De Wikipedia, la enciclopedia libre
  (Redirigido desde el sensor de píxeles activo )
Saltar a navegación Saltar a búsqueda

Un sensor de píxeles activos ( APS ) es un sensor de imagen en el que cada celda unitaria del sensor de píxeles tiene un fotodetector (normalmente un fotodiodo fijo ) y uno o más transistores activos . [1] [2] En un sensor de píxel activo de semiconductor de óxido metálico (MOS), los transistores de efecto de campo MOS (MOSFET) se utilizan como amplificadores . Hay diferentes tipos de APS, incluido el NMOS APS temprano y el APS MOS complementario (CMOS) mucho más común , también conocido como sensor CMOS , que se usa ampliamente entecnologías de cámaras digitales , como cámaras de teléfonos móviles , cámaras web , la mayoría de las cámaras digitales de bolsillo modernas, la mayoría de las cámaras réflex digitales de lente única (DSLR) y las cámaras de lentes intercambiables sin espejo (MILC). Los sensores CMOS surgieron como una alternativa a los sensores de imagen de dispositivos de carga acoplada (CCD) y finalmente se vendieron más que ellos a mediados de la década de 2000.

Sensor de imagen CMOS .

El término "sensor de píxeles activo" también se utiliza para referirse al sensor de píxeles individual en sí, en contraposición al sensor de imagen. [3] En este caso, el sensor de imagen a veces se denomina generador de imágenes de sensor de píxeles activos , [4] o sensor de imagen de píxeles activos . [5]

Historia [ editar ]

Antecedentes [ editar ]

Mientras investigaban la tecnología de semiconductores de óxido de metal (MOS), Willard Boyle y George E. Smith se dieron cuenta de que se podía almacenar una carga eléctrica en un pequeño condensador MOS , que se convirtió en el componente básico del dispositivo de par de carga (CCD), que inventaron en 1969. [6] [7] Un problema con la tecnología CCD era que requería la necesidad de una transferencia de carga casi perfecta, lo que, según Eric Fossum , "hace que su radiación sea 'suave', difícil de usar en condiciones de poca luz , difícil de fabricar en arreglos de gran tamaño, difícil de integrar con la electrónica en el chip , difícil de usar a bajas temperaturas, difícil de usar a altas velocidades de cuadro y difícil de fabricar en materiales que no sean de silicio que extiendan la respuesta de longitud de onda ". [1]

En RCA Laboratories , un equipo de investigación que incluía a Paul K. Weimer , WS Pike y G. Sadasiv en 1969 propuso un sensor de imagen de estado sólido con circuitos de escaneo que usaban transistores de película delgada (TFT), con película fotoconductora utilizada para el fotodetector . [8] [9] Richard F. Lyon demostró en 1981 un generador de imágenes MOSFET (NMOS) de canal N "en su mayoría digital" de baja resolución con amplificación intrapíxel, para una aplicación de ratón óptico . [10]Otro tipo de tecnología de sensor de imagen que está relacionada con el APS es el arreglo de plano focal infrarrojo híbrido (IRFPA), [1] diseñado para operar a temperaturas criogénicas en el espectro infrarrojo . Los dispositivos son dos chips que se ensamblan como un sándwich: un chip contiene elementos detectores hechos en InGaAs o HgCdTe , y el otro chip está hecho típicamente de silicio y se usa para leer los fotodetectores. La fecha exacta de origen de estos dispositivos está clasificada, pero estaban en uso a mediados de la década de 1980. [ cita requerida ]

Un elemento clave del sensor CMOS moderno es el fotodiodo fijo (PPD). [2] Fue inventado por Nobukazu Teranishi , Hiromitsu Shiraki y Yasuo Ishihara en NEC en 1980, [2] [11] y luego informado públicamente por Teranishi e Ishihara con A. Kohono, E. Oda y K. Arai en 1982, con la adición de una estructura anti- floración . [2] [12] El fotodiodo fijo es una estructura de fotodetector con bajo retardo , bajo nivel de ruido , alta eficiencia cuántica y baja corriente de oscuridad . [2]La nueva estructura de fotodetector inventada en NEC recibió el nombre de "fotodiodo fijo" (PPD) por BC Burkey en Kodak en 1984. En 1987, el PPD comenzó a incorporarse en la mayoría de los sensores CCD, convirtiéndose en un accesorio en las cámaras de video electrónicas de consumo y luego cámaras fotográficas digitales . Desde entonces, el PPD se ha utilizado en casi todos los sensores CCD y luego en los sensores CMOS. [2]

Sensor de píxel pasivo [ editar ]

El precursor del APS fue el sensor de píxeles pasivos (PPS), un tipo de matriz de fotodiodos (PDA). [2] Un sensor de píxeles pasivos consta de píxeles pasivos que se leen sin amplificación , y cada píxel consta de un fotodiodo y un interruptor MOSFET . [13] En una matriz de fotodiodos, los píxeles contienen una unión pn , un condensador integrado y MOSFET como transistores de selección . G. Weckler propuso una matriz de fotodiodos en 1968, anterior al CCD. [1] Esta fue la base del PPS, [2]que tenía elementos de sensor de imagen con transistores de selección en píxeles, propuesto por Peter JW Noble en 1968, [14] [2] [8] y por Savvas G. Chamberlain en 1969. [15]

Los sensores de píxeles pasivos se estaban investigando como una alternativa de estado sólido a los dispositivos de imagen de tubo de vacío . [ cita requerida ] El sensor de píxel pasivo MOS utilizó un simple interruptor en el píxel para leer la carga integrada del fotodiodo. [16] Los píxeles se dispusieron en una estructura bidimensional, con un cable de habilitación de acceso compartido por píxeles en la misma fila y un cable de salida compartido por columna. Al final de cada columna había un transistor. Los sensores de píxeles pasivos adolecían de muchas limitaciones, como mucho ruido , lectura lenta y falta de escalabilidad . [ cita requerida ]Las primeras matrices de fotodiodos eran complejas y poco prácticas, y requerían que se fabricaran transistores de selección dentro de cada píxel, junto con circuitos multiplexores en chip . El ruido de las matrices de fotodiodos también fue una limitación para el rendimiento, ya que la capacitancia del bus de lectura de fotodiodos resultó en un mayor nivel de ruido. El muestreo doble correlacionado (CDS) tampoco se puede utilizar con una matriz de fotodiodos sin memoria externa . No era posible fabricar sensores de píxeles activos con un tamaño de píxel práctico en la década de 1970, debido a la tecnología de microlitografía limitada en ese momento. [1]Debido a que el proceso MOS era tan variable y los transistores MOS tenían características que cambiaban con el tiempo ( inestabilidad Vth ), la operación de dominio de carga del CCD era más fácil de fabricar que los sensores de píxeles pasivos MOS. [ cita requerida ]

Sensor de píxeles activos [ editar ]

El sensor de píxeles activos consta de píxeles activos, cada uno de los cuales contiene uno o más amplificadores MOSFET que convierten la carga fotogenerada en un voltaje, amplifican el voltaje de la señal y reducen el ruido. [13] El concepto de dispositivo de píxeles activos fue propuesto por Peter Noble en 1968. Creó matrices de sensores con amplificadores de lectura MOS activos por píxel, esencialmente en la configuración moderna de tres transistores: la estructura de fotodiodo enterrada, el transistor de selección y el MOS. amplificador. [17] [14]

El concepto de píxel activo MOS fue implementado como el dispositivo de modulación de carga (CMD) por Olympus en Japón a mediados de la década de 1980. Esto fue posible gracias a los avances en la fabricación de dispositivos semiconductores MOSFET , con la escala MOSFET alcanzando niveles de micrones más pequeños y luego submicrónicos durante la década de 1980 hasta principios de la década de 1990. [1] [18] El primer MOS APS fue fabricado por el equipo de Tsutomu Nakamura en Olympus en 1985. El término sensor de píxeles activos (APS) fue acuñado por Nakamura mientras trabajaba en el sensor de píxeles activos CMD en Olympus. [19]El generador de imágenes CMD tenía una estructura APS vertical, que aumenta el factor de relleno (o reduce el tamaño de píxel) al almacenar la carga de la señal bajo un transistor NMOS de salida . Otras empresas japonesas de semiconductores pronto siguieron con sus propios sensores de píxeles activos durante finales de la década de 1980 hasta principios de la de 1990. Entre 1988 y 1991, Toshiba desarrolló el sensor de "transistor de superficie flotante de doble puerta ", que tenía una estructura APS lateral, y cada píxel contenía una puerta fotoeléctrica MOS de canal enterrado y un amplificador de salida PMOS . Entre 1989 y 1992, Canon desarrolló el sensor de imagen almacenado en la base (BASIS), que utilizaba una estructura APS vertical similar al sensor Olympus, pero contransistores bipolares en lugar de MOSFET. [1]

A principios de la década de 1990, las empresas estadounidenses comenzaron a desarrollar prácticos sensores de píxeles activos MOS. En 1991, Texas Instruments desarrolló el sensor CMD a granel (BCMD), que se fabricó en la sucursal japonesa de la empresa y tenía una estructura APS vertical similar al sensor CMD de Olympus, pero era más complejo y utilizaba transistores PMOS en lugar de NMOS. [2]

Sensor CMOS [ editar ]

A fines de la década de 1980 y principios de la de 1990, el proceso CMOS estaba bien establecido como un proceso de fabricación de semiconductores estable bien controlado y era el proceso de referencia para casi todos los microprocesadores y lógicos . Hubo un resurgimiento en el uso de sensores de píxeles pasivos para aplicaciones de imágenes de gama baja, [20] mientras que los sensores de píxeles activos comenzaron a usarse para aplicaciones de alta función de baja resolución, como la simulación de retina [21] y partículas de alta energía. detectores. Sin embargo, los CCD siguieron teniendo un ruido temporal y un ruido de patrón fijo mucho más bajos y fueron la tecnología dominante para aplicaciones de consumo, como videocámaras y cámaras de transmisión., donde estaban desplazando los tubos de las cámaras de video .

En 1993, los primeros APS prácticos para ser fabricado fuera de Japón con éxito fue desarrollado en la NASA 's Jet Propulsion Laboratory (JPL), que fabrica una CMOS APS compatibles con su desarrollo dirigido por Eric Fossum . Tenía una estructura APS lateral similar al sensor Toshiba, pero estaba fabricado con transistores CMOS en lugar de PMOS. [1] Fue la primera sensor CMOS con intra-pixel de transferencia de carga. [2]

Fossum, que trabajó en JPL, dirigió el desarrollo de un sensor de imagen que utilizaba transferencia de carga intrapíxel junto con un amplificador en píxel para lograr un verdadero muestreo doble correlacionado (CDS) y una operación de bajo ruido temporal, y circuitos en chip para sistemas fijos. -Reducción de ruido de patrón. También publicó un extenso artículo de 1993 que predice la aparición de los lectores de imágenes APS como el sucesor comercial de los CCD. [1] El sensor de píxeles activos (APS) fue definido ampliamente por Fossum en este documento. Clasificó dos tipos de estructuras APS, el APS lateral y el APS vertical. También dio una descripción general de la historia de la tecnología APS, desde los primeros sensores APS en Japón hasta el desarrollo del sensor CMOS en JPL. [1]

En 1994, Fossum propuso una mejora del sensor CMOS: la integración del fotodiodo fijo (PPD). Un sensor CMOS con tecnología PPD fue fabricado por primera vez en 1995 por un equipo conjunto de JPL y Kodak que incluía a Fossum junto con PPK Lee, RC Gee, RM Guidash y TH Lee. [2] Entre 1993 y 1995, el Laboratorio de Propulsión a Chorro desarrolló una serie de prototipos de dispositivos que validaron las características clave de la tecnología. Aunque primitivos, estos dispositivos demostraron un buen rendimiento de imagen con alta velocidad de lectura y bajo consumo de energía.

En 1995, frustrado por la lentitud de la adopción de la tecnología, Fossum y su entonces esposa, la Dra. Sabrina Kemeny, cofundaron Photobit Corporation para comercializar la tecnología. [17] Continuó desarrollando y comercializando tecnología APS para una serie de aplicaciones, como cámaras web, cámaras de captura de movimiento y de alta velocidad, radiografía digital , cámaras de endoscopia (píldora), cámaras réflex digitales de lente única (DSLR) y cámaras Los telefonos. Muchas otras pequeñas empresas de sensores de imagen también cobraron vida poco después debido a la accesibilidad del proceso CMOS y todas adoptaron rápidamente el enfoque del sensor de píxeles activos.

Los sensores CMOS de Photobit llegaron a las cámaras web fabricadas por Logitech e Intel , antes de que Micron Technology comprara Photobit en 2001. El mercado de los primeros sensores CMOS fue liderado inicialmente por fabricantes estadounidenses como Micron y Omnivision, lo que permitió a Estados Unidos recuperar brevemente un parte del mercado general de sensores de imagen de Japón, antes de que el mercado de sensores CMOS finalmente fuera dominado por Japón, Corea del Sur y China. [22] El sensor CMOS con tecnología PPD fue mejorado y perfeccionado por RM Guidash en 1997, K. Yonemoto y H. Sumi en 2000, e I. Inoue en 2003. Esto llevó a los sensores CMOS a lograr un rendimiento de imagen a la par con los sensores CCD. , y luego superando los sensores CCD. [2]

En 2000, los sensores CMOS se usaban en una variedad de aplicaciones, incluidas cámaras de bajo costo, cámaras para PC , fax , multimedia , seguridad , vigilancia y videoteléfonos . [23]

La industria del video cambió a las cámaras CMOS con la llegada del video de alta definición ( video HD), ya que la gran cantidad de píxeles requeriría un consumo de energía significativamente mayor con sensores CCD, lo que sobrecalentaría y agotaría las baterías. [22] Sony en 2007 comercializó sensores CMOS con un circuito de conversión A / D de columna original, para un rendimiento rápido y con poco ruido, seguido en 2009 por el sensor CMOS retroiluminado (sensor BI), con el doble de sensibilidad que los sensores de imagen convencionales. e ir más allá del ojo humano. [24]

Los sensores CMOS continuaron teniendo un impacto cultural significativo, lo que llevó a la proliferación masiva de cámaras digitales y teléfonos con cámara , lo que reforzó el auge de las redes sociales y la cultura de las selfies , e impactó los movimientos sociales y políticos de todo el mundo. [22] En 2007, las ventas de sensores de píxeles activos CMOS habían superado a los sensores CCD, y los sensores CMOS representaban el 54% del mercado mundial de sensores de imagen en ese momento. Para 2012, los sensores CMOS aumentaron su participación al 74% del mercado. A partir de 2017, los sensores CMOS representan el 89% de las ventas globales de sensores de imagen. [25] En los últimos años, la tecnología del sensor CMOS se ha extendido a la fotografía de formato medio con Phase One. siendo el primero en lanzar un respaldo digital de formato medio con un sensor CMOS construido por Sony.

En 2012, Sony presentó el sensor CMOS BI apilado . [24] Fossum ahora realiza investigaciones sobre la tecnología Quanta Image Sensor (QIS). [26] El QIS es un cambio revolucionario en la forma en que recopilamos imágenes en una cámara que se está inventando en Dartmouth. En el QIS, el objetivo es contar cada fotón que golpea el sensor de imagen y proporcionar una resolución de mil millones o más de fotoelementos especializados (llamados jots) por sensor, y leer planos de bits de jot cientos o miles de veces por segundo, lo que resulta en terabits / seg de datos. [27]

Boyd Fowler de OmniVision es conocido por su trabajo en el desarrollo de sensores de imagen CMOS. Sus contribuciones incluyen el primer sensor de imagen CMOS de píxeles digitales en 1994; el primer sensor de imagen CMOS lineal científico con ruido de lectura RMS de un solo electrón en 2003; el primer sensor de imagen CMOS de área científica de varios megapíxeles con alto rango dinámico simultáneo (86dB), lectura rápida (100 cuadros / segundo) y ruido de lectura ultrabajo (1.2e-RMS) (sCMOS) en 2010. También patentó [28 ] el primer sensor de imagen CMOS para radiografías dentales interorales con esquinas recortadas para una mayor comodidad del paciente. [29]

A finales de la década de 2010, los sensores CMOS habían reemplazado en gran medida, si no por completo, a los sensores CCD, ya que los sensores CMOS no solo se pueden fabricar en líneas de producción de semiconductores existentes, lo que reduce los costos, sino que también consumen menos energía, solo por nombrar algunas ventajas. (vea abajo)

Comparación con los CCD [ editar ]

Los píxeles APS resuelven los problemas de velocidad y escalabilidad del sensor de píxeles pasivos. Por lo general, consumen menos energía que los CCD, tienen menos retraso de imagen y requieren instalaciones de fabricación menos especializadas. A diferencia de los CCD, los sensores APS pueden combinar la función del sensor de imagen y las funciones de procesamiento de imagen dentro del mismo circuito integrado . Los sensores APS han encontrado mercados en muchas aplicaciones de consumo, especialmente en teléfonos con cámara . También se han utilizado en otros campos, como la radiografía digital , la adquisición de imágenes militares de ultra alta velocidad, las cámaras de seguridad y los ratones ópticos . Los fabricantes incluyen Aptina Imaging (spin-out independiente de Micron Technology, que compró Photobit en 2001), Canon , Samsung , STMicroelectronics , Toshiba , OmniVision Technologies , Sony y Foveon , entre otros. Los sensores APS de tipo CMOS suelen ser adecuados para aplicaciones en las que el empaquetado, la administración de energía y el procesamiento en chip son importantes. Los sensores de tipo CMOS se utilizan ampliamente, desde la fotografía digital de alta gama hasta las cámaras de los teléfonos móviles.

Ventajas de CMOS en comparación con CCD [ editar ]

Floreciendo en una imagen CCD

Una ventaja principal de un sensor CMOS es que normalmente es menos costoso de producir que un sensor CCD, ya que los elementos de captura y detección de imágenes se pueden combinar en el mismo IC, requiriendo una construcción más simple. [30]

Un sensor CMOS también suele tener un mejor control de la floración (es decir, de la hemorragia de la fotocarga de un píxel sobreexpuesto a otros píxeles cercanos).

En los sistemas de cámaras de tres sensores que utilizan sensores separados para resolver los componentes rojo, verde y azul de la imagen junto con los prismas divisores de haz, los tres sensores CMOS pueden ser idénticos, mientras que la mayoría de los prismas divisores requieren que uno de los sensores CCD tenga ser una imagen especular de los otros dos para leer la imagen en un orden compatible. A diferencia de los sensores CCD, los sensores CMOS tienen la capacidad de invertir el direccionamiento de los elementos del sensor. Existen sensores CMOS con una velocidad de película de 4 millones de ISO. [31]

Desventajas de CMOS en comparación con CCD [ editar ]

Distorsión causada por una persiana enrollable

Dado que un sensor CMOS generalmente captura una fila a la vez en aproximadamente 1/60 o 1/50 de segundo (dependiendo de la frecuencia de actualización), puede producir un efecto de " obturador rodante ", donde la imagen está sesgada (inclinada hacia la izquierda o hacia la derecha, según la dirección de la cámara o el movimiento del sujeto). Por ejemplo, al rastrear un automóvil que se mueve a alta velocidad, el automóvil no se distorsionará, pero el fondo parecerá estar inclinado. Un sensor CCD de transferencia de fotogramas o un sensor CMOS de "obturador global" no tiene este problema; en su lugar, captura la imagen completa de una vez en un almacén de marcos.

Una ventaja de larga data de los sensores CCD ha sido su capacidad para capturar imágenes con menos ruido . [32] Con las mejoras en la tecnología CMOS, esta ventaja se cerró a partir de 2020, con sensores CMOS modernos disponibles capaces de superar a los sensores CCD. [33]

El circuito activo en píxeles CMOS ocupa un área en la superficie que no es sensible a la luz, lo que reduce la eficiencia de detección de fotones del dispositivo ( los sensores retroiluminados pueden mitigar este problema). Pero el CCD de transferencia de tramas también tiene aproximadamente la mitad del área no sensible para los nodos de almacenamiento de tramas, por lo que las ventajas relativas dependen de los tipos de sensores que se comparan.

Arquitectura [ editar ]

Pixel [ editar ]

Un sensor de píxeles activos de tres transistores.

El píxel CMOS APS estándar actual [ ¿cuándo? ] consta de un fotodetector ( fotodiodo fijo ), [2] una difusión flotante y la llamada celda 4T que consta de cuatro transistores CMOS ( semiconductor de óxido metálico complementario ) , que incluyen una puerta de transferencia , una puerta de reinicio, una puerta de selección y una fuente -transistor de lectura seguidor. [34]El fotodiodo fijo se usó originalmente en CCD de transferencia interlínea debido a su baja corriente oscura y buena respuesta azul, y cuando se combina con la puerta de transferencia, permite la transferencia de carga completa desde el fotodiodo fijo a la difusión flotante (que además está conectada a la puerta de el transistor de lectura) eliminando el retraso. El uso de transferencia de carga intrapíxel puede ofrecer menos ruido al permitir el uso de muestreo doble correlacionado (CDS). El píxel Noble 3T todavía se utiliza a veces, ya que los requisitos de fabricación son menos complejos. El píxel 3T comprende los mismos elementos que el píxel 4T, excepto la puerta de transferencia y el fotodiodo. El transistor de reinicio, M rst , actúa como un interruptor para reiniciar la difusión flotante a V RST, que en este caso se representa como la puerta del transistor M sf . Cuando se enciende el transistor de reinicio, el fotodiodo se conecta efectivamente a la fuente de alimentación, V RST , eliminando toda la carga integrada. Dado que el transistor de reinicio es de tipo n , el píxel opera en reinicio suave. El transistor de lectura, M sf , actúa como un búfer (específicamente, un seguidor de fuente ), un amplificador que permite observar el voltaje del píxel sin eliminar la carga acumulada. Su fuente de alimentación, V DD , normalmente está vinculada a la fuente de alimentación del transistor de reinicio V RST . El transistor selecto, M sel, permite que la electrónica de lectura lea una sola fila de la matriz de píxeles. También existen otras innovaciones de los píxeles como los píxeles 5T y 6T. Al agregar transistores adicionales , son posibles funciones como el obturador global, a diferencia del obturador enrollable más común . Para aumentar las densidades de píxeles, se pueden emplear lecturas compartidas de fila compartida, de cuatro y ocho vías, y otras arquitecturas. Una variante del píxel activo 3T es el sensor Foveon X3 inventado por Dick Merrill . En este dispositivo, tres fotodiodos se apilan uno encima del otro utilizando técnicas de fabricación plana., cada fotodiodo tiene su propio circuito 3T. Cada capa sucesiva actúa como un filtro para la capa debajo de ella cambiando el espectro de luz absorbida en capas sucesivas. Al descomponer la respuesta de cada detector en capas, se pueden reconstruir las señales roja, verde y azul.

Matriz [ editar ]

Una matriz bidimensional típica de píxeles se organiza en filas y columnas. Los píxeles de una fila determinada comparten líneas de reinicio, por lo que se reinicia una fila completa a la vez. Las líneas de selección de fila de cada píxel en una fila también están unidas. Las salidas de cada píxel en cualquier columna determinada están vinculadas. Dado que solo se selecciona una fila en un momento dado, no se produce competencia por la línea de salida. Los circuitos de amplificador adicionales se basan típicamente en columnas.

Tamaño [ editar ]

El tamaño del sensor de píxeles a menudo se indica en altura y ancho, pero también en formato óptico .

Estructuras laterales y verticales [ editar ]

Hay dos tipos de estructuras de sensor de píxeles activos (APS), el APS lateral y el APS vertical. [1] Eric Fossum define el APS lateral de la siguiente manera:

Una estructura APS lateral se define como aquella que tiene parte del área de píxeles utilizada para la fotodetección y el almacenamiento de señales, y la otra parte se utiliza para los transistores activos. La ventaja de este enfoque, en comparación con un APS integrado verticalmente, es que el proceso de fabricación es más simple y es altamente compatible con los procesos de dispositivos CMOS y CCD de última generación. [1]

Fossum define el APS vertical de la siguiente manera:

Una estructura APS vertical aumenta el factor de relleno (o reduce el tamaño de píxel) al almacenar la carga de la señal debajo del transistor de salida. [1]

Transistores de película fina [ editar ]

Un sensor de píxeles activo / pasivo de dos transistores

Para aplicaciones tales como imágenes de rayos X digitales de gran área , los transistores de película delgada (TFT) también se pueden usar en la arquitectura APS. Sin embargo, debido al mayor tamaño y menor ganancia de transconductancia de los TFT en comparación con los transistores CMOS, es necesario tener menos TFT en píxeles para mantener la resolución y la calidad de la imagen a un nivel aceptable. Se ha demostrado que una arquitectura APS / PPS de dos transistores es prometedora para APS que utiliza TFT de silicio amorfo . En la arquitectura APS de dos transistores de la derecha, T AMP se utiliza como un amplificador conmutado que integra funciones de M sf y M selen el APS de tres transistores. Esto da como resultado una reducción de los recuentos de transistores por píxel, así como una mayor ganancia de transconductancia de píxeles. [35] Aquí, C pix es la capacitancia de almacenamiento de píxeles, y también se usa para acoplar capacitivamente el pulso de direccionamiento de "Leer" a la puerta de T AMP para la conmutación ON-OFF. Estos circuitos de lectura de píxeles funcionan mejor con detectores fotoconductores de baja capacitancia, como el selenio amorfo .

Variantes de diseño [ editar ]

Se han propuesto y fabricado muchos diseños de píxeles diferentes. El píxel estándar es el más común porque utiliza la menor cantidad de cables y la menor cantidad posible de transistores compactos para un píxel activo. Es importante que los circuitos activos de un píxel ocupen el menor espacio posible para permitir más espacio para el fotodetector. Un recuento alto de transistores perjudica el factor de relleno, es decir, el porcentaje del área de píxeles que es sensible a la luz. El tamaño de píxel se puede cambiar por cualidades deseables, como reducción de ruido o retraso de imagen reducido. El ruido es una medida de la precisión con la que se puede medir la luz incidente. El retraso se produce cuando quedan rastros de un fotograma anterior en fotogramas futuros, es decir, el píxel no se restablece por completo. La variación del ruido de voltaje en un píxel de reinicio suave (voltaje de puerta regulado) es, pero el retraso de la imagen y el ruido de patrón fijo pueden ser problemáticos. En electrones rms, el ruido es .

Restablecimiento completo [ editar ]

El funcionamiento del píxel a través de un restablecimiento completo produce un ruido Johnson-Nyquist en el fotodiodo de o , pero evita el retraso de la imagen, a veces una compensación deseable. Una forma de utilizar el restablecimiento completo es reemplazar M rst con un transistor tipo p e invertir la polaridad de la señal RST. La presencia del dispositivo tipo p reduce el factor de llenado, ya que se requiere espacio adicional entre los dispositivos p y n; también elimina la posibilidad de usar el transistor de reinicio como un drenaje anti-desbordamiento de desbordamiento, que es un beneficio comúnmente explotado del FET de reinicio tipo n. Otra forma de lograr un restablecimiento completo, con el FET tipo n, es reducir el voltaje de V RSTrelativo a la tensión de RST. Esta reducción puede reducir el margen superior o la capacidad de carga completa del pozo, pero no afecta el factor de llenado, a menos que V DD se enrute luego por un cable separado con su voltaje original.

Combinaciones de restablecimiento completo y parcial [ editar ]

Técnicas como el reinicio enjuagado, el reinicio de pseudo-flash y el reinicio de hardware a software combinan el reinicio de software y hardware. Los detalles de estos métodos difieren, pero la idea básica es la misma. Primero, se realiza un restablecimiento completo, eliminando el retraso de la imagen. A continuación, se realiza un reinicio suave, lo que provoca un reinicio de bajo ruido sin agregar ningún retraso. [36] El reinicio de pseudo-flash requiere separar V RST de V DD , mientras que las otras dos técnicas agregan circuitos de columna más complicados. Específicamente, el reinicio de pseudo-flash y el reinicio de hardware añaden transistores entre las fuentes de alimentación de píxeles y el V DD real . El resultado es un espacio para la cabeza más bajo, sin afectar el factor de llenado.

Restablecimiento activo [ editar ]

Un diseño de píxeles más radical es el píxel de reinicio activo. El reinicio activo puede resultar en niveles de ruido mucho más bajos. La compensación es un esquema de reinicio complicado, así como un píxel mucho más grande o un circuito de nivel de columna adicional.

Ver también [ editar ]

  • Píxel sensible al ángulo
  • Sensor retroiluminado
  • Dispositivo de carga acoplada
  • Matriz de captura plana de Fourier
  • Sensor de imagen binaria sobremuestreado
  • Categoría: Cámaras digitales con sensor de imagen CMOS

Referencias [ editar ]

  1. ^ a b c d e f g h i j k l m Fossum, Eric R. (12 de julio de 1993). Blouke, Morley M. (ed.). "Sensores de píxeles activos: ¿son dinosaurios los CCD?". SPIE Proceedings Vol. 1900: Dispositivos de carga acoplada y sensores ópticos de estado sólido III . Sociedad Internacional de Óptica y Fotónica. 1900 : 2-14. Código Bibliográfico : 1993SPIE.1900 .... 2F . CiteSeerX  10.1.1.408.6558 . doi : 10.1117 / 12.148585 . S2CID  10556755 .
  2. ^ a b c d e f g h i j k l m n Fossum, Eric R .; Hondongwa, DB (2014). "Una revisión del fotodiodo fijado para sensores de imagen CCD y CMOS" . Revista IEEE de la Sociedad de Dispositivos Electrónicos . 2 (3): 33–43. doi : 10.1109 / JEDS.2014.2306412 .
  3. ^ Alexander G. Dickinson et al., "Sistema de imágenes y sensor de píxeles activos con modo diferencial", US 5631704 
  4. ^ Zimmermann, Horst (2000). Optoelectrónica de silicio integrada . Saltador. ISBN 978-3-540-66662-2.
  5. ^ Lawrence T. Clark, Mark A. Beiley, Eric J. Hoffman, "Celda de sensor que tiene un circuito de saturación suave" Estados Unidos 6133563 [1] 
  6. Williams, JB (2017). La revolución de la electrónica: inventando el futuro . Saltador. pag. 245. ISBN 9783319490885.
  7. ^ Sze, Simon Min ; Lee, Ming-Kwei (mayo de 2012). "Condensador MOS y MOSFET" . Dispositivos semiconductores: física y tecnología . John Wiley e hijos . ISBN 9780470537947. Consultado el 6 de octubre de 2019 .
  8. ↑ a b Ohta, junio (2017). Sensores de imagen y aplicaciones inteligentes CMOS . Prensa CRC . pag. 2. ISBN 9781420019155.
  9. ^ Paul K. Weimer ; WS Pike; G. Sadasiv; FV Shallcross; L. Meray-Horvath (marzo de 1969). "Sensores de mosaico auto-escaneados de elementos múltiples". Espectro IEEE . 6 (3): 52–65. Código Bibliográfico : 1969ITED ... 16..240W . doi : 10.1109 / MSPEC.1969.5214004 .
  10. ^ Lyon, Richard F. (agosto de 1981). "El ratón óptico y una metodología arquitectónica para sensores digitales inteligentes" (PDF) . En HT Kung; R. Sproull; G. Steele (eds.). Conferencia CMU sobre Estructuras y Computaciones VLSI . Pittsburgh: Computer Science Press. págs. 1–19. doi : 10.1007 / 978-3-642-68402-9_1 . ISBN  978-3-642-68404-3.
  11. ^ Patente de EE. UU. 4.484.210: Dispositivo de imágenes de estado sólido que tiene un retraso de imagen reducido
  12. ^ Teranishi, Nobuzaku ; Kohono, A .; Ishihara, Yasuo; Oda, E .; Arai, K. (diciembre de 1982). "Sin estructura de fotodiodo de retardo de imagen en el sensor de imagen CCD interlínea". Reunión internacional de dispositivos electrónicos de 1982 : 324–327. doi : 10.1109 / IEDM.1982.190285 . S2CID 44669969 . 
  13. ↑ a b Kozlowski, LJ; Luo, J .; Kleinhans, WE; Liu, T. (14 de septiembre de 1998). "Comparación de esquemas de píxeles pasivos y activos para generadores de imágenes visibles CMOS" . Electrónica de lectura de infrarrojos IV . Sociedad Internacional de Óptica y Fotónica. 3360 : 101-110. Código bibliográfico : 1998SPIE.3360..101K . doi : 10.1117 / 12.584474 . S2CID 123351913 . 
  14. ^ a b Peter JW Noble (abril de 1968). "Matrices de detectores de imágenes de silicio autoescaneado". Transacciones IEEE en dispositivos electrónicos . IEEE. ED-15 (4): 202-209. Código Bibliográfico : 1968ITED ... 15..202N . doi : 10.1109 / T-ED.1968.16167 . (Más tarde, Noble recibió un premio por 'Contribuciones fundamentales a los primeros años de los sensores de imagen' de la Sociedad Internacional de sensores de imagen en 2015).
  15. ^ Savvas G. Chamberlain (diciembre de 1969). "Fotosensibilidad y escaneo de matrices de detectores de imágenes de silicio". Revista IEEE de circuitos de estado sólido . SC-4 (6): 333–342. Código bibliográfico : 1969IJSSC ... 4..333C . doi : 10.1109 / JSSC.1969.1050032 .
  16. ^ R. Dyck; G. Weckler (1968). "Matrices integradas de fotodetectores de silicio para detección de imágenes". IEEE Trans. Dispositivos electrónicos . ED-15 (4): 196-201. Código Bibliográfico : 1968ITED ... 15..196D . doi : 10.1109 / T-ED.1968.16166 .
  17. ↑ a b Fossum, Eric R. (18 de diciembre de 2013). "Camera-On-A-Chip: transferencia de tecnología de Saturno a su teléfono celular". Tecnología e Innovación . 15 (3): 197-209. doi : 10.3727 / 194982413X13790020921744 .
  18. ^ Fossum, Eric R. (2007). "Sensores de píxeles activos". S2CID 18831792 .  Cite journal requiere |journal=( ayuda )
  19. ^ Matsumoto, Kazuya; et al. (1985). "Un nuevo fototransistor MOS que funciona en modo de lectura no destructiva". Revista japonesa de física aplicada . 24 (5A): L323. Código bibliográfico : 1985JaJAP..24L.323M . doi : 10.1143 / JJAP.24.L323 .
  20. ^ D. Renshaw; PB Denyer; G. Wang; M. Lu (1990). "Sensores de imagen ASIC". Simposio Internacional IEEE sobre Circuitos y Sistemas 1990 .
  21. ^ MA Mahowald; C. Mead (12 de mayo de 1989). "La Retina de Silicio". Scientific American . 264 (5): 76–82. Código Bibliográfico : 1991SciAm.264e..76M . doi : 10.1038 / scientificamerican0591-76 . PMID 2052936 . 
  22. ^ a b c "Los sensores CMOS habilitan las cámaras del teléfono, video HD" . Spinoff de la NASA . NASA . Consultado el 6 de noviembre de 2019 .
  23. ^ Veendrick, Harry (2000). IC CMOS de submicrones profundos: de los conceptos básicos a los ASIC (PDF) (2.a ed.). Editores académicos de Kluwer . pag. 215. ISBN  9044001116.
  24. ^ a b "Tecnología de detección y generación de imágenes" . Grupo de soluciones de semiconductores de Sony . Sony . Consultado el 13 de noviembre de 2019 .
  25. ^ "Las ventas del sensor de imagen CMOS se mantienen a un ritmo récord" . IC Insights . 8 de mayo de 2018 . Consultado el 6 de octubre de 2019 .
  26. ^ Fossum, ER (1 de septiembre de 2013). "Modelado del rendimiento de sensores de imagen cuántica de un solo bit y de varios bits". Revista IEEE de la Sociedad de Dispositivos Electrónicos . 1 (9): 166-174. CiteSeerX 10.1.1.646.5176 . doi : 10.1109 / JEDS.2013.2284054 . S2CID 14510385 .  
  27. ^ "Sistemas de cámaras y sensores de imagen avanzados | Escuela de Ingeniería Thayer en Dartmouth" . engineering.dartmouth.edu .
  28. ^ [2] , "Sensores de imagen CMOS adaptados para aplicaciones dentales", publicado el 26 de julio de 2006 
  29. ^ "Sensors Expo 2019: quién es quién en tecnología de sensores" . FierceElectronics . Consultado el 25 de junio de 2020 .
  30. ^ Stefano, Meroli. "Sensor CMOS vs CCD. ¿Quién es el claro ganador?" . meroli.web.cern.ch . Consultado el 28 de marzo de 2020 .
  31. ^ "Canon: Tecnología | Sensor CMOS" . www.canon.com .
  32. ^ Grupo, Techbriefs Media. "Sensores CCD y CMOS" . www.techbriefs.com . Consultado el 28 de marzo de 2020 .
  33. ^ "La diferencia entre la detección de imágenes CCD y CMOS" . www.testandmeasurementtips.com . Consultado el 28 de marzo de 2020 .
  34. ^ Lin, Che-I; Lai, Cheng-Hsiao; King, Ya-Chin (5 de agosto de 2004). "Un sensor de píxeles activos CMOS de cuatro transistores con funcionamiento de alto rango dinámico". Actas de la Conferencia IEEE Asia-Pacífico de 2004 sobre circuitos integrados de sistemas avanzados : 124–127. doi : 10.1109 / APASIC.2004.1349425 . ISBN 0-7803-8637-X. S2CID  13906445 .
  35. ^ F. Taghibakhsh; k. S. Karim (2007). "Sensor de píxeles activos de dos transistores para imágenes de rayos X digitales de gran área de alta resolución". Reunión internacional de dispositivos electrónicos de IEEE : 1011–1014.
  36. ^ TRANSACCIONES IEEE EN DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS, VOL. 50, NO. 1 DE ENERO DE 2003

Lectura adicional [ editar ]

  • John L. Vampola (enero de 1993). "Capítulo 5 - Electrónica de lectura para sensores infrarrojos" . En David L. Shumaker (ed.). Manual de sistemas infrarrojos y electroópticos, volumen 3 - Componentes electroópticos . La Sociedad Internacional de Ingeniería Óptica. ISBN 978-0-8194-1072-6. - uno de los primeros libros sobre diseño de matrices de imágenes CMOS
  • Mary J. Hewitt; John L. Vampola; Stephen H. Black; Carolyn J. Nielsen (junio de 1994). Eric R. Fossum (ed.). "Electrónica de lectura infrarroja: una perspectiva histórica". Procedimientos de SPIE . La Sociedad Internacional de Ingeniería Óptica. 2226 (Electrónica de lectura de infrarrojos II): 108-119. Código Bibliográfico : 1994SPIE.2226..108H . doi : 10.1117 / 12.178474 . S2CID  109585056 .
  • Mark D. Nelson; Jerris F. Johnson; Terrence S. Lomheim (noviembre de 1991). "Procesos generales de ruido en arreglos híbridos de plano focal infrarrojo". Ingeniería óptica . La Sociedad Internacional de Ingeniería Óptica. 30 (11): 1682-1700. Código Bibliográfico : 1991OptEn..30.1682N . doi : 10.1117 / 12.55996 .
  • Stefano Meroli; Leonello Servoli; Daniele Passeri (junio de 2011). "Uso de un generador de imágenes CMOS estándar como detector de posición para partículas cargadas". Física nuclear B - Suplementos de actas . Elsevier. 215 (1): 228–231. Código Bibliográfico : 2011NuPhS.215..228S . doi : 10.1016 / j.nuclphysbps.2011.04.016 .
  • Martin Vasey (septiembre de 2009). "Prueba del sensor de imagen CMOS: un enfoque integrado" . Soluciones Jova . San Francisco, CA.

Enlaces externos [ editar ]

  • Cámara CMOS como sensor Tutorial que muestra cómo la cámara CMOS de bajo costo puede reemplazar a los sensores en aplicaciones robóticas
  • CMOS APS vs CCD Sensor de píxeles activos CMOS vs CCD. Comparación de rendimiento
  • La página web del inventor del sensor de imagen Peter JW Noble con artículos y video de la presentación de 2015
  • Imagen que muestra la topología de los sensores FSI y BSI