряжения, а также обработка изображения и вывод накопленных сигналов.

Более пристальный взгляд на матрицу фотодиодов показывает последовательный узор из красного, зеленого и синего фильтров, которые расположены в виде мозаики, названной в честь инженера Kodak Брайса Э. Байера. Эта матрица цветных фильтров (шаблон фильтра Bayer ) предназначена для захвата информации о цвете от широкополосного падающего света, поступающего от системы оптических линз. Фильтры расположены в квартете (рис. 2 (а) и рис. 2 (б)), упорядоченными в последовательные ряды, в которых чередуются красный и зеленый или синий и зеленый фильтры (рис. 2 (а)).На рисунке 2 представлены цифровые изображения, полученные с помощью оптического микроскопа высокого разрешения типичной матрицы фильтров Байера и нижележащих фотодиодов. На рис. 2 (а) показан вид чередующихся рядов фильтров. Каждый красный фильтр окружен четырьмя зелеными и четырьмя синими фильтрами, а каждый синий фильтр окружен четырьмя красными и четырьмя зелеными фильтрами. Напротив, каждый зеленый фильтр окружен двумя красными, четырьмя зелеными и двумя синими фильтрами. Изображение с большим увеличением основного повторяющегося блока представлено на рисунке 2 (b) и содержит один красный, один синий и два зеленых фильтра, благодаря чему общее количество зеленых фильтров в массиве равно количеству красных и синих фильтров. комбинированный.Сильный акцент на зеленых фильтрах обусловлен зрительной реакцией человека, которая достигает максимальной чувствительности в 550-нанометровом (зеленом) диапазоне длин волн видимого спектра.

Также на рисунке 2 (b) показана небольшая часть матрицы микролинз (также называемая линзами , ), нанесенная фотолитографией на поверхность фильтров Байера и выровненная так, что каждая линза перекрывает отдельный фильтр. Форма миниатюрных линз приближается к форме линзы с выпуклым мениском и служит для фокусировки падающего света непосредственно в светочувствительную область фотодиода.Под решетками фильтров Байера и микролинз находятся сами фотодиоды, которые показаны на рисунке 2 (c) в виде четырех полных сборок фотодиодов или блоков пикселей. Один из фотодиодов на Рисунке 2 (c) обозначен большой белой рамкой (верхний правый угол), которая также содержит меньшую прямоугольную рамку внутри большей сетки. Белые прямоугольники обозначены буквами P и T , которые относятся к области сбора фотонов (светочувствительной) и опорной транзисторной области пикселя, соответственно.

Как видно из изучения элементов фотодиода на рисунке 2 (c), большая часть области пикселя (приблизительно 70 процентов в этом примере) отведена вспомогательным транзисторам (усилитель, сброс и выбор строки), которые относительно непрозрачен для фотонов видимого света и не может использоваться для обнаружения фотонов. Остальные 30 процентов (меньшее белое поле, обозначенное P на рисунке 2 (c)) представляют собой светочувствительную часть пикселя. Поскольку такая небольшая часть фотодиода действительно способна поглощать фотоны для генерации заряда, коэффициент заполнения или апертура КМОП-чипа и фотодиодов, показанных на рисунках 1, 2 и 3, составляют только 30 процентов от общего количества фотодиода. площадь поверхности массива.Следствием этого является значительная потеря чувствительности и соответствующее снижение отношения сигнал / шум, что приводит к ограниченному динамическому диапазону. Коэффициенты заполнения различаются от устройства к устройству, но в целом они составляют от 30 до 80 процентов площади пикселей в датчиках CMOS.

Проблема пониженного коэффициента заполнения усугубляется тем, что поглощение фотонов зависит от длины волны, термин, который правильно называют квантовой эффективностью датчиков изображения CMOS и CCD. Три основных механизма препятствуют сбору фотонов светочувствительной областью: поглощение, отражение и пропускание.Как обсуждалось выше, более 70 процентов площади фотодиода может быть экранировано транзисторами и составными или чередующимися линиями металлических шин, которые являются оптически непрозрачными и поглощают или отражают большинство падающих фотонов, сталкивающихся со структурами. Эти уложенные друг на друга слои металла также могут вызывать нежелательные эффекты, такие как виньетирование, перекрестные помехи между пикселями, рассеяние света и дифракция.

Отражение и прохождение падающих фотонов происходит в зависимости от длины волны, с высоким процентом отражения более коротких длин волн (менее 400 нанометров), хотя эти потери могут (в некоторых случаях) распространяться в видимой области спектра.Многие КМОП-сенсоры имеют желтое полиимидное покрытие, нанесенное во время изготовления, которое поглощает значительную часть синего спектра до того, как эти фотоны достигнут области фотодиода. Уменьшение или минимизация использования слоев поликремния и полиимида (или полиамида) является основной задачей при оптимизации квантовой эффективности в этих датчиках изображения.

Более короткие волны поглощаются в первых нескольких микронах светочувствительной области, но постепенно более длинные волны проникают на большую глубину, прежде чем полностью поглощаются.Кроме того, самые длинные видимые длины волн (превышающие 650 нанометров) часто проходят через светочувствительную область, не улавливаясь (или не генерируя заряд электрона), что приводит к другому источнику потери фотонов. Хотя применение массивов микролинз помогает фокусировать и направлять входящие фотоны в светочувствительную область и может удвоить чувствительность фотодиода, эти крошечные элементы также демонстрируют селективность, основанную на длине волны и углу падения.

На рисунке 3 представлен трехмерный разрез типичного пикселя активного датчика CMOS, иллюстрирующий светочувствительную область (фотодиод), шины, микролинзы, фильтр Байера и три поддерживающих транзистора.Как обсуждалось выше, каждый элемент APS в датчике изображения CMOS содержит транзистор усилителя, который представляет устройство ввода того, что обычно называют повторителем источника (нагрузка повторителя источника является внешней по отношению к пикселю и общей для всех пикселей. в столбик). Истоковый повторитель - это простой усилитель, который преобразует электроны (заряд), генерируемые фотодиодом, в напряжение, которое выводится на шину столбца. Кроме того, пиксель также имеет транзистор сброса для управления временем интегрирования или накопления фотонов и транзистор выбора строки, который подключает вывод пикселя к шине столбца для считывания.Все пиксели в определенном столбце подключаются к усилителю считывания.

При работе первым шагом к захвату изображения является инициализация транзистора сброса, чтобы слить заряд из светочувствительной области и смещать фотодиод в обратном направлении. Затем начинается период интегрирования, и свет, взаимодействуя с фотодиодной областью пикселя, производит электроны, которые накапливаются в кремниевой потенциальной яме, лежащей под поверхностью (см. Рисунок 3). По окончании периода интегрирования включается транзистор выбора строки, подключая транзистор усилителя в выбранном пикселе к его нагрузке, чтобы сформировать истоковый повторитель.Таким образом, заряд электрона в фотодиоде преобразуется в напряжение с помощью повторителя источника. Результирующее напряжение появляется на шине колонки и может быть обнаружено усилителем считывания. Затем этот цикл повторяется для считывания каждой строки в датчике для получения изображения.

Одним из основных недостатков трехпиксельной конструкции APS является относительно высокий уровень артефакта, известного как фиксированный шаблонный шум ( FPN ). Изменения в усилении и смещении транзистора усилителя, которые являются фундаментальной проблемой из-за колебаний технологического процесса CMOS во время производства, приводят к несоответствию выходных характеристик транзистора по всему массиву.В результате на захваченных изображениях видна структура шума, которая является постоянной и воспроизводимой от одного изображения к другому. В большинстве случаев фиксированный структурный шум может быть значительно уменьшен или устранен путем настройки схемы обработки аналогового сигнала, расположенной на периферии массива, или путем электронного вычитания темного изображения (коррекция плоского поля).

Массивы мозаичных фильтров и реконструкция изображения

Несбалансированная природа мозаичных массивов фильтров Байера, содержащих вдвое больше зеленых фильтров, чем синих или красных, также может представлять проблему с точки зрения точной цветопередачи отдельных пикселей.Типичные спектральные профили пропускания обычных красителей, используемых в конструкции фильтров Байера, представлены на рисунке 4. Квантовая эффективность красных фильтров значительно выше, чем у зеленого и синего фильтров, которые близки друг к другу по общей эффективности. Обратите внимание на относительно большую степень спектрального перекрытия между фильтрами, особенно в области от 520 до 620 нанометров (зеленый, желтый и оранжевый).

Часто возникает вопрос о точном характере цветопередачи и пространственного разрешения матриц фотодиодов, имеющих пиксели, разделенные на основные элементы шаблона фильтра Байера.Матрица фотодиодов с размерами пикселей 640 × 480 пикселей содержит всего 307 200 пикселей, что дает 76 800 квартетов Байера. Означает ли это, что реальное полезное пространственное разрешение изображения уменьшено до 320 × 240 пикселей? К счастью, пространственное разрешение в первую очередь определяется компонентом яркости цветных изображений, а не компонентом цветности (цвета). Это происходит потому, что человеческий мозг позволяет добавлять довольно грубую информацию о цвете к точной пространственной информации и объединяет их почти без проблем.Кроме того, фильтры Байера имеют широкие полосы пропускания по длине волны (см. Рисунок 4) с большими областями перекрытия, что позволяет пространственной информации из других спектральных областей проходить через фильтры, передавая каждый цвет со значительной степенью пространственной информации.

Например, рассмотрим объект, который отражает значительное количество желтого света (с центром на 585 нм) в систему линз цифровой камеры CMOS. Изучая спектры пропускания фильтра Байера на рисунке 4, становится очевидным, что красный и зеленый фильтры пропускают идентичное количество света в этой области длин волн.Кроме того, синие фильтры также пропускают приблизительно 20 процентов длин волн, прошедших через другие фильтры. Таким образом, три из четырех фильтров Байера в каждом квартете пропускают равное количество желтого света, в то время как четвертый (синий) фильтр также пропускает часть этого света. Напротив, синий свет с более низкой длиной волны (435 нанометров; см. Рисунок 4) проходит только через синие фильтры в какой-либо значительной степени, снижая как чувствительность, так и пространственное разрешение изображений, состоящих в основном из света в этой области видимого спектра.

После того, как необработанное изображение было получено из матрицы фотодиодов CMOS, покрытой шаблоном цветных фильтров Байера, оно должно быть преобразовано в стандартный красный, зеленый и синий ( RGB ) формат с помощью методологии интерполяции. Этот важный шаг необходим для создания изображения, которое точно представляет сцену, отображаемую электронным датчиком. Для выполнения этой задачи доступны различные сложные и хорошо зарекомендовавшие себя алгоритмы обработки изображений (непосредственно на интегральной схеме после захвата изображения), включая методы ближайшего соседа , линейных , кубических и кубических сплайнов .Чтобы определить правильный цвет для каждого пикселя в массиве, алгоритмы усредняют значения цвета выбранных соседних пикселей и производят оценку цвета (цветности) и интенсивности (яркости) для каждого пикселя в массиве. На рисунке 5 (a) представлено необработанное изображение шаблона Байера до реконструкции с помощью интерполяции, а на рисунке 5 (b) представлены результаты, полученные после обработки с помощью версии алгоритма линейной интерполяции с корректировкой корреляции.

В качестве примера того, как работает интерполяция цвета, рассмотрим один из зеленых пикселей, вложенных в центральную область массива фильтров Байера.Пиксель окружен двумя синими, двумя красными и четырьмя зелеными пикселями, которые являются его ближайшими соседями. Алгоритмы интерполяции производят оценку красных и синих значений зеленого пикселя, исследуя значения цветности и яркости соседних красных и синих пикселей. Та же процедура повторяется для каждого пикселя в массиве. Этот метод дает отличные результаты при условии, что цвет изображения изменяется медленно на большом количестве пикселей, но может также страдать от артефактов, таких как наложения на краях и граничных областях, где происходят большие переходы цвета и / или интенсивности.

Чтобы улучшить квантовую эффективность и спектральный отклик, несколько разработчиков КМОП обращаются к использованию массивов цветных фильтров на основе основных субтрактивных цветов: голубого, желтого и пурпурного ( CMY ) вместо стандартных аддитивных основных красных цветов. , зеленый и синий ( RGB ), которые обсуждались выше. Среди преимуществ использования массивов фильтров CMY - повышенная чувствительность, приводящая к улучшенному пропусканию света через фильтр, и более сильный сигнал.Это происходит потому, что красители для субтрактивных фильтров демонстрируют пониженное поглощение световых волн в видимой области по сравнению с соответствующими аддитивными фильтрами. В отличие от красного, зеленого и синего фильтров, которые представляют собой композиты из двух или более слоев, обеспечивающих аддитивное поглощение, фильтры CMY применяются в виде одного слоя, который имеет превосходные характеристики светопропускания. Обратной стороной фильтров CMY является более сложная матрица коррекции цвета, необходимая для преобразования данных CMY, собранных с датчика, в значения RGB, которые необходимы для печати или отображения изображений на мониторе компьютера.Эти алгоритмы приводят к возникновению дополнительного шума во время преобразования цвета, но повышенная чувствительность, полученная с помощью массивов фильтров CMY, часто может компенсировать проблемы, возникающие во время обработки изображения.

Источники и способы устранения шума

Основной проблемой CMOS-датчиков изображения является высокий уровень шума, который становится очевидным при изучении изображений, создаваемых этими устройствами. Достижения в сенсорной технологии позволили тщательно интегрировать схемы обработки сигналов вместе с массивом изображений, что существенно ослабило многие источники шума и значительно улучшило характеристики CMOS.Однако другие типы шума часто беспокоят как дизайнеров, так и конечных пользователей. Как обсуждалось выше, фиксированный структурный шум практически устранен современными методами обработки сигналов КМОП после захвата, но с другими формами, такими как дробовой фотонный шум, темновой ток, шум сброса и тепловой шум, не так легко справиться.

Во время инициализации или сброса фотодиода транзистором сброса генерируется большая шумовая составляющая, называемая шумом kTC (или сброса), которую трудно удалить без усовершенствованной схемы.Аббревиатура k относится к постоянной Больцмана, T - это рабочая температура, а C - полная емкость, возникающая на входном узле транзистора усилителя и складывающаяся из суммы емкости фотодиода и входной емкости усилитель транзисторный. Шум сброса может серьезно ограничить отношение сигнал / шум датчика изображения. Как сброс, так и другой источник шума, обычно называемый усилителем или 1 / f низкочастотным шумом, можно контролировать с помощью метода, известного как коррелированная двойная выборка ( CDS ), который должен быть реализован путем добавления четвертый «измерительный» (или перевод ) транзистор на каждый пиксель.Алгоритм двойной дискретизации работает путем измерения только шума сброса или усилителя, а затем вычитания объединенного сигнала изображения плюс шум сброса.

Фотонный дробовой шум отчетливо проявляется на захваченных изображениях как случайный узор, который возникает из-за временных изменений выходного сигнала из-за статистических флуктуаций освещенности. Каждый фотодиод в матрице производит немного разный уровень дробового шума фотонов, который в крайнем случае может серьезно повлиять на работу датчика изображения CMOS.Этот тип шума является основным источником шума для сигналов, намного превышающих собственный уровень шума датчика, и присутствует в каждом датчике изображения, включая ПЗС-матрицы. Темновой ток генерируется артефактами, которые производят сигнальный заряд (электроны) в отсутствие освещения и могут демонстрировать значительную степень флуктуации от пикселя к пикселю, что сильно зависит от условий эксплуатации. Этот тип шума чувствителен к температуре и может быть удален путем охлаждения датчика изображения или с помощью дополнительного хранилища кадров, которое помещается в оперативную память и вычитается из захваченного изображения.

Темновой ток практически невозможно устранить, но его можно уменьшить за счет использования технологии фотодиодов с штырями во время изготовления КМОП-сенсора. Чтобы создать закрепленный пиксель фотодиода, неглубокий слой кремния типа P наносится на поверхность типичной светочувствительной области с ячейкой N , чтобы создать сэндвич с двойным переходом, который изменяет спектральный отклик пикселя в видимом свете. Поверхностный переход оптимизирован для реагирования на более низкие длины волн (синий), в то время как более глубокий переход более чувствителен к более длинным волнам (красным и инфракрасным).В результате электроны, собранные в потенциальной яме, удерживаются вблизи области N , вдали от поверхности, что приводит к уменьшению темнового тока и связанных с ним шумовых элементов. На практике может быть сложно создать закрепленный пиксель фотодиода, который производит полный сброс в среде с низким напряжением, в которой работают датчики CMOS. Если условие полного сброса не достигается, в матрицу может быть внесена задержка с соответствующим увеличением шума транзистора сброса.Другими преимуществами технологии закрепленных фотодиодов являются улучшенный отклик на синий цвет из-за улучшенного захвата коротковолнового излучения видимого света вблизи границы раздела P - слой кремния.

Транзисторы, конденсаторы и шины, переплетенные между светочувствительными областями пикселей, ответственны за создание теплового шума в датчиках изображения CMOS. Этот тип шума можно уменьшить путем точной настройки полосы пропускания тепловизора, увеличения выходного тока или охлаждения системы камеры.Во многих случаях последовательность считывания пикселей КМОП может использоваться для уменьшения теплового шума путем ограничения полосы пропускания каждого транзисторного усилителя. Непрактично добавлять сложное и дорогое устройство охлаждения Пельтье или подобное к недорогим датчикам изображения CMOS, поэтому эти устройства обычно не используются для снижения шума.

Пиксельная архитектура CMOS

В современных датчиках изображения CMOS используются две основные архитектуры светочувствительных пиксельных элементов: фотодиоды и фотозатворы (см. Рисунок 6).В целом конструкции фотодиодов более чувствительны к видимому свету, особенно в коротковолновой (синей) области спектра. Устройства с фотозатвором обычно имеют большие области пикселей, но более низкий коэффициент заполнения и гораздо более низкий отклик на синий свет (и общую квантовую эффективность), чем фотодиоды. Однако фотозатворы часто достигают более высоких уровней усиления преобразования заряда в напряжение и могут легко использоваться для выполнения коррелированной двойной выборки для достижения разности кадров.

Активные пиксельные датчики Photogate используют несколько аспектов технологии CCD для снижения шума и повышения качества изображений, полученных с помощью датчиков изображения CMOS.Заряд, накопленный под фотозатвором во время интеграции, локализуется в потенциальной яме, управляемой транзистором доступа. Во время считывания схема опорного пикселя выполняет двухэтапную передачу заряда (в виде напряжения) на выходную шину. Первый шаг происходит путем преобразования накопленного заряда в измеряемое напряжение транзистором усилителя. Затем на передаточный вентиль подается импульс, чтобы инициировать перенос заряда от светочувствительной области к выходному транзистору, а затем он передается на шину столбца.Этот метод передачи позволяет использовать две возможности дискретизации сигнала, которые можно использовать за счет эффективной конструкции для улучшения снижения шума. Выход пикселя сначала дискретизируется после сброса фотодиода и еще раз после интегрирования заряда сигнала. Путем вычитания первого сигнала из второго для удаления низкочастотного шума сброса архитектура активного пикселя фотозатвора может выполнять коррелированную двойную выборку.

Основным преимуществом конструкции фотозатвора является снижение уровня шума при работе при слабом освещении по сравнению с фотодиодными датчиками.КМОП-сенсоры на основе фотодиодов полезны для потребительских приложений среднего уровня, которым не требуются высокоточные изображения с низким уровнем шума, превосходным динамическим диапазоном и цветовыми характеристиками с высоким разрешением. Оба устройства используют экономичные требования к питанию, которые могут быть удовлетворены с помощью аккумуляторов, низковольтных источников питания от компьютерных интерфейсов (USB и FireWire) или других источников питания постоянного тока. Обычно требования к напряжению для КМОП-процессора составляют от 3,3 до 5,0 вольт, но в новых конструкциях переходят на значения, которые уменьшены вдвое.

Последовательность работы датчика изображения CMOS

В большинстве конструкций матриц фотодиодов CMOS область активных пикселей окружена областью оптически экранированных пикселей, расположенных в 8–12 строк и столбцов, которые используются для компенсации уровня черного. Массив фильтров Байера (или CMY) начинается с верхнего левого пикселя в первой неэкранированной строке и столбце. Когда начинается каждый период интегрирования, все пиксели в одной строке будут сброшены встроенной схемой синхронизации и управления, по одной строке за раз, переходя от первой к последней строке, каталогизированной регистром адреса линии (см. Рисунок 7).Для сенсорного устройства с аналоговым выходом, когда интеграция завершена, та же схема управления передаст интегрированное значение каждого пикселя в коррелированную схему двойной выборки (блок CDS на рисунке 7), а затем в регистр горизонтального сдвига. После загрузки регистра сдвига информация о пикселях будет последовательно сдвигаться (по одному пикселю за раз) на аналоговый видеоусилитель. Коэффициент усиления этого усилителя регулируется аппаратно или программно (а в некоторых случаях их комбинацией).В отличие от этого, датчики изображения CMOS с цифровым считыванием используют аналого-цифровой преобразователь для каждого столбца, и преобразование выполняется параллельно для каждого пикселя в строке. Затем для вывода данных используется цифровая шина, имеющая ширину, равную количеству битов, по которым выполняется преобразование. В этом случае «поочередно» сдвигаются только цифровые значения. На этом этапе к пикселям часто применяются алгоритмы баланса белого.

После того, как значения усиления и смещения установлены в видеоусилителе (обозначенном Video Amp на рисунке 7), информация о пикселях затем передается в аналого-цифровой преобразователь, где она преобразуется в линейный цифровой массив двоичных данных. цифры.Впоследствии данные цифровых пикселей дополнительно обрабатываются для удаления дефектов, которые возникают в «плохих» пикселях, и для компенсации уровней черного перед их кадрированием и представлением на порт цифрового вывода. Алгоритм компенсации уровня черного (часто называемый фиксатором частоты кадров ) вычитает средний уровень сигнала черных пикселей, окружающих массив, из цифрового видеовыхода для компенсации зависящих от температуры и времени уровней темнового шума в массиве активных пикселей. .

Следующим шагом в последовательности является восстановление изображения (см. Рисунок 7) и применение основных алгоритмов, необходимых для подготовки окончательного изображения для кодирования дисплея.Интерполяция ближайшего соседа выполняется для пикселей, которые затем фильтруются с помощью алгоритмов сглаживания и масштабируются. Дополнительные шаги обработки изображений в механизме восстановления часто включают в себя предотвращение виньетирования, коррекцию пространственного искажения, баланс белого и черного, сглаживание, резкость, цветовой баланс, коррекцию диафрагмы и регулировку гаммы. В некоторых случаях датчики изображения CMOS оснащены вспомогательными схемами, которые обеспечивают встроенные функции, такие как анти-дрожание (стабилизация изображения) и сжатие изображения.Когда изображение обработано в достаточной степени, оно отправляется в процессор цифровых сигналов для буферизации в выходной порт.

Поскольку датчики изображения CMOS способны получать доступ к данным отдельных пикселей по всей матрице фотодиодов, их можно использовать для выборочного чтения и обработки только выбранной части пикселей, захваченных для конкретного изображения. Этот метод известен как окно (или считывание интересующего окна ) и значительно расширяет возможности обработки изображений с помощью этих датчиков.Управление окнами осуществляется непосредственно на микросхеме через схему синхронизации и управления, что позволяет осуществлять доступ к окну любого размера в любой позиции в пределах активной области массива и отображать его с разрешением один к одному. Эта функция может быть чрезвычайно полезной, когда необходимо временное отслеживание движения объекта в одной подобласти изображения. Его также можно использовать для встроенного управления электронным панорамированием, масштабированием, ускоренным считыванием и наклоном выбранной части или всего изображения.

Большинство высококачественных КМОП-сенсоров имеют несколько режимов считывания (аналогичные тем, которые используются в ПЗС-сенсорах) для повышения универсальности программирования интерфейса программного обеспечения и опалубки. Прогрессивная развертка Режим считывания позволяет последовательно получать доступ к каждому пикселю в каждой строке в матрице фотодиодов (по одному пикселю за раз), начиная с верхнего левого угла и заканчивая нижним правым углом. Другой популярный режим считывания называется с чересстрочной разверткой и работает путем считывания данных пикселей в двух последовательных полях, поле нечетное , за которым следует поле четное .Поля чередуются строками от верха массива к низу, и каждая строка группы записывается последовательно перед чтением следующей группы. Например, в датчике, имеющем 40 строк пикселей, сначала считываются первая, третья, пятая и так далее до 39-й строки, а затем вторая, четвертая, шестая до 40-й строки.

Электронная заслонка в датчиках изображения CMOS требует добавления одного или нескольких транзисторов к каждому пикселю, что несколько непрактично, учитывая и без того скомпрометированный коэффициент заполнения в большинстве устройств.Так обстоит дело с большинством датчиков изображения области сканирования. Однако были разработаны датчики с линейной разверткой, в которых транзисторы с затвором размещены рядом с активной областью пикселя, чтобы уменьшить нагрузку фактора заполнения. Многие разработчики реализовали решение с неоднородным поворотным затвором , , которое показывает последовательные строки в массиве в разные интервалы времени с использованием минимального количества транзисторов в пикселях. Хотя механизмы рольставни хорошо работают для неподвижных изображений, они могут создавать размытость при движении, приводящую к искажению изображения при высокой частоте кадров.Чтобы решить эту проблему, инженеры создали унифицированных синхронных затвора , которые одновременно открывают весь массив. Поскольку этот метод требует дополнительных транзисторов в каждом пикселе, существует некоторый компромисс в отношении коэффициентов заполнения, если одновременно не используются более крупные пиксели.

Динамический диапазон датчика изображения CMOS определяется максимальным количеством сигнальных электронов, накопленных фотодиодами (зарядная емкость), деленным на сумму всех компонентов шума считывания датчика ( минимальный уровень шума ), включая возникающие временные источники шума. за определенное время интеграции.Вклад всех источников темнового шума, таких как шум темнового тока, а также шум считывания пикселей и временной шум, возникающий из тракта прохождения сигнала (но не дробовой шум фотонов), включен в этот расчет. Минимальный уровень шума ограничивает качество изображения в темных областях изображения и увеличивается со временем экспозиции из-за дробового шума темнового тока. Фактически, поэтому динамический диапазон - это отношение наибольшего обнаруживаемого сигнала к наименьшему одновременно обнаруживаемому сигналу (минимальный уровень шума).Динамический диапазон часто указывается в уровнях серого , децибелах, или битах, , с более высокими отношениями сигнальных электронов к шуму, производящим более высокие значения динамического диапазона (больше децибел или битов). Обратите внимание, что динамический диапазон определяется характеристиками отношения сигнал-шум датчика, а битовая глубина является функцией аналого-цифрового преобразователя (ов), используемого в датчике. Таким образом, 12-битное цифровое преобразование соответствует чуть более 4000 уровней серого или 72 децибелам, в то время как 10-битное преобразование в цифровую форму может разрешить 1000 уровней серого, что является соответствующей битовой глубиной для динамического диапазона 60 децибел.По мере увеличения динамического диапазона датчика улучшается возможность одновременной регистрации самой тусклой и самой яркой интенсивности изображения (внутрисценовый динамический диапазон), а также возможности количественного измерения детектора. Межсценовый динамический диапазон представляет собой спектр интенсивностей, который может быть адаптирован, когда усиление детектора, время интегрирования, апертура объектива и другие переменные регулируются для различных полей зрения.

Одной из наиболее универсальных возможностей датчиков изображения CMOS является их способность захватывать изображения с очень высокой частотой кадров.Это позволяет записывать покадровые последовательности и видео в реальном времени через интерфейсы, управляемые программным обеспечением. Частота от 30 до 60 кадров в секунду является обычной, в то время как несколько высокоскоростных формирователей изображений могут достигать ускоренной скорости более 1000. Дополнительные схемы поддержки, включая сопроцессоры и внешнюю память с произвольным доступом, необходимы для создания систем камер, которые могут снимать преимущество этих функций.

Выводы

КМОП-датчики изображения изготавливаются по хорошо зарекомендовавшим себя стандартным кремниевым процессам на крупных заводах по производству полупроводниковых пластин, которые также производят соответствующие микросхемы, такие как микропроцессоры, схемы памяти, микроконтроллеры и процессоры цифровых сигналов.Огромное преимущество состоит в том, что цифровые логические схемы, драйверы тактовых импульсов, счетчики и аналого-цифровые преобразователи могут быть размещены на той же кремниевой основе и в то же время, что и матрица фотодиодов. Это позволяет CMOS-датчикам участвовать в процессах сжатия, которые перемещаются в сторону меньшей ширины линии с минимальными изменениями конструкции, аналогично другим интегральным схемам. Даже в этом случае, чтобы гарантировать устройства с низким уровнем шума и высокую производительность, стандартный процесс изготовления CMOS часто необходимо модифицировать, чтобы специально приспособить для этого датчики изображения.Например, стандартные методы КМОП для создания транзисторных переходов в логических микросхемах могут создавать высокие темновые токи и низкий отклик синего цвета при применении к устройству формирования изображения. Оптимизация процесса для датчиков изображения часто требует компромиссов, которые делают сценарий изготовления ненадежным для обычных устройств CMOS.

Размер пикселей продолжал сокращаться в течение последних нескольких лет, от гигантских пикселей 10-20 микрон, которые были главными в устройствах середины 1990-х годов, до сенсоров размером 6-8 микрон, которые в настоящее время заполонили рынок.Повышенный спрос на миниатюрные устройства электронной обработки изображений, такие как камеры наблюдения и телефонные камеры, побудил дизайнеров еще больше снизить размеры пикселей. Датчики изображения с пикселями размером 4–5 микрон используются в устройствах с меньшими массивами, но для многомегапиксельных чипов потребуются пиксели размером от 3 до 4 микрон. Для достижения этих размеров КМОП-датчики изображения должны производиться на производственных линиях толщиной 0,25 мкм или более узких. Используя более узкую ширину линии, больше транзисторов может быть упаковано в каждый элемент пикселя при сохранении приемлемых коэффициентов заполнения, при условии, что коэффициенты масштабного коэффициента приближаются к единице.С производственными линиями от 0,13 до 0,25 микрон должны стать передовые технологии, такие как аналого-цифровые преобразователи в пикселях, полноцветная обработка, логика интерфейса и другие связанные сложные схемы, настроенные для увеличения гибкости и динамического диапазона датчиков CMOS. возможный.

Хотя на многих заводах по производству КМОП отсутствуют этапы процесса добавления цветных фильтров и массивов микролинз, эти этапы все чаще используются для производства датчиков изображения по мере роста рыночного спроса.Кроме того, методы оптической упаковки, которые имеют решающее значение для устройств формирования изображений, требуют чистых помещений и оборудования для обработки плоского стекла, которое обычно не встречается на заводах, производящих стандартные логические схемы и интегральные схемы процессоров. Таким образом, рост затрат на изготовление датчика изображения может быть значительным.

Список приложений для датчиков изображения CMOS резко вырос за последние несколько лет. С конца 1990-х годов CMOS-датчики составляли все большее количество устройств обработки изображений, продаваемых в таких приложениях, как факсы, сканеры, камеры видеонаблюдения, игрушки, игры, камеры для ПК и недорогие потребительские камеры.В ближайшие годы универсальные датчики, вероятно, также начнут появляться в сотовых телефонах, считывателях штрих-кодов, оптических мышах, автомобилях и, возможно, даже в бытовой технике. Благодаря своей способности захватывать последовательные изображения с высокой частотой кадров, CMOS-датчики все чаще используются для промышленного контроля, систем вооружения, гидродинамики и медицинской диагностики. Хотя не ожидается, что они заменят ПЗС в большинстве высокопроизводительных приложений, КМОП-датчики изображения должны продолжать находить новые дома по мере развития технологий.

Соавторы

Ренато Турчетта - Группа микроэлектроники, приборный отдел, лаборатория Резерфорда Эпплтона, Чилтон, Дидкот, OX11 0QX, Соединенное Королевство.

Кеннет Р. Спринг - научный консультант, Ласби, Мэриленд, 20657.

Майкл У. Дэвидсон - Национальная лаборатория сильного магнитного поля, 1800 Ист. Доктор Пол Дирак, Университет штата Флорида, Таллахасси, Флорида, 32310 .

120-мегапиксельная CMOS-матрица высокого разрешения

Сверхвысокое разрешение и скорость

За счет включения почти того же количества пикселей, что и в фоторецепторах человеческого глаза, CMOS-сенсор Canon 120MXS обеспечивает сверхвысокое разрешение 120 МП в компактном корпусе.В то же время инновации на уровне пикселей обеспечивают более высокую скорость считывания с более низким коэффициентом шума на уровне 9,4 кадра в секунду или выше при уменьшении количества строк считывания. Раскройте мельчайшие детали и обретите новую четкость промышленного зрения с CMOS-датчиком 120MXS от Canon. Этот датчик CMOS доступен в монохромном (120MXSM), цветном (120MXSC) исполнении и со специализированным массивом цветных фильтров RGB-NIR (120MXSI).

Свяжитесь с Canon, чтобы узнать больше

Матрица специализированных фильтров пикселей RGB-NIR

При замене одного из зеленых фильтров на стандартном цветном CMOS-датчике фильтром ближнего инфракрасного диапазона (NIR) обработка изображения с этого датчика позволяет разделить видимый и ближний инфракрасный спектры.Дискретный анализ этих полос из одного изображения упрощает системы с двумя датчиками за счет уменьшения требований к размеру, весу и мощности (SWaP), предоставляет дополнительные возможности системам, которые могут извлечь выгоду из дополнительного диапазона, и улучшает существующие решения, уже обнаруживающие как в ближнем инфракрасном диапазоне, так и в видимые длины волн, такие как точное земледелие, с преимуществом разрешения 120 МП.

Улучшенная структура пикселей


Обработка изображений с высоким разрешением

CMOS-датчик Canon 120MXS использует плавающий диффузионный узел между четырьмя пикселями вместо одного, что позволяет использовать меньшие схемы считывания и большие фотодиоды, что позволяет повысить чувствительность.Маленькие пиксели размером 2,2 мкм используют слой проводов для предотвращения перекрестных помех, способствуя превосходному качеству изображения, в то время как прогрессивное считывание пикселей из 28 цифровых выходных каналов ловко обрабатывает огромный объем данных из 122 миллионов эффективных пикселей.

CMOS-датчик Canon 120MXS открывает новые возможности в ряде отраслей промышленности

CMOS-сенсор Canon 120MXS идеально подходит для инспекций, аэронавтики, общего производства, документации, медико-биологических наук и транспорта:

  • 3D метрология
  • Аэронавтика
  • Цифровые архивы
  • Сканирование документов
  • Проверка плоскопанельного дисплея
  • Интеллектуальные системы дорожного движения
  • Наблюдение на большой территории
  • Машинное зрение
  • Картография
  • Медицинская визуализация
  • Упаковка и осмотр
  • Разведка
  • Научные исследования
  • Безопасность

* Любая компания, разрабатывающая продукт с сенсором Canon CMOS, несет ответственность за соблюдение всех применимых законов, правил и положений, касающихся такого продукта, а также его маркетинга и продажи.

Технические характеристики

120MXSC 120MXSI 120MXSM
Тип фильтра RGB RGB-NIR Монохромный
Чувствительность (э / лк / сек) 10 000 10 000 20 000
Разрешение 122 мегапикселя
Эффективных пикселей 13272h x 9176v
Размер сенсора APS-H (29.22 мм x 20,20 мм)
Размер пикселя 2,2 мкм x 2,2 мкм
Максимальная частота кадров (все пиксели) 9,4 кадра в секунду
Тип затвора Прокат
Темный случайный шум 2.3e rms @ усиление x8, комнатная температура
Розетка 24-00661-188-284K-R27-L14 (сквозное гнездо)
24-00661-188-281K-R27-L14 (гнездо для поверхностного монтажа на плоской ножке)
24-00661-188-RB338K-R27-L14 ( Разъем для поверхностного монтажа Rollerball®)
24-00661-188-284K-R27-L14-HS1 (сквозное отверстие для радиатора Socket ™) Andon Socket Технические характеристики
Свяжитесь с Canon, чтобы узнать больше

Заказать оценочный комплект CMOS-сенсора Canon 120MXS 120 МП

Оцените производительность и помогите сократить время разработки с помощью оценочного комплекта Canon 120MXS 120 MP CMOS Sensor.

Обладая открытой архитектурой и возможностью встраивания обработки и программного обеспечения со встроенными ARM и FPGA *, оценочный комплект Canon 120MXS Evaluation Kit представляет собой полнофункциональную 120-мегапиксельную CMOS-камеру. Он оснащен CMOS-датчиком 120MXS 120 МП с последовательным выводом необработанных данных через интерфейс USB 3.1 (Gen 1).

Узнайте, как купить

* Исходный код и код VHDL доступны только по запросу с NDA

Портал Sony Group - Sony представляет многослойный CMOS-датчик изображения для смартфонов с самым высоким в отрасли 48 эффективным мегапикселем

Пресс-релизы на этом веб-сайте предназначены только для исторической справки.
Обратите внимание, что определенная информация могла измениться с момента выпуска.

23 июля 2018

Впервые в мире * 3 Сверхкомпактный размер пикселя 0,8 мкм

Sony Corporation
Sony Semiconductor Solutions Corporation

Токио, Япония - Корпорация Sony объявила о предстоящем выпуске многослойной CMOS-матрицы IMX586 для камер смартфонов. Новый сенсор имеет 48 эффективных мегапикселей * 2 , самое высокое в отрасли количество пикселей. * 1 В новом продукте впервые в мире достигнут сверхкомпактный размер пикселя * 3 0,8 мкм, что позволяет упаковать 48 эффективных мегапикселей * 2 на блоке типа 1/2 (диагональ 8,0 мм) , тем самым поддерживая улучшенное изображение на камерах смартфонов.

  • * 1: Среди датчиков изображения для смартфонов. По состоянию на 23 июля 2018 г.
  • * 2: На основе метода определения эффективных пикселей датчика изображения
  • * 3: Среди датчиков изображения.Согласно исследованию Sony. По состоянию на 23 июля 2018 г.
Многослойная CMOS-матрица IMX586

В наши дни высококачественные модели смартфонов требуют еще более высокого качества изображения от своих камер. Новый сенсор Sony имеет 48 эффективных мегапикселей, * 2, пикселей, что позволяет конкурировать с высокопроизводительными зеркальными фотокамерами, что позволяет снимать красивые изображения с высоким разрешением даже с помощью смартфона.

В новом сенсоре используется матрица цветных фильтров Quad Bayer, где соседние пиксели 2x2 имеют одинаковый цвет, что делает возможной высокочувствительную съемку.Во время съемки при слабом освещении сигналы от четырех соседних пикселей складываются, повышая чувствительность до уровня, эквивалентного 1,6 мкм пикселей (12 мегапикселей), что приводит к ярким изображениям с низким уровнем шума.
В дополнение к этим преимуществам в датчик изображения встроена оригинальная технология управления экспозицией Sony и функции обработки сигналов, что обеспечивает вывод в реальном времени и превосходный динамический диапазон, в четыре раза больший, чем у обычных устройств. Даже сцены с яркими и темными участками можно снимать с минимальным выделением светлых участков или потерей деталей в тенях.

Основные характеристики

1. Первый в мире сверхкомпактный размер пикселя * 3 0,8 мкм обеспечивает максимальное в отрасли количество пикселей * 1 при 48 эффективных мегапикселях * 2

Как правило, миниатюризация пикселей приводит к низкой эффективности сбора света на пиксель, что сопровождается падением чувствительности и громкости сигнала насыщения. Этот продукт был разработан и изготовлен с использованием технологий, которые улучшают эффективность сбора света и фотоэлектрического преобразования по сравнению с обычными продуктами, в результате чего был получен первый в мире * 3 0.Размер пикселя 8 мкм, с высокой чувствительностью и высоким уровнем сигнала насыщения.
Этот меньший размер пикселя позволяет новому продукту отображать 48 эффективных мегапикселей * 2 на компактном устройстве с диагональю 8,0 мм, которое можно установить на многие смартфоны. Увеличенное количество пикселей позволяет получать изображения высокой четкости даже на смартфонах с цифровым зумом.

Обычное изображение (12 эффективных мегапикселей) Изображение IMX586 (48 эффективных мегапикселей * 2 )

2. массив Quad Bayer обеспечивает высокую чувствительность и высокое разрешение

Благодаря использованию массива цветных фильтров Quad Bayer, в котором соседние пиксели 2x2 имеют одинаковый цвет, новый датчик обеспечивает высокую чувствительность и высокое разрешение.В условиях низкой освещенности, например при съемке ночью, добавляется сигнал от четырех соседних пикселей, повышая чувствительность до уровня, эквивалентного 1,6 мкм пикселей (12 эффективных мегапикселей), для съемки ярких фотографий и видео с низким уровнем шума. . При съемке ярких сцен, таких как дневное время на открытом воздухе, встроенная функция обработки исходного сигнала выполняет преобразование массива, что позволяет получать изображения высокой четкости 48 эффективных мегапикселей в реальном времени.

Пиксельный массив нового сенсора
(Quad Bayer Array)
(концептуальная схема) Преобразование массива с использованием исходной обработки сигнала
(концептуальная схема)

3.В четыре раза больший динамический диапазон, чем у предыдущих продуктов, и вывод в реальном времени

Оригинальная технология управления экспозицией Sony и функция обработки сигналов встроены в датчик изображения, обеспечивая вывод в реальном времени и превосходный динамический диапазон, который в четыре раза больше, чем у обычных продуктов. Даже сцены с яркими и темными областями можно снимать с минимальным выделением светлых участков или потерей деталей в тенях при просмотре изображения на дисплее смартфона.

границ | А 4.КМОП-микроэлектродная матрица с уровнем шума 8 мкВ среднеквадратичного значения с активными пикселями считывания с масштабируемой плотностью за счет реализации дезагрегированного дифференциального усилителя

Введение

В предыдущие десятилетия была представлена ​​матрица микроэлектродов (MEA) на основе комплементарного оксида металла и полупроводника (CMOS) для достижения двумерного картирования потенциалов действия (AP) с высоким пространственным разрешением (Eversmann et al., 2003; Ballini et al. др., 2014). Картирование AP в нейронных клетках с высоким разрешением может предоставить информацию о сложностях активности нейронных сетей, таких как природа дендритной интеграции, электрические функции дендритных шипов и вариации в паттернах спонтанной нативной активности или сетевых колебаниях (Gross et al., 1997; Петерка и др., 2011).

Чтобы лучше понять сетевую активность, необходимо дополнительно увеличить как количество каналов считывания, так и плотность электродов, сохраняя при этом достаточно низкие уровни шума (менее 10 мкВ среднеквадратичное значение ). Различные методы реализации были предложены в предыдущих работах по CMOS-MEA (Obien et al., 2015). В то время как методы считывания с помощью активных пиксельных датчиков (APS) были предложены для увеличения числа каналов до более чем десяти тысяч, плотность электродов ограничена шагом, превышающим 30 мкм, из-за большой площади схем считывания, интегрированных под каждым электродом (Huys и другие., 2012; Джонсон и др., 2013). Мы представляем масштабируемость для более высокой плотности и большего количества каналов с шагом 24 мкм и 6912 каналами считывания CMOS-MEA (Ogi et al., 2017). Однако уровень шума в этой CMOS-MEA составлял 23 мкВ, среднеквадр., , и этого было недостаточно для наблюдения AP нейронов.

В этой статье мы демонстрируем CMOS-MEA с шумом 4,8 мкВ среднеквадратичное значение , основанное на методе считывания APS с методом реализации дезагрегированного дифференциального усилителя. Это имеет технологическую возможность для интеграции электродов высокой плотности с шагом электродов 12 мкм и 6912 каналами считывания.

Реализация

Для уменьшения шума в канале считывания CMOS-MEA канал обычно оснащается большой входной емкостью, малошумящим дифференциальным усилителем с высоким коэффициентом усиления и полосовым фильтром (Frey et al., 2010). В предыдущих работах для шума считывания среднеквадратичного значения менее 10 мкВ с использованием APS эти элементы схемы были интегрированы под каждым электродом, увеличивая площадь считываемых пикселей (Johnson et al., 2013). На рисунке 1 показана реализация этой работы по считыванию.В этой реализации элементы схемы в дифференциальном усилителе разделены на пиксель считывания, опорный пиксель и схему столбца; мы называем этот разукрупненный дифференциальный усилитель.

Рис. 1. Реализация CMOS-MEA: (A) Массив пикселей считывания, массив эталонных пикселей и подключение схемы столбцов. Массив опорных пикселей (синий) реализован в дополнение к массиву считываемых пикселей (красный), схеме столбцов и источнику тока. Пиксели считывания и опорный пиксель подключаются к схеме столбца через вертикальную сигнальную линию (VSL) и вертикальную опорную линию (VRL) с помощью сигнала выбора от декодера строки. (B) Подробная информация о схеме каждого столбца. Каждая схема столбца включает в себя пару активных нагрузок PMOS и АЦП с одной кривой. Комбинация одного считываемого пикселя, одного опорного пикселя и пары активной нагрузки PMOS действует как дифференциальный усилитель, который усиливает входной сигнал в считывающем пикселе перед вводом в АЦП.

В дополнение к матрице считываемых пикселей и схемам столбцов реализована матрица опорных пикселей. Электроды, которые могут обнаруживать AP ячейки, напрямую подключены к входному усилителю в считывающем пикселе.В эталонном пикселе входной усилитель подключается к земле через входную емкость. Когда каждая строка в массиве считываемых и опорных пикселей выбирается сигналом от декодера строк, два входных усилителя подключаются к активной нагрузке PMOS в схеме столбца через вертикальную сигнальную линию (VSL) и вертикальную опорную линию (VRL). , а дифференциальный усилитель состоит из соединения. Этот дифференциальный усилитель усиливает сигналы AP от чувствительного электрода и способствует относительному снижению шума, приведенного к входу, наведенного аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) после усилителя.Несмотря на простоту и небольшую площадь схемы считывающего пикселя, дифференциальный усилитель с высоким коэффициентом усиления может быть реализован путем разделения компонентов схемы в каждом блоке.

АЦП с одинарной фазой (SS-ADC) имеют преимущество высокоскоростного преобразования данных за счет использования высокоскоростной входной тактовой частоты (Wakabayashi et al., 2010) и обеспечивают высокоскоростную скорость 48 ksps (выборок в секунду). АЦП с 12-битным разрешением в этой работе. Количество VSL и схем столбцов в восемь раз больше, чем количество столбцов пикселей, как показано на рисунке 1, так что массив пикселей из 8 строк и 54 столбцов (всего 432 пикселя) может быть прочитан одновременно с 432 параллельными VSL и схемы колонн на 48 тыс. сек. / сек.Напротив, необходимая полоса частот сигнала для измерения AP нейрона (диапазон AP) находится в диапазоне от 300 Гц до 3,3 кГц (Yuan et al., 2016), а требуемая минимальная частота дискретизации составляет около 6 кГц. Частота дискретизации 48 ksps, которая в восемь раз больше, чем 6 кГц, способствует снижению шума свертки в АЦП, как показано на рисунке 2. Высокочастотный шум сворачивается на половину частоты дискретизации, а шум сворачивания увеличивает мощность шума в полосе частот сигнала. Фильтр нижних частот обычно используется для уменьшения шума сворачивания.С другой стороны, мощность шума постепенно уменьшается по мере увеличения частоты, и избыточная выборка может сместить точку свертки шума для снижения мощности шума. В результате передискретизация может уменьшить шум сворачивания вместо фильтра нижних частот. Это также способствует уменьшению площади пикселя из-за отсутствия фильтра нижних частот в каждом пикселе.

Рисунок 2. Концептуальная диаграмма сворачивания шумоподавления за счет передискретизации со спектром мощности шума в зависимости отчастота. Шум складывается на частоте дискретизации (красная вертикальная линия) после аналого-цифрового преобразования и увеличивает общий шум в полосе сигнала (красная кривая). Фильтр нижних частот обычно используется для удаления шума сворачивания в полосе сигнала (зеленая кривая). В этой работе передискретизация сдвигает точку свертки на более высокую частоту (темно-синяя вертикальная линия) и может уменьшить шум свертки в полосе сигнала, поскольку мощность шума постепенно уменьшается с увеличением частоты.

Прототип

На рис. 3 представлена ​​микрофотография изготовленного прототипа микросхемы с цифрой 0.14 мкм 1-поли 3-Cu 1-Al CMOS процесс. Шаг схемы колонки составляет 12 мкм, а шаг считывающего электрода - 96 мкм. Хотя шаг электродов ограничен количеством схем столбцов, площадь схемы считывания в каждом пикселе составляет менее 81 мкм 2 . Это значительно меньше, чем 450 мкм 2 в предыдущей реализации двухкаскадного усилителя (Huys et al., 2012). Схемы из 432 столбцов были интегрированы в небольшой области над массивом считываемых пикселей из-за эффективности площади и высокой плотности интеграции односкатных АЦП.Небольшая площадь схемы считывания и небольшой шаг столбцов способствуют высокой масштабируемости CMOS-MEA в этой работе.

Рис. 3. Микрофотография изготовленного прототипа микросхемы. Прототип чипа имеет матрицу пикселей считывания из 32 строк и 54 столбцов, матрицу опорных пикселей из 8 строк и 54 столбцов и схему из 432 столбцов. Шаг схемы колонки составляет 12 мкм, а шаг считывающего электрода - 96 мкм. Платиновые электроды встроены в область считывающих пикселей с шагом 24 мкм за счет расширения внутреннего процесса КМОП после формирования верхнего металлического слоя алюминия.

Платиновые электроды встроены в область считываемых пикселей с шагом 24 мкм за счет расширения внутреннего процесса КМОП после формирования верхнего металлического слоя алюминия. Выбранные электроды с шагом 96 мкм подключаются к активным пикселям считывания один за другим и работают как чувствительные электроды.

Результаты измерений

Случайный шум в цепи считывания

На рисунке 4 показано, что приведенный к входу шум на каналах считывания в прототипе CMOS-MEA был уменьшен до 4.75 мкВ среднеквадратичное значение после постобработки ограничения полосы частот до диапазона AP с помощью цифровых фильтров с конечной характеристикой (FIR). Собственный шум без КИХ-фильтрации был снижен до 12,8 мкВ среднеквадратичного значения за счет реализации дезагрегированного дифференциального усилителя. Кроме того, шум после фильтрации был дополнительно уменьшен за счет передискретизации в АЦП, как показано на рисунке 4A. Уменьшение пропорционально обратной скорости дискретизации считывания, как показано на рисунке 4B. Эти результаты показывают, что дезагрегированный дифференциальный усилитель и передискретизация могут уменьшить случайный шум, как мы и предполагали.

Рисунок 4. (A) Распределение случайного шума при считывании с различной частотой дискретизации; 6, 12 и 48 км / с. Каждое распределение шума было измерено с помощью 384 каналов считывания в прототипе микросхемы, и соответствующие медианные значения составляют 12,3, 8,79 и 4,75 мкВ среднеквадратичное значение , соответственно. (B) Зависимость случайного шума от частоты дискретизации. Зависимость от частоты кадров обратно пропорциональна частоте кадров.

Потенциал действия нейрона

Фиг. 5 представляет собой видимую оптическую микрофотографию прототипа CMOS-MEA с комбинированной флуоресцентной визуализацией пирамидных нейронов новорожденных, первично культивируемых на прототипе чипа.Яркие серые области под зелеными нейронами - это чувствительные электроды. Нейроны культивировали на электроде, покрытом PDL и ламинином, в течение 4 недель при 37 ° C, 5% CO 2 . PKH67 Green Fluorescent Cell Linker Midi Kit для общей маркировки клеточных мембран использовали для получения изображения флуоресценции нейронных клеток.

Рис. 5. Оптическая микрофотография нейронных клеток, культивированных на прототипе CMOS-MEA. Флуоресцентное изображение нейронных клеток накладывается на видимое изображение матрицы микроэлектродов.Зеленые формы - это культивируемые нейронные клетки, а серые яркие области под нейронами - сенсорные электроды.

На рис. 6 показаны сигналы потенциала действия, наблюдаемые с электродами (a), (b) и (c), покрытыми культивируемыми нейронами на рисунке 5. Пики в сигналах соответствуют спонтанным AP от культивируемых нейронов при стимуляции глутаматом. Пиковые уровни сигнала 100 мкВ были четко определены из-за достаточно низкого уровня шума в цепи считывания. Эти результаты показывают возможность использования нашей технологии CMOS-MEA для измерения AP нейронов.

Рисунок 6. Измеренные сигналы потенциала действия нейрона с помощью электродов (A), , (B), и (C), , отмеченных на рисунке 5. Пики в сигналах соответствуют спонтанным AP от культивируемых нейронов. Спайки наблюдались при стимуляции глутаматом во время измерения. Горизонтальная и вертикальная шкалы равны 5 мс и 50 мкВ соответственно.

Масштабируемость и сравнение с предыдущими работами

Плотность электродов и количество каналов могут быть увеличены путем увеличения количества АЦП и коэффициента умножения пикселей для каждого АЦП из-за малой области считываемых пикселей и небольшого шага столбцов в технологии CMOS-MEA, предложенной в этой работе.

На рис. 7A показан случай четырехуровневых схем столбцов (всего 1728 схем столбцов) на обеих сторонах массива пикселей с четырехкратным умножением. Большее количество схем столбцов, по сравнению с прототипом в настоящей работе, способствует увеличению числа считывающих электродов и уменьшению шага электродов, даже при тех же реализациях схем в пикселях и столбцах, что и в настоящей работе. . В настоящей работе шаг столбца ограничивает шаг считывающего электрода, поскольку для одновременного считывания восьми строк необходимы линейные схемы из восьми столбцов (шаг 96 мкм).С другой стороны, для четырехуровневого случая четыре строки массива пикселей с шагом 12 мкм могут быть прочитаны одновременно четырехуровневыми схемами столбцов и четырьмя параллельными VSL. Кроме того, другие четыре строки в массиве пикселей подключены к той же схеме VSL и столбца, и связанные строки последовательно считываются с сигналами выбора из декодера строк (четырехкратное умножение). Это в четыре раза увеличивает количество считываемых строк до 16, а частоту дискретизации - до 12 kfps. В результате четырехуровневых схем столбцов и четырехкратного умножения шаг считывающего электрода уменьшается до шага столбца (12 мкм), и 6912 электродов (16 строк и 432 столбца) могут считываться со скоростью 12 kfps.

Рис. 7. (A) Возможное масштабирование с помощью четырехуровневых схем столбцов (1728 схем столбцов) на обеих сторонах массива пикселей и четырехкратного умножения (частота кадров 12 кбит / с). Шаг электродов будет уменьшен до шага столбца (12 мкм) с 6912 каналами считывания (16 строк и 432 столбца) за счет увеличения числа цепей столбцов и последовательного считывания с четырехкратным умножением. (B) Эмулированный сигнал потенциала действия с частотой дискретизации 12 kfps.Этот сигнал был сгенерирован путем прореживания точки дискретизации исходного сигнала на рисунке 6А перед цифровой фильтрацией КИХ. Горизонтальная и вертикальная шкалы равны 5 мс и 50 мкВ соответственно.

Хотя небольшой шаг электрода уменьшает доступную площадь для схем внутрипиксельного считывания и влияет на уровень шума считывания, уровень шума все же сохраняется, потому что площадь каждой внутрипиксельной схемы в этой работе была меньше, чем площадь для Квадрат 12 мкм (= 144 мкм 2 ), как указано в разделе «Прототипирование.С другой стороны, низкая частота кадров дискретизации (12 kfps) должна была увеличить шум полосы AP до 8,8 мкВ rms , как показано на рисунке 4B, но пик сигнала 100 мкВ все еще наблюдается, как показано на рисунке 7B. , поскольку уровень шума был все еще менее 10 мкВ среднеквадратичное значение . Кроме того, увеличение числа столбцов схемы должно привести к увеличению размера микросхемы, однако размер микросхемы ограничен из-за небольшой площади АЦП, как показано на рисунке 3.

Кроме того, внедрение усовершенствованных процессов для логической схемы в схеме столбца может увеличить номер канала и уменьшить случайный шум считывания.В односторонних АЦП площадь и скорость выборки ограничены размером транзистора для цифрового счетчика. Однако площадь может быть уменьшена, а скорость выборки может быть увеличена за счет уменьшения размера транзистора в усовершенствованных процессах CMOS. Небольшая площадь способствует увеличению числа АЦП и номеров каналов считывания, а более высокая скорость дискретизации способствует снижению случайного шума считывания.

На рисунке 8 показано сравнение этой работы с предыдущими работами для CMOS-MEA высокой плотности по соотношению между количеством каналов считывания и шумом считывания.Шум в этой работе - один из самых низких уровней в предыдущих работах схемы считывания APS (Imfeld et al., 2008; Huys et al., 2012; Johnson et al., 2013; Bertotti et al., 2014; Yuan et al., 2016; Lopez et al., 2018), и он сопоставим с предыдущими работами схемы считывания матрицы переключения (Ballini et al., 2014; Yuan et al., 2016), которая имеет преимущество, используемое в отношении шума считывания. снижение. Наибольшее количество каналов в предыдущих работах также возможно при реализации четырехуровневого АЦП с применением технологии, предложенной в этой работе.Дальнейшее масштабирование также возможно до 100 тысяч каналов считывания с использованием более совершенных процессов CMOS.

Рисунок 8. Сравнение этой работы с предыдущими работами для CMOS-MEA высокой плотности с точки зрения соотношения между количеством каналов считывания и шумом считывания. Заштрихованными треугольниками показаны предыдущие работы по схеме считывания APS, а закрашенными ромбиками - предыдущие работы по схеме считывания матрицы переключения. Закрытым квадратом показан результат этой работы.Открытый квадрат указывает на возможное масштабирование с применением технологии CMOS-MEA, предложенной в данной работе. Область в пунктирном круге также можно получить, применив более продвинутые процессы CMOS с нашей схемой считывания CMOS-MEA.

Заключение

Мы представляем реализацию дезагрегированного дифференциального усилителя, которая может уменьшить площадь схемы считываемого пикселя в CMOS-MEA с помощью метода считывания APS. Прототип микросхемы с реализацией продемонстрировал шум считывания среднеквадратичного значения 4,8 мкВ и наблюдение AP нейрона при уровне сигнала около 100 мкВ.Предлагаемая в данной работе технология CMOS-MEA масштабируется для отображения активности нейронных сетей с высоким пространственным разрешением до 100 тысяч каналов считывания.

Доступность данных

Наборы данных, созданные для этого исследования, доступны по запросу соответствующему автору.

Авторские взносы

JO, YK, MJ, YM, NK, CY, MM и YO внесли свой вклад в разработку схемы CMOS и прототипирование, а также оценку характеристик схемы. YN, KI, TK, SH и EM способствуют наблюдению потенциала действия нейрона с помощью прототипа чипа.

Заявление о конфликте интересов

Все авторы были наняты Sony Corporation. JO, YK, MJ, YM, NK, CY, MM и YO также были наняты сотрудниками Sony Semiconductor Solutions Corporation.

Благодарности

Мы хотели бы поблагодарить Editage (www.editage.jp) за редактирование на английском языке.

Список литературы

Ballini, M., Mualler, J., Livi, P., Chen, Y., Frey, U., Stettler, A., et al. (2014). Матрица 1024-канальных КМОП-микроэлектродов с 26 400 электродами для регистрации и стимуляции электрогенных клеток in vitro. IEEE J. Твердотельные схемы 49, 2705–2719. DOI: 10.1109 / JSSC.2014.2359219

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бертотти, Г., Величкой, Д., Додель, Н., Кейл, С., Воланскиз, Д., Тиллак, Б. и др. (2014). «Матрица сенсоров на основе КМОП для взаимодействия нервной ткани in vitro с 4225 участками записи и 1024 участками стимуляции», в протоколе Proceedings of the IEEE Biomedical and Life Science Circuit and Systems , Lausanne, 304. doi: 10.1109 / BioCAS.2014.6981723

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эверсманн, Б., Дженкнер, М., Хофманн, Ф., Паулюс, К., Бредерлоу, Р., Хольцапфл, Б. и др. (2003). КМОП-матрица 128 × 128 биосенсоров для внеклеточной регистрации нервной активности. IEEE J. Твердотельные схемы 38: 2306. DOI: 10.1109 / JSSC.2003.819174

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фрей, У., Седиви, Дж., Хеер, Ф., Педрон, Р., Баллини, М., Мюллер, Дж. И др. (2010).Матрица микроэлектродов высокой плотности на основе коммутационной матрицы в КМОП-технологии. IEEE J. Твердотельные схемы 45, 467–482. DOI: 10.1109 / JSSC.2009.2035196

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гросс, Г. В., Харш, А., Роудс, Б. К., и Гопель, В. (1997). Анализ запаха, наркотиков и токсинов с помощью нейронных сетей in vitro: запись сетевых ответов внеклеточного массива. Biosens. Биоэлектрон. 12, 373–393. DOI: 10.1016 / S0956-5663 (97) 00012-2

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хайс, Р., Braeken, D., Jans, D., Stassen, A., Collaert, N., Wouters, J., et al. (2012). Одноячеечная запись и стимуляция с помощью матрицы электродов с микрогвоздями 16k, интегрированной в КМОП-чип 0,18 мм. Лабораторный чип 12, 1274–1280. DOI: 10.1039 / c2lc21037a

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Имфельд К., Нойком С., Маччоне А., Борнат Ю., Мартиноя С., Фарин П. А. и др. (2008). Крупномасштабная система сбора данных с высоким разрешением для внеклеточной регистрации электрофизиологической активности. IEEE Trans. Биомед. Англ. 55, 2064–2063. DOI: 10.1109 / TBME.2008.919139

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джонсон, Б., Писи, С. Т., Клеландз, Т. А., и Мольнар, А. (2013). «Матрица микроэлектродов с шагом 50 мкм, 1120 каналов, частота кадров 20 кГц для записи срезов», в материалах Proceedings of the Conference on IEEE Biomedical Circuits and Systems (BioCAS) (Rotterdam: IEEE). DOI: 10.1109 / BioCAS.2013.6679651

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лопес, К.М., Чун, Х.С., Берти, Л., Ван, С., Пуцейс, Дж., Булке, К. В. Д. и др. (2018). «1024-канальный мультимодальный CMOS MEA с 16384 электродами для высокопроизводительных измерений внутриклеточного потенциала действия и спектроскопии импеданса в приложениях для скрининга лекарств», в материалах Proceedings of the IEEE International Solid State Circuit Conference , San Francisco, CA, 464. doi : 10.1109 / ISSCC.2018.8310385

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Обьен, М. Э. Дж., Делигкарис, К., Буллманн, Т., Баккум, Д. Дж., Фрей, У. (2015). Выявление нейрональных функций с помощью записи массива микроэлектродов. Фронт. Neurosci. 9: 423. DOI: 10.3389 / fnins.2014.00423

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Оги, Дж., Като, Ю., Матоба, Ю., Ямане, К., Нагахата, К., Накашима, Ю., и др. (2017). Матрица микроэлектродов с шагом 24 микрометра и 6912-канальным считыванием на частоте 12 кГц благодаря высокомасштабируемой реализации для картирования потенциалов действия с высоким пространственным разрешением. Биоинтерфазы 12: 05F402.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Вакабаяси, Х., Ямагути, К., Окано, М., Курамочи, С., Кумагаи, О., Сакане, С., и др. (2010). «1 / 2,3-дюймовый 10,3-мегапиксельный CMOS-датчик изображения со скоростью 50 кадров / с с обратной засветкой», в материалах Proceedings of the IEEE International Solid State Circuit Conference , San Francisco, CA, 410. doi: 10.1109 / ISSCC.2010.5433963

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Юань, X., Kim, S., Juyon, J., D’Urbino, M., Bullmann, T., Chen, Y., et al. (2016). «Матрица микроэлектродов с 8640 электродами, обеспечивающая одновременное полнокадровое считывание со скоростью 6,5 kfps и 112-канальное считывание матрицы переключения со скоростью 20 kS / s», в Proceedings of the IEEE VLSI Circuit (Delft: TU Delft), 258. doi : 10.1109 / VLSIC.2016.7573558

CrossRef Полный текст | Google Scholar

.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *