Cmos матрица что это такое: CMOS (КМОП) матрицы — что это?

Содержание

CMOS (КМОП) матрицы — что это?

В современных видеокамерах активно используют 2 типа матриц: CMOS и CCD.  Матрица CMOS (КМОП) построена на базе CMOS-технологии, которая и дала название этому продукту (complementary metal-oxide-semiconductor, комплементарная структура металл-оксид-полупроводник). Если в камерах среднего ценового сегмента оба варианта применяются примерно в равной пропорции, то в бюджетных видеосистемах чаще встречается именно КМОП.

Принцип работы технологии следующий:

  • Подается сигнал сброса;
  • Диоды накапливают заряд во время экспозиции;
  • Происходит считывание параметров.

Несмотря на многолетнюю историю применения, матрицы данного типа не относятся к устаревшим. Они до сих пор позволяют выполнить задачу организации видеонаблюдения на объекте. Ежегодно выпускаются новые модели камер, оснащенных CMOS.

Основные преимущества

Ключевые причины, по которым стоит сделать выбор в пользу CMOS (КМОП) матрицы:
  • Невысокая стоимость по сравнению с ПЗС-аналогами. При увеличении размеров разница в стоимости продолжает расти;
  • Низкое энергопотребление. Важный фактор при работе камеры от аккумулятора, устаревшей электросети объекта, значительном количестве подключенных устройств;
  • Возможность кадрированного считывания – анализа произвольных пикселей, увеличивающая скорость записи. Не нужно считывать сразу всю информацию, как с ПЗС-камерой. Улучшается качество ручной фокусировки;
  • Используются в миниатюрных видеокамерах. 

Недостатки

Делая выбор в пользу данного типа элементов, стоит учитывать ограничения CMOS-технологии:
  • Повышенный нагрев устройства, рост шумов;
  • Низкая светочувствительность матрицы на старых моделях камер. Сейчас ситуация частично исправлена за счет новой линейки оборудования с технологией Exmor с увеличением светочувствительности пикселей;
  • Искривленное изображение быстро перемещающихся объектов.
    Эффект «rolling shutter».

Со временем технология совершенствуется, отставание в указанных областях от CCD-матриц уменьшается.

Область применения CMOS матриц

КМОП-элементы благодаря надежности, низкой стоимости и гибкой настройки получили широкое применение в нескольких сферах нашей жизни. Прежде всего, в фотографии – камеры телефонов и фотоаппаратов оснащены именно этими матрицами, удовлетворяя потребности пользователя. Второе место – видеонаблюдение:
  • При охране квартир;
  • Наблюдении за аэропортом;
  • Контроле строительной площадки;
  • В офисе;
  • В торговом центре;
  • На складе;
  • Для других объектов с разными условиями эксплуатации.

Матрицы удастся встретить в дорожной (контроль поведения участников дорожного движения), научной сфере, медицине, промышленности.


CCD или CMOS? Что лучше?

В рубрику «Видеонаблюдение (CCTV)» | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Сенсор изображения является важнейшим элементом любой видеокамеры. Сегодня практически во всех камерах используются датчики изображения CCD или CMOS. Оба типа датчика выполняют задачу преобразования изображения, построенного на сенсоре объективом, в электрический сигнал. Однако вопрос, какой датчик лучше, до сих пор остается открытым

Н.И. Чура
Технический консультант
ООО «Микровидео Группа»

CCD является аналоговым датчиком, несмотря на дискретность светочувствительной структуры. Когда свет попадает на матрицу, в каждом пикселе накапливается заряд или пакет электронов, преобразуемый при считывании на нагрузке в напряжение видеосигнала, пропорциональное освещенности пикселей. Минимальное количество промежуточных переходов этого заряда и отсутствие активных устройств обеспечивают высокую идентичность чувствительных элементов CCD.

CMOS-матрица является цифровым устройством с активными чувствительными элементами (Active Pixel Sensor). С каждым пикселем работает свой усилитель, преобразующий заряд чувствительного элемента в напряжение. Это дает возможность практически индивидуально управлять каждым пикселем.

Эволюция CCD

С момента изобретения CCD лабораторией Белла (Bell Laboratories, или Bell Labs) в 1969 г. размеры сенсора изображения непрерывно уменьшались. Одновременно увеличивалось число чувствительных элементов. Это естественно вело к уменьшению размеров единичного чувствительного элемента (пикселя), а соответственно и его чувствительности. Например, с 1987 г. эти размеры сократились в 100 раз. Но благодаря новым технологиям чувствительность одного элемента (а следовательно, и всей матрицы) даже увеличилась.

Что позволило доминировать
С самого начала CCD стали доминирующими сенсорами, поскольку обеспечивали лучшее качество изображения, меньший шум, более высокую чувствительность и большую равномерность параметров пикселей. Основные усилия по совершенствованию технологии были направлены на улучшение характеристик CCD.

Как растет чувствительность
По сравнению с популярной матрицей Sony HAD стандартного разрешения (500х582) конца 1990-х гг. (ICX055) чувствительность моделей более совершенной технологии Super HAD выросла почти в 3 раза (ICX405) и Ex-view HAD – в 4 раза (ICX255). Причем для черно-белого и цветного варианта.

Для матриц высокого разрешения (752х582) успехи несколько менее впечатляющие, но если сопоставлять модели цветного изображения Super HAD с самыми современными технологиями Ex-view HAD II и Super HAD II, то рост чувствительности составит в 2,5 и 2,4 раза соответственно. И это несмотря на уменьшение размеров пикселя почти на 30%, поскольку речь идет о матрицах самого современного формата 960H с увеличенным количеством пикселей до 976х582 для стандарта PAL. Для обработки такого сигнала Sony предлагает ряд сигнальных процессоров Effio.

Добавилась ИК-составляющая
Одним из эффективных методов роста интегральной чувствительности является расширение спектральных характеристик чувствительности в область инфракрасного диапазона. Это особенно характерно для матрицы Ex-view. Добавление ИК-составляющей несколько искажает передачу относительной яркости цветов, но для черно-белого варианта это не критично. Единственная проблема возникает с цветопередачей в камерах «день/ночь» с постоянной ИК-чувствительностью, то есть без механического ИК-фильтра.


Развитие этой технологии в моделях Ex-view HAD II (ICX658AKA) в сравнении с предыдущим вариантом (ICX258AK) обеспечивает рост интегральной чувствительности всего на 0,8 дБ (с 1100 до 1200 мВ) с одновременным увеличением чувствительности на длине волны 950 нм на 4,5 дБ. На рис. 1 приведены характеристики спектральной чувствительности этих матриц, а на рис. 2 – отношение их интегральной чувствительности.


Оптические инновации
Другим методом роста чувствительности CCD являются увеличение эффективности пиксельных микролинз, светочувствительной области и оптимизация цветовых фильтров. На рис. 3 представлено устройство матриц Super HAD и Super HAD II, показывающее увеличение площади линзы и светочувствительной области последней модификации.

Дополнительно в матрицах Super HAD II значительно увеличено пропускание светофильтров и их устойчивость к выцветанию. Кроме того, расширено пропускание в коротковолновой области спектра (голубой), что улучшило цветопередачу и баланс белого.

На рис. 4 представлены спектральные характеристики чувствительности матриц Sony 1/3″ Super HAD (ICX229AK) и Super HAD II (ICX649AKA).

CCD: уникальная чувствительность

В совокупности перечисленных мер удалось добиться значительных результатов по улучшению характеристик CCD.

Сравнить характеристики современных моделей с более ранними вариантами не представляется возможным, поскольку тогда не производились цветные матрицы широкого применения даже типового высокого разрешения. В свою очередь, сейчас не производятся черно-белые матрицы стандартного разрешения по новейшим технологиям Ex-view HAD II и Super HAD II.

В любом случае по чувствительности CCD до сих пор являются пока недостижимым ориентиром для CMOS, поэтому они все еще широко используются за исключением мегапиксельных вариантов, которые очень дорого стоят и применяются в основном для специальных задач.

CMOS: достоинства и недостатки

Сенсоры CMOS были изобретены в конце 1970-х гг., но их производство удалось начать только в 1990-е по причине технологических проблем. И сразу наметились их основные достоинства и недостатки, которые и сейчас остаются актуальными.

К достоинствам можно отнести большую интеграцию и экономичность сенсора, более широкий динамический диапазон, простоту производства и меньшую стоимость, особенно мегапиксельных вариантов.

С другой стороны, CMOS-сенсоры обладают меньшей чувствительностью, обусловленной, при прочих равных условиях, большими потерями в фильтрах структуры RGB, меньшей полезной площадью светочувствительного элемента. В результате множества переходных элементов, включая усилители в тракте каждого пикселя, обеспечить равномерность параметров всех чувствительных элементов значительно сложнее в сравнении с CCD. Но совершенствование технологий позволило приблизить чувствительность CMOS к лучшим образцам CCD, особенно в мегапиксельных вариантах.

Ранние сторонники CMOS утверждали, что эти структуры будут гораздо дешевле, потому что могут быть произведены на том же оборудовании и по тем же технологиям, что и микросхемы памяти и логики. Во многом данное предположение подтвердилось, но не полностью, поскольку совершенствование технологии привело к практически идентичному по сложности производственному процессу, как и для CCD.

С расширением круга потребителей за рамки стандартного телевидения разрешение матриц стало непрерывно расти. Это бытовые видеокамеры, электронные фотоаппараты и камеры, встроенные в средства коммуникации. Кстати, для мобильных устройств вопрос экономичности довольно важный, и здесь у CMOS-сенсора нет конкурентов. Например, с середины 1990-х гг. разрешение матриц ежегодно вырастало на 1–2 млн элементов и теперь достигает 10–12 Мпкс. Причем спрос на CMOS-сенсоры стал доминирующим и сегодня превышает 100 млн единиц.

CMOS: улучшение чувствительности

Первые образцы камер наблюдения конца 1990-х – начала 2000-х с CMOS-матрицами имели разрешение 352х288 пкс и чувствительность даже для черно-белого варианта около 1 лк. Цветные варианты уже стандартного разрешения отличались чувствительностью около 7–10 лк.

Что предлагают поставщики
В настоящее время чувствительность CMOS-матриц, безусловно, выросла, но не превышает для типовых вариантов цветного изображения величины порядка нескольких люксов при разумных величинах F числа объектива (1,2– 1,4). Это подтверждают данные технических характеристик брендов IP-видеонаблюдения, в которых применяются CMOS-матрицы с прогрессивной разверткой. Те производители, которые заявляют чувствительность около десятых долей люкса, обычно уточняют, что это данные для меньшей частоты кадров, режима накопления или по крайней мере включенной и достаточно глубокой АРУ (AGC). Причем у некоторых производителей IP-камер максимальная АРУ достигает умопомрачительной величины –120 дБ (1 млн раз). Можно надеяться, что чувствительность для этого случая в представлении производителей предполагает пристойное отношение «сигнал/шум», позволяющее наблюдать не один только «снег» на экране.

Инновации улучшают качество видео
В стремлении улучшить характеристики CMOS-матриц компания Sony предложила ряд новых технологий, обеспечивающих практическое сравнение CMOS-матриц с CCD по чувствительности, отношению «сигнал/шум» в мегапиксельных вариантах.

Новая технология производства матриц Exmor основана на изменении направления падения светового потока на матрицу. В типовой архитектуре свет падает на фронтальную поверхность кремниевой пластины через и мимо проводников схемы матрицы. Свет рассеивается и перекрывается этими элементами. В новой модификации свет поступает на тыльную сторону кремниевой пластины. Это привело к существенному росту чувствительности и снижению шума CMOS-матрицы. На рис. 5 поясняется различие структур типовой матрицы и матрицы Exmor, показанных в разрезе.


На фото 1 приведены изображения тестового объекта, полученные при освещенности 100 лк (F4.0 и 1/30 с) камерой с CCD (фронтальное освещение) и CMOS Exmor, имеющих одинаковый формат и разрешение 10 Мпкс. Очевидно, что изображение камеры с CMOS по крайней мере не хуже изображения с CCD.


Другим способом улучшения чувствительности CMOS-сенсоров является отказ от прямоугольного расположения пикселей с построчным сдвигом красного и синего элементов. При этом в построении одного элемента разрешения используются по два зеленых пикселя – синий и красный из разных строк. Взамен предлагается диагональное расположение элементов с использованием шести соседних зеленых элементов для построения одного элемента разрешения. Такая технология получила название ClearVid CMOS. Для обработки предполагается более мощный сигнальный процессор изображений. Различие структур расположения цветных элементов иллюстрируются рис. 6.


Считывание информации осуществляется быстродействующим параллельным аналого-цифровым преобразователем. При этом частота кадров прогрессивной развертки может достигать 180 и даже 240 кадр/с. При параллельном съеме информации устраняется диагональный сдвиг кадра, привычный для CMOS-камер с последовательным экспонированием и считыванием сигнала, так называемый эффект Rolling Shutter – когда полностью отсутствует характерный смаз быстро движущихся объектов.  


На фото 2 приведены изображения вращающегося вентилятора, полученные CMOS-камерой с частотой кадров 45 и 180 кадр/с.

Полноценная конкуренция

В качестве примеров мы приводили технологии Sony. Естественно, CMOS-матрицы, как и CCD, производят и другие компании, хотя не в таких масштабах и не столь известные. В любом случае все так или иначе идут примерно одним путем и используют похожие технические решения.

В частности, известная технология матриц Panasonic Live-MOS также существенно улучшает характеристики CMOS-матриц и, естественно, похожими методами. В матрицах Panasonic уменьшено расстояние от фотодиода до микролинзы. Упрощена передача сигналов с поверхности фотодиода. Уменьшено количество управляющих сигналов с 3 (стандартные CMOS) до 2 (как в CCD), что увеличило фоточувствительную область пикселя. Применен малошумящий усилитель фотодиода. Используется более тонкая структура слоя датчиков. Сниженное напряжение питания уменьшает шум и нагрев матрицы.

Можно констатировать, что мегапиксельные матрицы CMOS уже могут успешно конкурировать с CCD не только по цене, но и по таким проблемным для этой технологии характеристикам, как чувствительность и уровень шума. Однако в традиционном CCTV телевизионных форматов CCD-матрицы остаются пока вне конкуренции.

Опубликовано: Журнал «Системы безопасности» #5, 2011
Посещений: 89946

  Автор


Чура Н.И.Технический консультант ООО «Система СБ» и ООО «Микровидео /Группа».

Всего статей:  57

В рубрику «Видеонаблюдение (CCTV)» | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

В чем различия матриц CMOS и CCD?

В отличие от CCD матриц, CMOS матрицы (complementary metal-oxide-semiconductor, комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник, КМОП), оцифровывают каждый пиксель на месте. CMOS матрицы были изначально менее энергопотребляющие и дешевыми, особенно в производстве больших размеров матриц, однако уступали CCD матрицам по качеству.

К преимуществам CCD матриц относятся:

  • Низкий уровень шумов.
  • Высокий коэффициент заполнения пикселов (около 100%).
  • Высокая эффективность (отношение числа зарегистрированных фотонов к их общему числу, попавшему на светочувствительную область матрицы, для CCD — 95%).
  • Высокий динамический диапазон (чувствительность).

К недостаткам CCD матриц относятся:

  • Сложный принцип считывания сигнала, а следовательно и технология.
  • Высокий уровень энергопотребления (до 2-5Вт).
  • Дороже в производстве.

Преимущества CMOS матриц:

  • Высокое быстродействие(до 500 кадров/с).
  • Низкое энергопотребление(почти в 100 раз по сравнению с CCD).
  • Дешевле и проще в производстве.
  • 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

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

ПЗС или КМОП матрица – “муки выбора”?

Существуют два вида матриц — CCD (ПЗС) и CMOS (КМОП).

Что же это значит и в чем отличие?

CCD и CMOS сенсоры были изобретены в 1960–1970х годах, и они пришли на смену электронно-лучевым видиконам. CCD сенсоры изначально стали доминирующими на рынке, они были нацелены на использование в научных исследованиях (равно как, и в промышленности, и медицине) и позволяли достичь превосходного качества изображения, соответствующего уровню технологий того времени. Полупроводниковые производства просто не могли «раскрыть» все возможности CMOS сенсоров на то время. Вновь интерес к производству CMOS возник в 90-х годах, так как была выявлена необходимость массового производства матриц с меньшим энергопотреблением и меньшей ценой.

В CCD сенсоре свет, который попадает на пиксель, изменяет его «электрическое» состояние. «Информация» об этом передаётся только через один выходной канал (реже — два). Далее происходит конвертация в уровень напряжения, проходит процедура буферизации и подача на выходе — как аналоговый электрический сигнал. Данный сигнал потом усиливается и конвертируется в цифровое значение, благодаря аналого-цифровому преобразователю (АЦП), который находится вне сенсора.

CMOS сенсоры благодаря технологии производства уже включают в себя усилители и АЦП, соответственно процедура получения изображения позволяет достичь гораздо большей скорости чтения.

Все это сказывается на общем методе получения изображения — технология CCD позволяет проводить считывание только с одного канала или максимум двух (и это является «бутылочным горлышком» данной технологии). Тогда как в CMOS сенсоре цифровые усилители используются в каждом отдельном пикселе (на данный момент в CMOS сенсорах могут использоваться 8 и 16 канальное считывание). Казалось бы, отдельное считывание каждого пикселя должно занимать больше времени, но так как процессы считывания в CMOS сенсорах происходят параллельно, это позволяет им достичь большей пропускной способности по сравнению с CCD сенсорами.


Источник изображения: dslrclub.ru

Это можно сравнить с дорогой  CCD представляет собой хорошую, но двух полосную автомагистраль, в то время как CMOS сенсоры можно сравнить с восьми или даже 16 полосным шоссе.

У каждой из технологий есть и свои особенности

— CCD сенсоры имеют лучшую светочувствительность и меньше подвержены «цифровому шуму» (дефект изображения, при котором видны пиксели случайного цвета и яркости) так как размер пикселя, как правило, больше, потому что в камерах, использующих CMOS сенсоры, сложная электронная схема уменьшает размер пикселя. Как результат — некоторое количество света попадает не на светочувствительные фотодиоды. Именно поэтому при съемке с малым количеством света рекомендованы камеры, использующие CCD сенсоры.

Но тут, следует отметить, что еще в 2009 году, компания Sony презентовала технологию т.н. «обратной подсветки». Вследствие этого, CMOS сенсоры стали гораздо более эффективны при съемке со слабым освещением и/или малоконтрастных объектов. И на текущий момент данный недостаток CMOS сенсоров был практически нивелирован. 

— CCD сенсоры требуют более сложной электронной схемы сопровождения и, как следствие, это выходит в более высокую стоимость готового изделия с их использованием. 

— Энергопотребление CCD сенсоров по некоторым расчётам превышает таковое у CMOS сенсоров вплоть до 100 раз! (именно благодаря низкому энергопотреблению и более компактному размеру CMOS сенсоров они стали основными на потребительском рынке. Например, все камеры в современных мобильных телефонах и планшетах используют CMOS сенсоры). А более высокое энергопотребление может привести к проблемам тепловыделения, которое не только негативно влияет на изображение, но так же может еще больше увеличить стоимость готового изделия (из-за применения специализированного охлаждения).  

— В сенсорах CMOS благодаря технологии индивидуального «чтения» каждого пикселя возможна работа т.н. «окна», которое позволяет выделить определённую часть сенсора (изображения) для считывания вместо всей области сенсора сразу. Это позволяет достичь высокой скорости съемки в выделенной области (по сравнению с CCD). 

 
— В разных типах сенсоров используются различные экспозиционные принципы: CCD используют Global shutter, а в CMOS — Rolling Shutter технологий (более подробно, мы рассмотрим эту тему в отдельной статье).

Следовательно, беря во внимание все вышесказанное, если Вам:

Необходима высокая скорость съемки — Вам необходимы камеры с CMOS сенсорами.   

Необходима высокая светочувствительность — Вам необходимы камеры с CCD сенсорами (либо CMOS с технологией «обратной подсветки»).

Необходимо малое количество «цифрового шума» — Вам необходимы камеры с CCD сенсорами.

Необходимо чуть более дешёвое решение — Вам необходимы камеры с CMOS сенсорами.

Подводя итог, следует отметить тот факт, что в любом случае выбор камеры должен зависеть именно от сферы применения, а не только исходя из технических характеристик.   

Наши специалисты помогут подобрать камеру именно под Ваши нужды!


какие лучше? CCD против CMOS

Недавно в нашей статье о выборе видеокамеры для семьи мы писали о матрицах. Там мы коснулись этого вопроса легко, однако сегодня постараемся более детально описать обе технологии.

Что же такое матрица в видеокамере? Это микросхема, которая преобразовывает световой сигнал в электрический. На сегодняшний день существует 2 технологии, то есть 2 типа матриц – CCD (ПЗС) и CMOS (КМОП). Они отличаются друг от друга, каждая имеет свои плюсы и минусы. Нельзя точно сказать, какая из них лучше, а какая – хуже. Они развиваются параллельно. Вдаваться с технические детали мы не будем, т.к. они будут банально непонятны, но общими словами определим их главные плюсы и минусы.

Технология CMOS (КМОП)

CMOS-матрицы в первую очередь хвастаются низким энергопотреблением, что плюс. Видеокамера с этой технологией будет работать чуть дольше (зависит от емкости аккумулятора). Но это мелочи.

Главное отличие и достоинство – это произвольное считывание ячеек (в CCD считывание осуществляется одновременно), благодаря чему исключается размазывание картинки. Возможно, вы когда-нибудь видели «вертикальные столбы света» от точечных ярких объектов? Так вот CMOS-матрицы исключают возможность их появления. И еще камеры на их основе дешевле.

Недостатки также есть. Первый из них – небольшой размер светочувствительного элемента (в соотношении к размеру пикселя). Здесь большая часть площади пикселя занята под электронику, поэтому и площадь светочувствительного элемента уменьшена. Следовательно, чувствительность матрицы уменьшается.

Т.к. электронная обработка осуществляется на пикселе, то и количество помех на картинке возрастает. Это также является недостатком, как и низкое время сканирования. Из-за этого возникает эффект «бегущего затвора»: при движении оператора возможно искажение объекта в кадре.

Технология CCD (ПЗС)

Видеокамеры с CCD-матрицами позволяют получить высококачественное изображение. Визуально легко заметить меньшее количество шумов на видео, отснятом с помощью видеокамеры на основе CCD-матрицы по сравнению с видео, отснятым на камеру CMOS. Это самое первое и важное преимущество. И еще: эффективность CCD-матриц просто потрясающая: коэффициент заполнения приближается к 100%, соотношение зарегистрированных фотонов равен 95%. Возьмите обычный человеческий глаз – здесь соотношение равно приблизительно 1%.

ПЗС-матрица камеры

Высокая цена и большое энергопотребление – это недостатки данных матриц. Дело в том, что здесь процесс записи невероятно труден. Фиксация изображения осуществляется благодаря многим дополнительным механизмам, которых нет в CMOS-матрицах, поэтому технология CCD существенно дороже.

CCD-матрицы используются в устройствах, от которых требуется получение цветного и качественного изображения, и которыми, возможно, будут снимать динамические сцены. Это профессиональны видеокамеры в своем большинстве, хотя и бытовые тоже. Это также системы наблюдения, цифровые фотоаппараты и т.д.

CMOS-матрицам применяются там, где нет особо высоких требований к качестве картинки: датчики движения, недорогих смартфонах…Впрочем, так было ранее. Современные матрицы CMOS имеют разные модификации, что делает их весьма качественными и достойными с точки зрения составления конкуренции матрицам CCD.

Сейчас сложно судить о том, какая технология лучше, ведь обе демонстрируют прекрасные результаты. Поэтому ставить тип матрицы как единственный критерий выбора, как минимум, глупо. Важно учитывать многие характеристики.


Пожалуйста, оцените статью:


Какая матрица лучше — CCD или CMOS

В большинстве современных цифровых устройствах для фото- и видео- съёмки используется два типа матриц — CCD и CMOS.

CCD — charge-coupled device (или ПЗС — прибор с обратной зарядной связью).

CMOS — complementary metal-oxide-semiconductor (или — комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник, КМОП).

В цифровом фотоаппарате или видеокамере матрица это аналог фото- видео- плёнки. Но в отличии от плёнок, матрица не одноразовая, не покрыта специальной эмульсией, вступающей в химическую реакцию со светом, не сохраняет на себе готовый кадр.

Матрица — это высокотехнологическое электронное устройство, основной функцией которого является оцифровка света попадающего на её поверхность через объектив. После чего этот оцифрованный свет преобразуется в один из популярных цифровых форматов и сохраняется на жёстком диске, флешке или ином предназначенном для этого устройстве.

Матрицы выполненные по технологии CCD (или ПЗС) отличаются от матриц сделанных по технологии CMOS (или КМОП) по нескольким ключевым параметрам. Прежде всего это цветопередача. Считается, что на CCD-матрицах она лучше. Однако, общепризнанно, что CCD-матрицы гораздо шумнее своих CMOS-собратьев даже на средних значениях ISO (ИСО). Поэтому большинство современных цифровых фотоаппаратов комплектуется именно CMOS-матрицами. К тому же CCD-матрицы более дороги в производстве, а также и потребляют гораздо больше энергии, чем CMOS.
Основным отличием технологий является принцип реагирования поверхности на сигнал. Другими словами, CCD- матрица обрабатывает весь попавший на нее свет целиком. А CMOS-матрица — частями — каждый пиксель отдельно. Благодаря инновационной технологии Active Pixel Sensors (APS), где с помощью транзисторных усилителей, подключённых к каждому пикселю, качество цветопередачи CMOS-матриц вплотную приблизилось к уровню CCD- матриц.

Трёхматричная видеокамера

Для видеосъёмки предпочтительнее выбирать аппаратуру на CCD- матрицах. Этот тип матриц значительно лучше фиксирует движущиеся изображения, за которыми не поспевают более технологически медленные CMOS-матрицы. Некоторые видеокамеры, в том числе для любительской съёмки, комплектуются сразу тремя CCD- матрицами — каждая из которых настроена на фиксацию отдельного цвета из RGB модели. Такие видеокамеры отличаются улучшенной цветопередачей и повышенным качеством видео. Большинство профессиональных цифровых видеокамер укомплектованы именно тремя CCD- матрицами.

Для фотосъёмки, наоборот, лучше подходят камеры работающие на CMOS-матрицах.

Преимущества и недостатки CMOS матриц / Контроль-СБ

В КМОП-матрицах используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости.

История

В конце 1960-х гг. многие исследователи отмечали, что структуры КМОП (CMOS) обладают чувствительностью к свету. Однако приборы с зарядовой связью обеспечивали настолько более высокую светочувствительность и качество изображения, что матрицы на КМОП технологии не получили сколько-нибудь заметного развития.

В начале 1990-х характеристики КМОП-матриц, а также технология производства были значительно улучшены. Прогресс в субмикронной фотолитографии позволил применять в КМОП-сенсорах более тонкие соединения. Это привело к увеличению светочувствительности за счет большего процента облучаемой площади матрицы.

Переворот в технологии КМОП-сенсоров произошел, когда в лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory — JPL) NASA успешно реализовали Active Pixel Sensors (APS). Теоретические исследования были выполнены еще несколько десятков лет тому назад, но практическое использование активного сенсора отодвинулось до 1993 года. APS добавляет к каждому пикселу транзисторный усилитель для считывания, что даёт возможность преобразовывать заряд в напряжение прямо в пикселе. Это обеспечило также произвольный доступ к фотодетекторам наподобие реализованного в микросхемах ОЗУ.

В результате к 2008 году КМОП стали практически альтернативой ПЗС.

В 2011 году на форуме MWC в Барселоне компания Samsung продемонстрировала КМОП-сенсоры нового типа, которые ориентированы на применение в смартфонах.

Принцип работы

  • До съёмки подаётся сигнал сброса
  • В процессе экспозиции происходит накопление заряда фотодиодом
  • В процессе считывания происходит выборка значения напряжения на конденсаторе

Преимущества

  • Основное преимущество КМОП технологии — низкое энергопотребление в статическом состоянии. Это позволяет применять такие матрицы в составе энергонезависимых устройств, например, в датчиках движения и системах наблюдения, находящихся большую часть времени в режиме «сна» или «ожидания события».
  • Важным преимуществом КМОП матрицы является единство технологии с остальными, цифровыми элементами аппаратуры. Это приводит к возможности объединения на одном кристалле аналоговой, цифровой и обрабатывающей части (КМОП-технология, являясь в первую очередь процессорной технологией, подразумевает не только «захват» света, но и процесс преобразования, обработки, очистки сигналов не только собственно-захваченных, но и сторонних компонентов РЭА), что послужило основой для миниатюризации камер для самого разного оборудования и снижения их стоимости ввиду отказа от дополнительных процессорных микросхем.
  • С помощью механизма произвольного доступа можно выполнять считывание выбранных групп пикселов. Данная операция получила название кадрированного считывания (англ. windowing readout). Кадрирование позволяет уменьшить размер захваченного изображения и потенциально увеличить скорость считывания по сравнению с ПЗС-сенсорами, поскольку в последних для дальнейшей обработки необходимо выгрузить всю информацию. Появляется возможность применять одну и ту же матрицу в принципиально различных режимах. В частности, быстро считывая только малую часть пикселей, можно обеспечить качественный режим живого просмотра изображения на встроенном в аппарат экране с относительно малым числом пикселей. Можно отсканировать только часть кадра и применить её для отображения на весь экран. Тем самым получить возможность качественной ручной фокусировки. Есть возможность вести репортажную скоростную съёмку с меньшим размером кадра и разрешением.
  • В дополнение к усилителю внутри пиксела, усилительные схемы могут быть размещены в любом месте по цепи прохождения сигнала. Это позволяет создавать усилительные каскады и повышать чувствительность в условиях плохого освещения. Возможность изменения коэффициента усиления для каждого цвета улучшает, в частности, балансировку белого.
  • Дешевизна производства в сравнении с ПЗС-матрицами, особенно при больших размерах матриц.

Недостатки

  • Фотодиод ячейки занимает существенно меньшую площадь элемента матрицы, по сравнению с ПЗС матрицей с полнокадровым переносом. Поэтому ранние матрицы КМОП имели существенно более низкую светочувствительность, чем ПЗС. Но в 2007 году компания Sony выпустила на рынок новую линейку видео- и фотокамер с КМОП-матрицами нового поколения с технологией EXMOR, которая ранее применялась только для КМОП-матриц в специфических оптических устройствах таких как электронные телескопы. В этих матрицах электронная «обвязка» пиксела, препятствующая продвижению фотонов на светочуствительный элемент, была перемещена из верхнего в нижний слой матрицы, что позволило увеличить как физический размер пиксела при тех же геометрических размерах матрицы, так и доступность элементов свету, что, соответственно, увеличило светочувствительность каждого пиксела и матрицы в целом. Матрицы КМОП впервые сравнились с ПЗС-матрицами по светочувствительности, но оказались более энергосберегающими и лишенными главного недостатка ПЗС-технологии — «боязни» точечного света. В 2009 году компания Sony улучшила КМОП-матрицы с технологией EXMOR применив к ним технологию «Backlight illumination» («освещение с задней стороны»). Идея технологии проста и полностью соответствует названию.
  • Фотодиод ячейки матрицы имеет сравнительно малый размер, величина же получаемого выходного напряжения зависит не только от параметров самого фотодиода, но и от свойств каждого элемента пикселя. Таким образом, у каждого пикселя матрицы оказывается своя собственная характеристическая кривая, и возникает проблема разброса светочувствительности и коэффициента контраста пикселей матрицы. В результате чего первые произведённые КМОП-матрицы имели сравнительно низкое разрешение и высокий уровень так называемого «структурного шума» (англ. pattern noise).
  • Наличие на матрице большого по сравнению с фотодиодом объёма электронных элементов создаёт дополнительный нагрев устройства в процессе считывания и приводит к возрастанию теплового шума.

Canon: Технология Canon | Canon Science Lab

Для этого сайта требуется браузер с поддержкой JavaScript.

КМОП-сенсоры

Как и CCD, датчики CMOS (комплементарные металлооксидные полупроводники) представляют собой полупроводниковые датчики изображения, которые преобразуют свет в электрические сигналы.

КМОП-сенсоры

представляют собой полупроводниковые светочувствительные элементы, такие как ПЗС-матрицы. Они имеют во многом такую ​​же структуру, что и микросхемы памяти CMOS, используемые в компьютерах, но в то время как микросхемы памяти используют ряд транзисторов для записи данных, датчики CMOS содержат ряды фотодиодов, соединенных с отдельными усилителями для усиления электрического сигнала от фотодиодов.Эта структура не только позволяет КМОП-датчикам работать с меньшим потреблением электроэнергии, чем ПЗС-матрицы, но также обеспечивает более быстрое и легкое считывание электрических зарядов. Более того, в отличие от ПЗС-матриц, производство которых связано со сложными процессами, которые делают их дорогостоящими, КМОП-датчики могут быть изготовлены путем модификации относительно недорогих процессов, используемых для производства компьютерных микропроцессоров и других микросхем.

Структура КМОП-сенсоров

До недавнего времени почти все датчики изображения цифровых камер были ПЗС-матрицами.Недостатки ПЗС-матриц в том, что они требуют большого количества электроэнергии, а преобразование изображений в цифровые данные происходит медленно. Вот почему Canon начала работу над датчиками CMOS, которые имеют такую ​​же структуру, как компьютерные микропроцессоры и микросхемы памяти CMOS. Такие микросхемы содержат большие массивы транзисторов, каждый из которых в КМОП-датчиках состоит из фотодиода и усилителя. Фотодиоды накапливают электрический заряд при воздействии света, а затем эти заряды преобразуются в напряжение, усиливаются и передаются в виде электрических сигналов.

В ПЗС структура затвора, используемая для передачи электрических зарядов на край датчика, требует отдельного источника питания, а это означает, что требуется больше электроэнергии. Однако для датчиков CMOS требуется только один источник питания, и они потребляют очень мало электроэнергии. Они также могут считывать электрические заряды намного быстрее, чем ПЗС-матрицы.

Производство КМОП-сенсоров высокого разрешения

Достоинства КМОП-сенсоров не ограничиваются их низким напряжением и потребляемой мощностью.Они имеют ту же базовую структуру, что и компьютерные микропроцессоры, и могут производиться серийно с использованием той же хорошо зарекомендовавшей себя производственной технологии, что делает их производство намного дешевле, чем производство ПЗС-матриц. В прошлом было трудно производить КМОП-сенсоры с большим количеством пикселей, но этот недостаток был преодолен за счет разработки новых технологий производства полупроводников. Одна из таких технологий включает в себя процесс множественной экспозиции для создания схемы датчика, что позволяет изготавливать большие CMOS-датчики с высоким разрешением 20 мегапикселей.

CMOS Технология шумоподавления

КМОП-сенсоры

обычно имеют недостаток, связанный с возникновением электрического шума, который может привести к плохому качеству изображения. Неизбежные колебания характеристик более десяти миллионов фотодиодов и усилителей, встроенных в датчик CMOS, и небольшие различия в характеристиках приводят к появлению шума в выходном изображении. Чтобы решить эту проблему, Canon разработала встроенную технологию записи шума каждого пикселя перед экспонированием и автоматического вычитания такого шума из изображения при его создании.

Добавление функции удаления шума позволяет считывать сигнал без шума. Кроме того, устранение остаточного квантового случайного шума стало возможным с помощью другой технологии, известной как полная передача электронного заряда.

Введение в датчики изображения CMOS

Датчик изображения является одним из основных строительных блоков в системе цифровой обработки изображений и сильно влияет на общую производительность системы. Двумя основными типами датчиков изображения являются устройства с зарядовой связью (ПЗС) и КМОП-формирователи изображения.В этой статье мы рассмотрим основы работы с датчиками изображения CMOS.

Ознакомьтесь с нашей серией датчиков изображения с зарядовой связью (ПЗС). Вы можете начать со структуры и функциональности ПЗС-матриц.

КМОП фотодетекторы

Большинство КМОП-фотодетекторов основано на работе фотодиода с PN-переходом. Когда фотодиод имеет обратное смещение (и обратное напряжение меньше, чем напряжение лавинного пробоя), через диод будет протекать составляющая тока, пропорциональная интенсивности падающего света.Этот компонент тока часто называют фототоком.

Поскольку фототок линейно увеличивается с интенсивностью света, мы можем использовать фотодиод для создания фотодетектора. Абстрактное представление такой структуры фотообнаружения показано ниже.

(a) Схема примера фотодетектора (b) Изменение значений фототока в зависимости от времени. Изображение любезно предоставлено Аббасом Эль Гамалем.

Переключатель сброса замыкается в начале цикла экспонирования для обратного смещения фотодиода до напряжения VD.Затем переключатель размыкается и генерируется фототок, пропорциональный интенсивности падающего света. Этот ток находится в диапазоне от фемто- до пикоампер и слишком мал для непосредственного измерения. Если мы позволим фотодиоду подвергаться воздействию света в течение заданного периода времени, оттенок, ток будет интегрирован по емкости диода CD. Накопленный заряд дает нам более сильный накопленный сигнал, который легче измерить. Кроме того, встроенный процесс усреднения делает накопленный сигнал более точным представлением измеренной интенсивности света, особенно при работе со слабыми или зашумленными сигналами.

Обратите внимание, что емкость колодца Qwell устанавливает верхний предел количества заряда, который может удерживать компакт-диск. Выше определенной интенсивности света диод будет насыщен, и накопленный заряд будет равен максимальному значению, как показано на рисунке выше. Следовательно, период интеграции следует выбирать тщательно.

Еще один неидеальный эффект, который следует учитывать, заключается в том, что помимо фототока существует еще одна составляющая тока, называемая темновым током, который протекает через диод.Темновой ток — это ток, который генерируется в отсутствие света. Этот текущий компонент должен быть минимизирован, чтобы максимизировать чувствительность устройства.

Блок-схема CMOS-датчика изображения

Базовая структура датчика изображения CMOS изображена ниже.

Изображение любезно предоставлено Edmund Optics.

Двумерная матрица фотодетекторов используется для измерения интенсивности падающего света. Заряд, создаваемый фотодетектором, преобразуется в сигнал напряжения и передается на выходной усилитель через набор переключателей «выбор строки» и «выбор столбца». АЦП используется для оцифровки усиленного сигнала.

Для выполнения считывания значения пикселей данной строки передаются параллельно набору накопительных конденсаторов (не показаны выше), а затем эти переданные значения пикселей считываются последовательно.

На приведенном выше рисунке показана архитектура APS (датчик с активными пикселями).В устройстве APS каждое местоположение пикселя содержит не только фотодиод, но и усилитель. Более простая архитектура, известная как PPS (пассивный пиксельный датчик), не интегрирует усилитель в пиксель. В устройстве DPS (датчик цифрового пикселя) каждый пиксель имеет свой собственный аналого-цифровой преобразователь и блок памяти. Следовательно, пиксели в архитектуре DPS выводят цифровые значения, пропорциональные интенсивности света.

Схема ДПС или схема пиксельного датчика.Изображение любезно предоставлено Аббасом Эль Гамалем.

Плюсы и минусы CMOS-датчиков изображения

Как следует из названия, датчики изображения CMOS изготавливаются по стандартной технологии CMOS. Это большое преимущество, поскольку оно позволяет нам интегрировать датчик с другими аналоговыми и цифровыми схемами, необходимыми для системы визуализации. Комплексное решение позволяет снизить энергопотребление и повысить скорость считывания. Это не относится к другим технологиям датчиков изображения, таким как устройства с зарядовой связью (CCD), которые основаны на специальных производственных технологиях, оптимизированных для передачи заряда и формирования изображений.

Недостатком датчика изображения CMOS является то, что в тракте считывания есть несколько активных устройств, которые могут создавать изменяющийся во времени шум. Кроме того, несоответствия при изготовлении могут привести к несоответствию между усилителями заряда и напряжения разных пикселей. Это приводит к шуму с фиксированной структурой, когда разные пиксели дают разные значения, даже если они подвергаются равномерному освещению.

Артефакты на рольставнях

При использовании многих датчиков изображения CMOS цикл экспонирования различных рядов пикселей начинается в несколько разное время.Обычно строки сбрасываются последовательно сверху вниз. По истечении времени интегрирования данной строки должно начаться ее считывание. Следовательно, интеграция света происходит последовательно сверху вниз, как и процесс сброса. Это может вызвать своего рода искажение, называемое артефактом скользящего затвора, при съемке быстро движущегося объекта. Это связано с тем, что сцена с быстро движущимся объектом может измениться к тому времени, когда будут захвачены все пиксели. Артефакт рольставни проявляется как некоторая нежесткость или изгиб в захваченной сцене.Это показано на следующем рисунке.

Изображение любезно предоставлено ON Semiconductor.

Современные КМОП-сенсоры более высокого класса имеют гораздо более высокую скорость считывания и позволяют легче избежать этого неидеального эффекта. Кроме того, есть CMOS-датчики изображения с глобальным затвором, где цикл сброса и выдержки всех пикселей происходит одновременно. В конце времени интегрирования накопленный заряд различных пикселей одновременно переносится в область хранения для дальнейшей обработки.Поскольку цикл экспозиции всех пикселей происходит одновременно, эффект скользящего затвора отсутствует.

Заключение

Фотодиод с обратным смещением создает составляющую тока, пропорциональную интенсивности падающего света. Двумерный массив этих фотодетекторов может использоваться для реализации датчика изображения CMOS. Пиксели в датчике изображения CMOS могут иметь разный уровень сложности. Например, пиксели датчика изображения CMOS могут содержать не только фотодиод, но и усилитель.Устройство DPS (цифровой пиксельный датчик) использует более сложные пиксели, где каждый пиксель имеет свой собственный аналого-цифровой преобразователь и блок памяти.

Наиболее важным преимуществом датчиков изображения CMOS является возможность интеграции датчика с другими аналоговыми и цифровыми схемами, необходимыми для системы формирования изображения. Два источника шума, которые могут ухудшить характеристики датчиков изображения CMOS, — это несоответствие изготовления компонентов разных пикселей и шум от активных устройств на тракте считывания.

Что такое датчики изображения CCD или CMOS в цифровой камере?

Цифровые фотоаппараты стали чрезвычайно распространенными, поскольку цены снизились. Одним из драйверов падения цен стало внедрение КМОП-датчиков изображения. КМОП-датчики намного дешевле в производстве, чем ПЗС-датчики.

Датчики изображения CCD (устройство с зарядовой связью) и CMOS (комплементарный металл-оксидный полупроводник) начинаются с одной и той же точки — они должны преобразовывать свет в электроны .Если вы читали статью Как работают солнечные элементы, вы понимаете одну технологию, которая используется для преобразования. Один из упрощенных способов представить себе датчик, используемый в цифровой камере (или видеокамере), — это представить себе, что он имеет двумерный массив из тысяч или миллионов крошечных солнечных элементов, каждый из которых преобразует свет от одной небольшой части изображение в электроны. И устройства CCD, и CMOS выполняют эту задачу с использованием различных технологий.

Следующим шагом является считывание значения (накопленный заряд) каждой ячейки изображения.В устройстве CCD заряд фактически переносится через чип и считывается в одном углу массива. Аналого-цифровой преобразователь превращает значение каждого пикселя в цифровое значение. В большинстве устройств CMOS на каждом пикселе есть несколько транзисторов, которые усиливают и перемещают заряд с помощью более традиционных проводов. Подход CMOS является более гибким, поскольку каждый пиксель может быть прочитан индивидуально.

ПЗС-матрицы

используют особый производственный процесс, позволяющий передавать заряд через кристалл без искажений. В результате этого процесса получаются датчики очень высокого качества с точки зрения точности воспроизведения и светочувствительности. CMOS-чипы, с другой стороны, используют традиционные производственные процессы для создания чипа — те же процессы, которые используются для создания большинства микропроцессоров. Из-за производственных различий между ПЗС- и КМОП-датчиками наблюдались некоторые заметные различия.

  • ПЗС-сенсоры, как упоминалось выше, создают высококачественные изображения с низким уровнем шума. КМОП-сенсоры традиционно более восприимчивы к шумам.
  • Поскольку каждый пиксель на датчике CMOS имеет несколько транзисторов, расположенных рядом с ним, светочувствительность кристалла CMOS имеет тенденцию быть ниже. Многие фотоны, попадающие в чип, попадают не в фотодиод, а в транзисторы.
  • CMOS традиционно потребляет мало энергии. Внедрение датчика в CMOS дает датчик с низким энергопотреблением.
  • ПЗС-матрицы используют процесс, потребляющий много энергии. ПЗС-матрицы потребляют в 100 раз больше энергии, чем эквивалентные КМОП-матрицы.
  • КМОП-микросхемы могут быть изготовлены практически на любой стандартной производственной линии кремния, поэтому они, как правило, чрезвычайно недороги по сравнению с ПЗС-датчиками.
  • ПЗС-сенсоры производятся серийно в течение более длительного периода времени, поэтому они более зрелые. У них, как правило, более высокое качество и больше пикселей.

Основываясь на этих различиях, вы можете видеть, что ПЗС-матрицы, как правило, используются в камерах, которые фокусируются на высококачественных изображениях с большим количеством пикселей и отличной светочувствительностью. КМОП-сенсоры традиционно имеют более низкое качество, меньшее разрешение и меньшую чувствительность. КМОП-датчики только сейчас улучшаются до точки, в которой они достигают почти паритета с устройствами ПЗС в некоторых приложениях.КМОП-камеры обычно дешевле и имеют длительное время автономной работы.

Дополнительную информацию см. По ссылкам на следующей странице.

Основы CMOS


Датчики изображения CCD

Устройства с зарядовой связью (ПЗС) улавливать свет на небольших фотосайтах на их поверхности и получать свое название по способу считывания заряда после экспонирования. Для начала обвинения в первой строке передаются в регистр считывания .Оттуда сигналы затем поступают на усилитель, а затем на аналого-цифровой преобразователь . преобразователь . После того, как строка была прочитана, ее начисление на считывание строка регистра удаляется. Следующая строка затем попадает в регистр считывания, и все вышеперечисленные ряды идут на один ряд вниз. Расходы по каждой строке «соединены» с теми, что в строке выше, поэтому, когда кто-то движется вниз, next перемещается вниз, чтобы заполнить старое пространство. Таким образом, каждая строка может быть читать по одной строке за раз.

ПЗС сдвигает одну целую строку в регистр считывания. Затем регистр считывания сдвигается по одному пикселю за раз к выходной усилитель.

C CD технологиям сейчас около 25 лет. Используя специализированный процесс СБИС, очень плотно упакованная сетка из поликремниевых электродов формируется на поверхность чипа.Они такие маленькие и близкие, что индивидуум пакеты электронов могут оставаться неповрежденными, пока они физически перемещаются с места, где был обнаружен свет, по поверхности чип, к выходному усилителю. Для этого сетка электродов синхронизируется внешним источником.

Технически возможно, но неэкономично использовать процесс ПЗС для интегрировать другие функции камеры, такие как драйверы часов, временная логика, обработка сигналов и др.Поэтому они обычно реализуются в вторичные фишки. Таким образом, большинство CCD-камер содержат несколько микросхем, часто в виде от 8 до 3, не считая необходимости интеграции другая электроника камеры в отдельном чипе, ахиллесова пята всего ПЗС-матрица — это требование часов. Амплитуда и форма часов имеют решающее значение до успешной работы. Генерация часов правильного размера и формы обычно функция специализированной микросхемы драйвера часов, и приводит к двум основные недостатки; множественные нестандартные напряжения питания и большая мощность потребление.Для ПЗС-матриц нередко требуется 5 или 6 различных поставляет по критическим и непонятным ценам. Если пользователю предлагается простой один вход питания, тогда будет задействовано несколько регуляторов внутри компании, чтобы сформировать эти потребности в поставках. С другой стороны, ПЗС-матрицы разработаны для обеспечения превосходного качества изображения с низким уровнем шума. процессы, как правило, подчиняются основным производителям.

История ПЗС на самом деле родился не по той причине.В 1960-е годы были компьютеров, но недорогая память массового производства, необходимая для работать (и что мы считаем само собой разумеющимся) еще не существовало. Вместо этого было много странных и необычных способов исследовал возможность хранения данных во время манипулирования ими. Одна форма фактически использовал люминофорное покрытие на экране дисплея контролировать и записывать данные на экран одним лучом света и прочтите это с другим. Однако в то время чаще всего использованная технология была пузырьковой памятью. В Bell Labs (где пузырь память была изобретена), затем они придумали ПЗС-матрицу как способ для хранения данных в 1969 году. Два ученых Bell Labs, Уиллард Бойл и Джордж Смит, «начал обдумывать идеи», в книге Смита словами «и изобрели устройства с зарядовой связью за час. Да, это было необычно похоже на лампочку продолжается.«С тех пор эта« лампочка » достигли далеко и широко. Вот некоторые основные моменты:
  • В 1974 г. первая ПЗС-матрица для формирования изображений была произведена Fairchild Electronics с формат 100х100 пикселей.
  • В 1975 г. первые телевизионные камеры CCD были готовы к использованию в коммерческих трансляции.
  • В 1975 г. Первый планшетный сканер CCD был представлен компанией Kurzweil Computer Продукты, использующие первый интегрированный чип CCD, датчик 500 линейный массив от Fairchild.
  • В 1979 г. ПЗС-система RCA 320×512 с жидкостным азотным охлаждением увидела свет на 1-метровом телескопе Национальной обсерватории Китт-Пик. Ранние наблюдения с этой ПЗС-матрицей быстро показали ее превосходство над фотопластинками.
  • В 1982 г. была представлена ​​первая твердотельная камера для видеолапароскопии.

Датчики изображения CMOS

Датчики изображения изготавливаются в пластине. литейные заводы или фабрики.Здесь крошечные схемы и устройства выгравированы на кремниевые чипы. Самая большая проблема с ПЗС-матрицами в том, что их недостаточно. экономия от масштаба. Их создают в литейных цехах с использованием специализированных и дорогостоящие процессы, которые можно использовать только для изготовления ПЗС-матриц. Между тем, больше и более крупные литейные фабрики через улицу используют другой процесс называется Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS), чтобы делать миллионы микросхем для компьютерных процессоров и памяти.Это далеко самый распространенный и самый урожайный процесс в мире. Последняя версия CMOS процессоры, такие как Pentium III, содержат почти 10 миллионов активных элементы. Используя тот же процесс и то же оборудование, изготовитель CMOS датчики изображения значительно сокращают расходы, поскольку постоянные затраты на Растение распространяется на гораздо большее количество устройств. ( КМОП относится к способу изготовления датчика, а не к конкретному датчику технологии.) В результате такой экономии на масштабе стоимость изготовления пластина CMOS ниже, чем стоимость изготовления аналогичной пластины с использованием более специализированный процесс CCD.

VISION’s Цветовой датчик 800 x 1000 обеспечивает высокое разрешение при более низкой стоимости чем сопоставимые ПЗС-матрицы. Изображение любезно предоставлено VISION.

Пассивные и Датчики с активным пикселем

Существует два основных типа изображений CMOS. датчики пассивные и активные.

  • Пассивные пиксельные датчики (PPS) были первыми датчиками изображения, использованными в 1960-х годах. В КМОП-сенсоры с пассивными пикселями, фотосайт преобразует фотоны в электрический заряд. Затем этот заряд уносится с датчика и усилено. Эти датчики достаточно малы, чтобы фотосайты и их связи. Проблема с этими датчиками: шум, который появляется в качестве фонового рисунка на изображении.Чтобы отменить Этот шум датчики часто используют дополнительные этапы обработки.
  • Датчики с активными пикселями (APS) уменьшают шум, связанный с сенсорами с пассивными пикселями. Схема каждого пикселя определяет его уровень шума и устраняет его. это из. Именно эта активная схема дает устройству с активным пикселем его имя. Производительность этой технологии сопоставима со многими устройства с зарядовой связью (ПЗС), а также позволяет получать изображения большего размера и более высокое разрешение.

Недорогие КМОП-микросхемы используются в недорогие цифровые фотоаппараты. По общему мнению, эти устройства могут доминируют на рынке недорогих камер, более дорогие камеры с активным пикселем сенсоры станут доминирующими в нишах.

Toshiba Корпорация производит дополнительный оксид металла на 1300000 пикселей полупроводниковый (CMOS) датчик изображения.Любезно предоставлено Toshiba.

Факты о датчике изображения CMOS

Вот некоторые вещи, которые могут вам понравиться знать о датчиках изображения CMOS:

  • Датчики изображения CMOS могут включать другие схемы на той же микросхеме, исключая множество отдельных микросхем требуется для ПЗС-матрицы. Это также позволяет использовать дополнительные встроенные функции. добавлено за небольшую дополнительную плату. Эти функции включают защиту от дрожания (изображение стабилизация) и сжатие изображения. Мало того, что это делает камера меньше, легче и дешевле; он также требует меньше энергии, поэтому батареи служат дольше. Это технически возможно, но не экономично использовать процесс производства ПЗС для интеграции других функции камеры, такие как драйверы часов, временная логика и сигнал обработка на том же чипе, что и фотосайты. Обычно их ставят на отдельных микросхемах, поэтому ПЗС-камеры содержат несколько микросхем, часто столько же как 8, но не менее 3.
  • Датчики изображения CMOS могут переключать режимы переход между фото и видео. Однако видео генерирует огромные файлы, поэтому изначально эти камеры должны быть привязаны к материнский корабль (ПК) при использовании в этом режиме в течение всего, кроме нескольких секунд видео. Однако этот режим хорошо подходит для видеоконференцсвязи. хотя камеры не могут захватывать 20 кадров в секунду, необходимые для полномасштабное видео.
  • Хотя датчики CMOS превосходны в съемка на природе в солнечные дни, страдают при слабом освещении условия. Их чувствительность к свету снижена из-за того, что часть каждый фотосайт покрыт схемой, отфильтровывающей шум и выполняет другие функции. Процент пикселя, посвященного собирающий свет называется пикселем с коэффициентом заполнения . ПЗС-матрицы имеют коэффициент заполнения 100%, а КМОП-камеры — намного меньше.В чем ниже коэффициент заполнения, тем менее чувствителен датчик и тем длиннее время выдержки должно быть. Слишком низкий коэффициент заполнения приводит к фотографии в помещении. без вспышки практически невозможно. Чтобы компенсировать более низкий коэффициенты заполнения, микролинзы могут быть добавлены к каждому пикселю для сбора света от нечувствительных участков пикселя и «сфокусируйте» его вниз на фотосайт. Кроме того, схема может быть уменьшена, чтобы не покрывает такую ​​большую площадь.

Заливка фактор относится к проценту чувствительного фото сайта зажечь. Если цепи покрывают 25% каждого фотосайта, датчик неисправен. с коэффициентом заполнения 75%. Чем выше коэффициент заполнения, тем более чувствительный датчик. Любезно предоставлено Photobit.
  • CMOS-сенсоры имеют более высокий уровень шума чем CCD, поэтому время обработки между изображениями больше, чем у этих датчики используют цифровую обработку сигналов (DSP) для уменьшения или устранения шум.DSP — одна из первых камер (Svmini), она выполняет 600000000 инструкции на картинке.

РАЗМЕР ИЗОБРАЖЕНИЯ

Качество любого цифрового изображения, независимо от того, распечатаны они или отображаются на экране, частично зависит от количества пикселей, которые он содержит. Все больше и меньше пикселей добавляют детали и резкость края.

Цифровое изображение в оптической микроскопии — Введение в КМОП-датчики изображения

Появление твердотельных устройств формирования изображений с высоким разрешением, в первую очередь устройств с зарядовой связью ( ПЗС ) и дополнительных металлооксидных полупроводниковых датчиков изображения ( CMOS ), привело к появлению возвестил 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 успехи в разработке КМОП 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 комбинацией 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 с активным пиксельным датчиком ( 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 металлических шин считывания, которые содержат фотодиод и соответствующие схемы подготовки сигнала на каждом перекрестке.Шины подают синхронизирующие сигналы на фотодиоды и возвращают считанную 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.

При более внимательном рассмотрении матрица 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 на светочувствительную область фотодиода.Под матрицами фильтров Байера и микролинз находятся сами фотодиоды, которые показаны на рис. 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 области поддерживающих транзисторов пикселя, соответственно.

Как видно из изучения элементов фотодиода на Рисунке 2 (c), большая часть области пикселя (примерно 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-микросхемы и фотодиодов, показанных на рисунках 1, 2 и 3, составляют только 30 процентов от всего 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 избирательность, 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, передающие 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 примерно 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 формат красного, зеленого и синего ( RGB ) 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 наложение , 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 датчиков изображения CMOS является высокая степень шума, которая становится очевидной при изучении изображений, созданных 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 составляющая шума, называемая шумом kTC (или сбросом), который трудно удалить без усовершенствованной схемы. Аббревиатура k обозначает постоянную Больцмана, T — рабочая температура, а ° C — полная емкость, возникающая во 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 дискретизация ( CDS ), которая должна быть реализована 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 легко проявляется на захваченных изображениях как случайный образец, 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 поддержки пикселя выполняет передачу двухступенчатую заряда (в качестве напряжения) к выходной шине. 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 КМОП-датчики изображения оснащены вспомогательными цепями, 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 считывания 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 получать 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 уже скомпрометированный коэффициент заполнения в большинстве устройств.Это относится к большинству 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 разработали унифицированных синхронных затворов , которые одновременно открывают весь массив. Поскольку этот метод требует дополнительных транзисторов на каждый пиксель, 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 , децибел, или бит, , с более высокими отношениями сигнальных электронов к шуму, производящим более высокие значения динамического диапазона (больше децибел или бит). 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 настраиваются 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 КМОП-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 захватывают 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 с толщиной 0,25 мкм или более узкими. 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 внутрипиксельные аналого-цифровые преобразователи, 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, КМОП-сенсоры 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 сильных магнитных полей, 1800 Ист.

ПЗС- и КМОП-сенсоры — Краткие технические сведения

Что лучше всего подходит для вашего приложения?

Как выбрать лучшую видеокамеру HD и датчик изображения для профессионального видео в таких приложениях, как медико-биологические науки, хирургическая визуализация, микроскопия, промышленная визуализация и специализированное телевещание с точкой обзора, где важен физический размер камеры, и исключительное цветное видео характеристики критичны?

Рисунок 1.В трехчиповых камерах дихроичные призмы разделяют свет на зеленый, красный и синий длины волн с помощью специальных датчиков для каждого канала (слева). В камерах с 1 микросхемой цветные фильтры помещаются на каждый пиксель (показан фильтр Байера) (справа).

В основном эти приложения основаны на динамическом просмотре видео в реальном времени в реальном времени людьми, которые смотрят на дисплей и принимают решения на основе того, что они видят с камеры. Нужна ли 3-чиповая камера или будет достаточно одночиповой камеры? А как насчет размера сенсора, формата, размера и плотности пикселей — как эти факторы влияют на ваше изображение? В этой статье будут рассмотрены и разъяснены ключевые моменты, которые следует учитывать при выборе камеры для достижения наилучшего результата для вашего видеоприложения.

CCD vs. CMOS

Что лучше — CCD (устройство с зарядовой связью) или CMOS (комплементарный металлооксидный полупроводник)? Это зависит от того, есть ли преимущества у обеих сенсорных технологий. Для большинства приложений CMOS является лучшим выбором, но в других случаях CCD продолжает оставаться на своих позициях. Оба используют полупроводники для преобразования света в электрические сигналы.

В датчике CMOS каждый пиксель имеет фоторецептор, выполняющий собственное преобразование заряда в напряжение и обычно включающий в себя усилители, схемы коррекции шума и оцифровки, что позволяет датчику напрямую выводить цифровые данные.Пиксели обычно не накапливают заряд; они просто считывают, сколько света попадает в этот пиксель в конкретный момент, и считывают, постепенно от верхнего левого угла до нижнего правого, строка за строкой, пока затвор открыт. В датчике CCD свет попадает в фоторецептор и сохраняется в виде электрического заряда в датчике, затем преобразуется в напряжение, буферизуется и отправляется в виде аналогового сигнала при закрытии затвора.

Рис. 2. Видеокамера IK-HD5 3CMOS 1080p HD от Toshiba Imaging.

Сильным преимуществом технологии CMOS является то, что она обеспечивает цифровой вывод и может управляться на уровне пикселей способами, которые невозможны с CCD.Это дает потенциально огромные преимущества в специализированной визуализации, когда можно применить частичное сканирование или определенный процесс управления только к сегменту датчика. Эта возможность полезна для управления камерами в различных режимах визуализации для многоспектральной визуализации или биннинга.

Преимуществами ПЗС перед КМОП являются более высокая квантовая эффективность (QE) датчиков и, как правило, более низкий уровень шума. Доля каждого пикселя, предназначенного для сбора света по сравнению с маскированием для других функций, также сравнительно высока.Однако камеры CCD, как правило, потребляют больше энергии, чем CMOS, что может потребоваться для определенных приложений в биологии или для камер с батарейным питанием. Цветение — это нежелательный артефакт, связанный с ПЗС-матрицей, который появляется в виде вертикальной размытой линии, когда на изображении появляется яркий свет или насыщенность.

Global vs. Rolling Shutter

Вероятно, самая важная проблема при выборе между CCD или CMOS — это глобальная или роликовая заслонка. В большинстве современных КМОП-сенсоров используется рольставни, которая всегда активна и прокручивает пиксели построчно сверху вниз.ПЗС-матрицы, с другой стороны, сохраняют свои электрические заряды и считывают их, когда затвор закрывается, а пиксель сбрасывается для следующей экспозиции, позволяя выводить всю область сенсора одновременно. Когда затвор открыт, ПЗС-матрица получает свет и снова накапливает заряд.

Эти вариации затвора влияют на видеоизображение по-разному, особенно когда есть вращательное движение, горизонтальное движение, лазерный импульс или стробоскопический свет. ПЗС-матрицы довольно хорошо справляются с этими движениями и импульсным освещением, когда сцена просматривается или экспонируется в один момент времени, как моментальный снимок.Кроме того, CCD-датчик (глобальный затвор) может срабатывать более легко, что позволяет синхронизировать время света или движения до фазы открытого затвора.

С помощью CMOS (скользящего затвора) этим можно до некоторой степени управлять за счет сочетания коротких выдержек и синхронизации источника света, однако не все артефакты скользящего затвора можно преодолеть. Существуют CMOS-датчики, реализующие возможности глобального затвора, но их формат и характеристики видеоизображения еще не оптимальны для многих требований биологических наук.

Плотность пикселей в зависимости от размера пикселя

Плотность и размер пикселей часто путают и неправильно понимают атрибуты видеокамеры. На нас влияет индустрия потребительских товаров, которая проделала феноменальную работу, заставив нас поверить в то, что чем больше пикселей, тем лучше. Камера на 40 МП на мобильном устройстве должна быть существенно лучше, чем камера на 8 МП, верно?

Хотя плотность пикселей является ценным атрибутом, который может способствовать увеличению разрешения, размер пикселей на самом деле будет иметь большее влияние на динамический диапазон, чувствительность и шум, особенно в условиях низкой освещенности.При прочих равных, больший размер пикселя означает больший сигнал и улучшенное качество видео. Большинство производителей камер не раскрывают размер пикселей, но разумную оценку можно рассчитать, зная размер сенсора и матрицу пикселей.

Рассмотрим два примера. Эта новая GoPro ® HERO3, которую вы только что купили, оснащена сенсором 1 / 2,3 дюйма размером 6,17 x 4,55 мм, но при этом имеет 12-мегапиксельную матрицу размером 4000 x 3000 пикселей. Чтобы рассчитать размер пикселя, просто разделите ширину и длину сенсора на матрицу пикселей по горизонтали и вертикали.Это определяет, что пиксели имеют квадрат приблизительно 1,5 мкм. В отличие от этого, крупный производитель микроскопов продвигает одну из своих последних моделей цифровых фотоаппаратов с разрешением 12,5 Мпикс и матрицей 4080 x 3072 пикселей. Его матрица имеет формат 2/3 дюйма, который имеет размеры 8,8 мм x 6,6 мм, что соответствует квадратным пикселям 2,1 мкм. Если вы уверены, что указанная матрица пикселей является фактической или эффективной матрицей пикселей, то это сравнение завершено.

По возможности всегда старайтесь узнать фактические или эффективные пиксели на датчике, чтобы более точно определить размер пикселя.В этом примере камеры для микроскопии в технических характеристиках указано, что разрешение 12,5 МП получается за счет сдвига пикселей. Сдвиг пикселей — это метод, используемый многими производителями камер для улучшения пространственного разрешения путем смещения датчиков механически, в случае камер с тремя микросхемами, или электронным способом для камер с одним чипом. При использовании методов сдвига пикселей фактическое количество пикселей на датчике может быть меньше заявленного выходного формата. При более подробном рассмотрении спецификаций выясняется, что эффективная матрица пикселей датчика составляет всего 1360 x 1024 пикселей, то есть едва ли 1.4 МП, что дает квадратные пиксели 6,4 мкм.

В этом сравнении сложно и важно получить факты для определения размеров пикселей, а не использование сдвига пикселей, поскольку это приемлемая практика в конструкции камеры. Пиксельные размеры камеры микроскопии довольно велики и более чем в 17 раз больше, чем у GoPro. Надеюсь, мой патологоанатом не пытается использовать GoPro на микроскопе.

Сравнение трех микросхем с одной микросхемой

Так что насчет трехчиповой технологии — дает ли она преимущества и актуальна ли она в современных вариантах камер с высоким разрешением?

Принципом, лежащим в основе трехчиповых камер, является использование призмы для разделения света на составляющие его красной, зеленой и синей длин волн и использование специального датчика для каждого канала (Рисунок 1 (слева): призматический блок).Он эффективно увеличивает площадь сенсора втрое и обеспечивает точное управление каждым цветовым каналом. Таким образом, трехчиповая камера обеспечивает улучшенную чувствительность и управление цветом.

Каждый производитель оценивает свои трехчиповые камеры по размеру и матрице пикселей отдельных датчиков, а не по совокупному результату. Таким образом, трехчиповая HD-камера на 2,1 МП имеет три датчика на 2,1 МП. Если эффективная матрица пикселей — Full HD с разрешением 1920 x 1080, то результирующий размер пикселя будет примерно 2.5 мкм. Хотя в этом примере размер пикселя все еще меньше, чем у микроскопической камеры, описанной выше, ее размер все еще достаточно велик, чтобы обеспечить хороший результат, сохраняя при этом небольшой физический размер камеры. В принципе, датчик любого размера может быть сконструирован в трехчиповую конфигурацию, хотя для большинства приложений медико-биологической науки лучший размер датчика составляет 1/3 дюйма или 1/2 дюйма, поскольку они достаточно велики, чтобы обеспечить хорошее соотношение между плотность пикселей и размер пикселей при сохранении небольшого общего размера камеры.

В случае однокристального датчика его матрица пикселей покрыта маской цветового фильтра, обычно типа Байера, который чередует зеленый, красный или синий фильтры, размещенные непосредственно над каждым пикселем (Рисунок 1 (справа): фильтр Байера). Человеческий глаз наиболее чувствителен к видимому свету с длиной волны зеленого цвета, и шаблон Байера пытается приблизить чувствительность человеческого глаза, размещая чередующиеся ряды зеленых и синих, зеленых и красных пикселей. В результате получается массив этих фильтров: 50% пикселей — зеленые, а 25% — синие или красные.Если датчик был Full HD 2.1MP, то примерно 1 миллион пикселей будут зелеными, 500 000 — синими и 500 000 — красными.

Если мы сравним две камеры, которые используют один и тот же формат сенсора — например, 1/3 дюйма, обе являются Full HD, одна — одночиповая Bayer, другая — трехчиповая, какая из них будет лучше? Пиксельная матрица для обеих камер одинаковая, 1920 x 1080, размер сенсора такой же — 1/3 дюйма, поэтому размеры пикселей также совпадают (2,5 мкм). Что даст лучший результат?

Однокристальная камера предоставит только 1 миллион пикселей зеленых данных, тогда как трехчиповая камера предоставит 2.1 МП данных зеленого пикселя. Кроме того, трехчиповая камера обеспечивает в четыре раза больше информации о пикселях для красного и синего каналов. Конечным результатом является повышенное разрешение и улучшенная чувствительность, особенно в условиях низкой освещенности.

Хотя можно использовать большой однокристальный датчик для аппроксимации распределения пикселей и размера пикселей трехчиповой конструкции, механические и пространственные ограничения многих приложений могут не позволить использовать датчик такого большого формата и увеличенный размер камеры.Три микросхемы позволяют достичь идеального баланса между очень компактными механическими размерами и исключительными характеристиками видеоизображения. Усовершенствованная трехчиповая CMOS HD-камера показана на рисунке 2.

Появляющиеся видеоформаты зависят от возможностей и постоянных улучшений технологии CMOS-сенсоров, включая Ultra HD или Quad-Full HD 3840 x 2160 и Digital Cinema Initiatives (DCI). Стандарт 4K 4096 x 2160 и даже Super Hi-Vision 8K 7680 x 4320. Камеры, дисплеи, технологии сжатия видео и обработки изображений быстро становятся доступными, обеспечивая улучшение разрешения и все более захватывающий видеоконтент.Работа с этими новыми форматами вызовет проблемы с оптикой, хранением, распределением, отображением и обработкой изображений, которые часто достигают своих пределов при обработке Full HD. Нам придется подождать и посмотреть, стоят ли дополнительные данные и разрешение необходимых обновлений по всей цепочке визуализации.

Резюме

Как мы видели, КМОП-сенсоры превосходят ПЗС-матрицы во многих отношениях, особенно в том, что касается большинства хирургических приложений визуализации, микроскопии, машинного зрения и радиовещания. Тем не менее, есть несколько специализированных приложений в астрономии, обнаружении частиц и определенных изображений с движением, где следует рассмотреть технологию CCD.В задачах визуализации, когда CMOS используется в 3-чиповых камерах, можно полностью реализовать улучшенное разрешение, чувствительность и воспроизводимость цвета, которые не имеют себе равных в однокристальных камерах. Для типичного полного движения видеоизображения технология CMOS продолжает развиваться и будет соответствовать требованиям новых форматов, таких как 4K, и расширенным функциям обработки изображений, которые используют преимущества цифровой природы CMOS.

Эта статья написана Полом Демпстером, национальным менеджером по продажам подразделения систем визуализации Toshiba (Ирвин, Калифорния).Для получения дополнительной информации свяжитесь с г-ном Демпстером в paul. Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. Или посетите http://info.hotors.com/49747-200 .


Photonics Tech Briefs Magazine

Эта статья впервые появилась в июльском выпуске журнала Photonics Tech Briefs за июль 2014 года.

Читать статьи в этом выпуске здесь.

Другие статьи из архивов читайте здесь.

ПОДПИСАТЬСЯ

Molecular Expressions Microscopy Primer: Цифровые изображения в оптической микроскопии


Знакомство с КМОП-датчиками изображения

Появление твердотельных устройств формирования изображений с высоким разрешением, в первую очередь устройств с зарядовой связью ( ПЗС ) и дополнительных металлооксидных полупроводниковых ( CMOS ) датчиков изображения, возвестило новую эру в оптической микроскопии, которая угрожает затмить традиционную запись изображений технологии, 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 успехи в разработке КМОП 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 комбинацией 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 x 128 пикселей (16 K пикселей) до более распространенного 1280 x 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 со своими CCD-аналогами является возможность интегрировать ряд функций обработки и управления, которые выходят за рамки основной задачи сбора фотонов, непосредственно в интегральную схему датчика.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 с активным пиксельным датчиком ( 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 металлических шин считывания, которые содержат фотодиод и соответствующие схемы подготовки сигнала на каждом перекрестке.Шины подают синхронизирующие сигналы на фотодиоды и возвращают считанную 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 x 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 на светочувствительную область фотодиода.Под матрицами фильтров Байера и микролинз находятся сами фотодиоды, которые показаны на рис. 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 области поддерживающих транзисторов пикселя, соответственно.

Как видно из изучения элементов фотодиода на рисунке 2 (c), большая часть области пикселя (примерно 70 процентов в этом примере) отведена вспомогательным транзисторам (усилитель, сброс и выбор строки), которые относительно непрозрачны. к фотонам 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-микросхемы и фотодиодов, показанных на рисунках 1, 2 и 3, составляют только 30 процентов от всего 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 зависимостью от длины волны поглощения фотонов, 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, при этом высокий процент отраженных волн с более короткими длинами (менее 400 нанометров) отражается, 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 все 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 избирательность, 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 обратное смещение фотодиода.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).

Мозаичные фильтры и реконструкция изображения

Несбалансированная природа мозаичных массивов фильтров Байера, имеющих в два раза 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 x 480 пикселей содержит всего 307 200 пикселей, что дает 76 800 квартетов Байера. Означает ли это, что фактическое полезное пространственное разрешение изображения уменьшено до 320 x 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, передающие 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 примерно 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 наложение , 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 средства устранения шума

Основной проблемой датчиков изображения CMOS является высокий уровень шума, который становится очевидным при изучении изображений, созданных 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 составляющая шума, называемая шумом kTC (или сбросом), который трудно удалить без усовершенствованной схемы.Аббревиатура k обозначает постоянную Больцмана, T — рабочая температура, а ° C — полная емкость, возникающая во 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 дискретизация ( CDS ), которая должна быть реализована 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 легко проявляется на захваченных изображениях как случайный образец, 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 КМОП-датчиках изображения используются две основные архитектуры светочувствительных пиксельных элементов: фотодиоды и фотозамыкатели (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 поддержки пикселя выполняет передачу двухступенчатую заряда (в качестве напряжения) к выходной шине. 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 КМОП 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 цифр. .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 КМОП-датчики изображения оснащены вспомогательными цепями, 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 считывания 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 получать 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 уже скомпрометированный коэффициент заполнения в большинстве устройств.Это относится к большинству 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 разработали унифицированных синхронных затворов , которые одновременно открывают весь массив. Поскольку этот метод требует дополнительных транзисторов на каждый пиксель, 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 временные источники шума, возникающие из-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 , децибел, или бит, , с более высокими отношениями сигнальных электронов к шуму, производящим более высокие значения динамического диапазона (больше децибел или бит). 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 настраиваются 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-сенсоры

изготавливаются по хорошо зарекомендовавшим себя стандартным процессам производства кремниевых пластин на крупных заводах по производству 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 КМОП-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 пикселя 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 завоевывают 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 с толщиной 0,25 мкм или более узкими. 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 внутрипиксельные аналого-цифровые преобразователи, 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 спроса на рынке.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, КМОП-сенсоры 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, Великобритания.

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

Майкл У. Дэвидсон — Национальная лаборатория сильных магнитных полей, 1800 г. Восток. Доктор Пол Дирак, Университет штата Флорида, Таллахасси, Флорида, 32310.


НАЗАД К ЦИФРОВОМУ ИЗОБРАЖЕНИЮ В ОПТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ

Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.
© 1998-2019, автор — Майкл В. Дэвидсон и Государственный университет Флориды. Все права защищены. Никакие изображения, графика, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения правообладателей. Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми юридическими положениями и условиями, изложенными владельцами.
Этот веб-сайт поддерживается нашей командой

по графике и веб-программированию
в сотрудничестве с оптической микроскопией в Национальной лаборатории сильного магнитного поля
.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *