Dari cahaya ke isyarat: Meneroka mekanisme sensor CCD dan CMOS

Sensor imej menukar cahaya menjadi isyarat elektronik, membolehkan pengimejan digital dalam kamera dan peranti optik.Sensor ini membentuk asas sistem visual moden, menangkap data resolusi tinggi melalui mekanisme penukaran fotoelektrik yang tepat.

Katalog

Pengenalan

Sensor imej, yang sering disebut sebagai elemen fotosensitif, adalah peranti yang indah yang mengubah imej optik ke dalam isyarat elektronik, membawa keajaiban menangkap momen melalui mata digital.Ia memainkan peranan penting dalam reka bentuk kamera digital yang rumit dan pelbagai peranti optik elektronik lain.Menggunakan keupayaan penukaran fotoelektrik yang wujud dalam peranti fotoelektrik, sensor imej menerjemahkan imej cahaya yang ditangkap pada permukaan fotosensinya ke dalam isyarat elektrik yang mengekalkan hubungan langsung dengan imej cahaya asal.Tidak seperti sumber cahaya "titik" yang mudah seperti photodiodes dan phototransistors, sensor imej secara unik memisahkan imej cahaya ke permukaan yang diterima ke dalam banyak unit kecil, menukar maklumat visual ke dalam isyarat elektrik yang sesuai untuk pemprosesan selanjutnya.

Sensor imej CCD dan selok -belok mereka

Definisi menarik sensor imej CCD

Dalam bidang fotografi, CCD berfungsi sebagai komponen teknologi yang canggih, yang memenuhi keperluan mereka yang mempunyai kualiti imej yang lebih baik.Secara kontras, CMOS mendapati tempatnya dalam senario di mana kejelasan imej yang tinggi bukanlah tumpuan utama.Orang mungkin menghargai daya tarikan CMO dengan kos pembuatan yang berpatutan dan keperluan kuasa yang sangat rendah berbanding dengan CCD yang lebih tradisional.Walaupun jurang teknologi mereka, perbezaan hasil mereka tetap halus.Sebagai contoh, kamera CMOS mengidam dan menuntut sumber cahaya yang lebih halus, satu cabaran yang sebahagian besarnya diatasi hari ini.Unsur -unsur CCD biasanya mengukur sekitar 1/3 inci hingga 1/4 inci.Apabila ketumpatan piksel bersamaan, elemen yang lebih besar sering menjadi pilihan yang lebih diingini.

Perjalanan CCD bermula pada tahun 1969 di Bell Labs, berkembang menjadi pengeluaran besar -besaran, terutamanya yang dipeluk oleh perusahaan Jepun.Naratifnya merangkumi hampir tiga dekad, berkembang menjadi dua jenis yang berbeza: linear dan kawasan CCD.CCD linear meminjamkan diri kepada pengimbas imej dan mesin faks, manakala CCD kawasan berkembang di dalam alam seperti kamera digital, kamkorder, dan pengawasan keselamatan.

Pada dasarnya, CCD berdiri sebagai pengganti digital untuk filem tradisional, mencerminkan prinsip bahan kimia pendengaran cahaya pada filem.Medium canggih ini, yang dibuat dari bahan semikonduktor sensitiviti tinggi, mengubah cahaya menjadi caj elektrik dan seterusnya menjadi isyarat digital melalui penukar analog-ke-digital.Isyarat digital ini, yang pernah ditangkap, dimampatkan dengan cekap dan terletak di dalam memori dalaman kamera atau kad cakera keras, yang menawarkan kemudahan pemindahan komputer untuk penghalusan imej selanjutnya.

Tarian kompleks prinsip kerja sensor imej CCD

CCD adalah ensemble unit fotosensitif yang banyak, masing -masing biasanya diukur dalam megapiksel.Apabila dihiasi dengan cahaya, setiap unit memancarkan pertuduhannya, dengan itu melebarkan imej yang koheren apabila output mereka berkumpul.

Inti dari CCD adalah kapasitor MOS, perlindungan untuk caj elektrik, seperti yang digambarkan dalam Rajah 1. Pertimbangkan silikon p-jenis: di permukaannya terletak lapisan SiO2, dibina melalui pengoksidaan, di atas dengan lapisan logam yang bertindak sebagai pintu.Pengangkut majoriti dalam silikon p-jenis adalah lubang positif;Pembawa minoriti adalah elektron yang dikenakan secara negatif.Memohon voltan positif ke elektrod logam mewujudkan medan elektrik yang memanipulasi pembawa ini melalui lapisan penebat SiO2.Akibatnya, lubang -lubang yang dikenakan secara positif menarik dari elektrod, meninggalkan elektron yang teguh berhampiran SiO2, membentuk lapisan caj negatif, fenomena yang biasanya digambarkan sebagai perangkap elektron atau potensi yang baik.

Apabila terdedah kepada cahaya, tenaga foton menghasut pasangan lubang elektron dalam semikonduktor, dengan elektron berlindung dalam potensi yang berpotensi.Keamatan cahaya secara langsung berkorelasi kepada pengumpulan elektron, menawarkan transformasi cahaya yang ketara ke dalam caj.Hebatnya, caj -caj ini bertahan walaupun selepas cahaya abates, menangkap intipati cahaya dalam ingatan.

Memudahkan struktur rumit ini mendedahkan kapasitor MOS minuscule berfungsi sebagai piksel, yang mampu menangkap 'imej laten'.Di sini, fotosensitiviti membawa kepada pengumpulan caj, dan kebolehubahan yang bertanggungjawab di kalangan piksel membentuk imej laten.Berkesan memindahkan caj antara kapasitor mencipta baris, bingkai, dan pada akhirnya, imej lengkap menjadi realiti.

Ciri -ciri menarik sensor imej CCD

Resolusi Tinggi: Minutiae titik imej menyelidiki ke dalam alam mikrometer, menangkap dan bijak butiran halus, menghasilkan kualiti imej yang dipertingkatkan.Bermula dari 1 inci hingga 1/9 inci elemen, jumlah piksel telah melonjak dari lebih dari 100,000 hingga 4-5 juta piksel yang mengagumkan.

Kebisingan yang rendah & sensitiviti yang dicemburui: CCD dibezakan dengan bunyi bising yang minimum dan bunyi bising yang gelap, memperkayakan nisbah isyarat-ke-bunyi dan memperluaskan kepekaan mereka kepada cahaya yang lemah.Oleh itu, CCD beroperasi dengan kekangan yang lebih sedikit daripada keadaan luaran.

Julat Dinamik yang luas: CCD secara adeptly membezakan dan secara serentak menangkap kedua -dua cahaya yang sengit dan redup, memperluas persekitaran operasi tanpa menebang kontras kecerahan.

Linearity yang boleh dipuji: Hubungan berkadar antara intensiti cahaya insiden dan isyarat output memastikan maklumat objek direkodkan dengan tepat, mengakibatkan kos pemprosesan yang lebih sedikit untuk pampasan isyarat.

Kecekapan kuantum yang tinggi: Walaupun sumber cahaya yang lemah ditangkap, dan apabila ditambah dengan penguat imej dan projektor, adegan jauh menjadi kelihatan walaupun pada waktu malam.

Bidang Pandangan yang luas: cip CCD kawasan besar, yang dibuat melalui teknologi semikonduktor, telah mula menggantikan filem tradisional dalam kamera digital, penting peralihan untuk fotografi profesional.

Sambutan spektrum yang luas: mampu mengesan pelbagai panjang gelombang, CCD meningkatkan fleksibiliti sistem, memperluaskan domain aplikasi.

Pengurangan imej yang dikurangkan: Dengan sensor CCD, pemprosesan imej dengan setia mewakili sifat sebenar objek sans distorsi.

Kompak dan integrasi mudah: Kompak dan ringan, CCD Cari aplikasi mudah dalam satelit dan sistem navigasi.

Pemindahan caj yang cekap: Integral untuk menambah nisbah dan resolusi isyarat-ke-bunyi, keputusan pemindahan caj yang lemah dalam imej kabur, menggariskan kecemerlangan aspek ini dalam sensor CCD.

Teknologi CMOS

Memahami sensor imej CMOS

Proses pembuatan CMOS sama dengan cip komputer yang biasa, sangat bergantung pada silikon dan semikonduktor germanium.Komposisi dwi-material ini membolehkan kewujudan N-jenis yang dikenakan secara negatif dan semikonduktor P-jenis yang dikenakan secara positif dalam CMOS.Melalui sifat pelengkap ini, arus dihasilkan, ditangkap, dan diubah menjadi imej melalui cip pemprosesan.Dari masa ke masa, inovasi mendedahkan keupayaan CMOS untuk berfungsi sebagai sensor imej, memperluaskan kegunaannya ke dalam fotografi digital.

Metal-oksida semikonduktor pelengkap, atau CMOS, terutamanya terdiri daripada silikon dan semikonduktor germanium.Ia berfungsi dengan menggunakan interaksi transistor negatif dan positif.Keupayaan penangkapan imej timbul dari arus kesan ini menjana, yang mana rekod cip pemprosesan dan penafsiran.

Sensor imej CMOS diiktiraf sebagai peranti pengimejan keadaan pepejal yang mantap, berkongsi akar sejarah dengan teknologi CCD.Sensor imej CMOS yang tipikal mengintegrasikan komponen seperti array sel sensor imej, pemandu baris dan lajur, logik kawalan masa, penukar iklan, dan antara muka untuk output dan kawalan bas data.Unsur -unsur ini berfungsi secara kolektif dalam cip silikon bersatu, melaksanakan proses seperti RESET, penukaran fotoelektrik, integrasi, dan pembacaan.

Keupayaan penukaran fotoelektrik CMOS menyerupai CCD;Walau bagaimanapun, menyimpang dalam kaedah penghantaran maklumat berikutnya.

Prinsip Operasi Sensor Imej CMOS

Struktur piksel transistor MOS

Untuk memahami sensor imej CMOS, seseorang mesti terlebih dahulu memahami struktur piksel asas transistor MOS.Dalam persediaan ini, transistor MOS ditambah dengan fotodiod membentuk piksel.Semasa integrasi cahaya, transistor MOS tidak aktif kerana photodiode menjana pembawa berdasarkan intensiti cahaya insiden, menyimpannya dalam persimpangan PN (ditunjukkan sebagai kedudukan ① dalam rajah).

Pada penyempurnaan integrasi, denyut imbasan dihantar ke pintu transistor MOS untuk mengaktifkannya.Photodiode kemudian menetapkan semula potensi rujukan, yang membolehkan aliran semasa video merentasi beban.Sumber PN Junction melakukan penukaran fotoelektrik dan penyimpanan pembawa, dengan isyarat video dibaca sebagai pintu gerbang menerima pencetus nadi.

Konfigurasi array sensor imej CMOS

Struktur piksel individu, yang dibentuk oleh banyak transistor MOS, menubuhkan pelbagai elemen imej CMOS.Persediaan ini menandakan permulaan pengesanan cahaya oleh sensor imej CMOS.Terdiri daripada daftar peralihan mendatar, daftar peralihan menegak, dan array elemen sensitif imej CMOS (1-vertikal shift daftar, daftar peralihan 2-horizontal, suis imbasan 3-horizontal, suis imbasan 4-vertikal, array sensor 5-imej, garis 6-signal, sensor 7-image), bentuk array ini.

Setiap transistor MOS bertindak sebagai suis, didorong oleh litar pengimbasan mendatar dan menegak.Pengaktifan berurutan, yang difasilitasi oleh daftar peralihan mendatar, membolehkan pengenalpastian lajur, manakala daftar peralihan menegak menangani setiap baris secara sistematik.Pixel tipikal terdiri daripada fotodiod dan transistor MOS yang berfungsi sebagai suis menegak, dipengaruhi oleh denyutan dari daftar peralihan yang sepadan.Melalui konfigurasi ini, voltan rujukan (bias) secara berurutan digunakan untuk setiap photodiode.

Di bawah pencahayaan, photodiode melepaskan kapasitans melalui penjanaan pembawa, mengumpul isyarat semasa integrasi.Penggunaan voltan bias mencontohkan proses bacaan isyarat, dengan magnitud isyarat video yang berkaitan dengan intensiti cahaya piksel.

Aliran kerja sensor imej CMOS: Pendekatan tiga langkah

Operasi sensor imej CMOS mengikuti pendekatan tri-langkah seperti yang digambarkan dalam gambarajah blok fungsinya:

Langkah 1: Cahaya menerangi array piksel, menimbulkan tindak balas fotoelektrik, menghasilkan caj dalam unit piksel.Adegan, yang difokuskan melalui lensa pengimejan ke array sensor-pembinaan dua dimensi dengan fotodiod pada setiap piksel-translates intensiti cahaya ke dalam isyarat elektrik.

Langkah 2: Pemilihan piksel sasaran untuk operasi berlaku melalui litar pemilihan baris dan lajur, yang membolehkan isyarat elektrik diekstrak.Semasa pemilihan, unit logik baris boleh melakukan pengimbasan berurutan atau interlaced, juga terpakai kepada lajur, membolehkan pengekstrakan tetingkap imej.

Langkah 3: Pemprosesan selepas, isyarat unit piksel adalah output.Unit pemprosesan isyarat analog dan penukar A/D mengubah isyarat dari array imej ke bentuk digital.Tugas utama di sini termasuk penguatan isyarat dan pengurangan bunyi, meningkatkan nisbah isyarat-ke-bunyi.

Isyarat Pixel menjalani penguatan dan pensampelan berganda berkorelasi (CDS) untuk diproses.Peranti berkualiti tinggi memihak kepada CD untuk membatalkan gangguan statik dan berkaitan.Teknik ini melibatkan perbandingan output dua-satu output menjadi isyarat masa nyata dan satu lagi isyarat rujukan-dalam mengurangkan gangguan.

Manfaat tambahan metodologi ini termasuk pengurangan bunyi KTC, bunyi bising, dan bunyi corak tetap (FPN), di samping pengurangan bunyi 1/f.Ia memudahkan tugas pemprosesan isyarat seperti integrasi, penguatan, persampelan, dan pegangan.Isyarat yang diproses kemudian diteruskan ke penukar analog/digital untuk output digital.

Selain itu, untuk aplikasi kamera berfungsi, cip menggabungkan litar kawalan yang mengawal pendedahan, keuntungan automatik, dan penyegerakan masa.Mekanisme ini memastikan operasi kohesif merentasi litar bersepadu, dengan output penting seperti penyegerakan dan isyarat permulaan garis untuk fungsi kamera lancar.

Soalan Lazim [Soalan Lazim]

1. Apakah fungsi sensor imej?

Sensor imej adalah peranti yang membolehkan kamera menukar cahaya, khususnya foton, ke dalam isyarat elektrik.Isyarat -isyarat ini kemudiannya ditafsirkan oleh kamera, membantu dalam penciptaan imejan.Pada hari-hari awal fotografi digital, kamera pertama menggunakan peranti caj yang digabungkan (CCD) untuk memudahkan pemindahan dan modulasi caj elektrik di seluruh peranti.

2. Berapa kos sensor imej?

Sensor imej CMOS mencari jalan ke dalam pelbagai aplikasi yang mesra bajet.Mereka biasanya digunakan dalam peranti seperti kamera masih digital peringkat kemasukan, pembantu digital peribadi (PDA), dan telefon bimbit.Bergantung pada aplikasi tertentu, kos pengeluaran untuk sensor ini biasanya berkisar antara $ 4 dan $ 10.

3. Bagaimana sensor kamera beroperasi?

Pada terasnya, pemahaman bagaimana sensor kamera berfungsi melibatkan pengiktirafan ketika pengatup dibuka.Pada masa ini sensor menangkap foton yang memasuki lensa dan menukarkannya menjadi isyarat elektrik.Isyarat ini dibaca oleh pemproses kamera, yang kemudian menafsirkannya ke dalam warna.Data berwarna -warni ini disusun untuk mencipta imej akhir.

4. Apakah peranan yang dimainkan oleh sensor imej dalam kamera CCTV?

Dalam kamera IP, sensor imej bertanggungjawab untuk menangkap cahaya yang menembusi lensa.Lampu yang ditangkap ini diubah menjadi isyarat elektrik, yang kemudian direkodkan dan dilihat sebagai rakaman video.Proses ini membolehkan pemantauan masa nyata dan main balik data visual.

5. Dalam apa cara saiz sensor mempengaruhi kualiti imej?

Sensor yang lebih besar dalam kamera umumnya bermakna foto yang lebih besar, yang boleh menampung lebih banyak megapiksel dan menyumbang kepada imej unggul dengan resolusi yang lebih tinggi.Hasil resolusi tinggi memastikan bahawa foto anda mengekalkan kualiti mereka, walaupun diperbesarkan hingga saiz yang besar.