Introduktion til billed Sensor teknologi

Den grundlæggende forudsætning for elektronisk billeddannelse er, at lysenergi omdannes til elektricitet på en måde, der bevarer visuel information. så vi kan rekonstruere en scenes optiske egenskaber. Denne forudsigelige interaktion mellem fotoner og elektroner indleder processen med at optage digitale billeder. Efter den energi, der leveres af hændelser fotoner omdannes til elektrisk energi, systemet skal have en eller anden måde at kvantificere denne energi og gemme den som en sekvens (eller matrix) af værdier.

I de fleste billedsensorer, konverteringen fra lys til elektricitet sker af en fotodiode, som er en PN-kobling, hvis struktur favoriserer genereringen af elektron-hulpar som reaktion på hændelseslys.

Fotodioder er normalt lavet af silicium, men andre halvledermaterialer såsom indium arsenid, indium antimonid, kviksølv cadmiumtellurid osv. anvendes også til forskellige særlige formål.

Et vigtigt fremskridt i billedsensorteknologi var oprettelsen af en fast-type fotodiode. I billedet ovenfor består en fotodiode, ligesom en normal diode, af en p-type region og en n-type region.

Fotodioder af fastlåst type har et yderligere område fremstillet af højt dopede p-type (p for kort) halvleder; som vist Den er tyndere end de to andre regioner.

Denne figur viser strukturen af en fastgjort fotodiode integreret i en billedsensor

Indført i 1980'erne, Knyttede fotodioder løste problemet (kaldet "hysterese") i forbindelse med den forsinkede overførsel af lysgenereret ladning. Pinned-stil fotodioder tilbyder også højere kvante effektivitet, forbedret støj ydeevne, og lavere mørke strøm (vi vender tilbage til disse begreber senere i denne serie).

I dag er det lysfølsomme element i næsten alle CCD- og CMOS-billedsensorer en fastgjort fotodiode.

De to vigtigste billedteknologier er CCD ( Charge koblet enhed) og CMOS.

Der er også andre typer sensorer, såsom NMOS-sensorer til spektroskopi Miniature fotometre, der giver infrarød termisk billeddannelse og særlige applikationer kan bruge fotodiode arrays forbundet til brugerdefinerede forstærker kredsløb.

Ikke desto mindre vil vi fokusere på CCD og CMOS. Disse to generelle sensorkategorier dækker en meget bred vifte af applikationer og funktioner.

Det ser ud til, at folk er tiltrukket af værdien af "Hvad er bedre?" Spørgsmål som overflade mount eller gennem hul? BJT eller FET? Canon eller Nikon? Vinduer eller Mac (eller Linux)? Disse spørgsmål har sjældent meningsfulde svar, og selv at sammenligne individuelle træk kan være vanskeligt.

Hvad er bedre, CMOS eller CCD? Den traditionelle sammenligning går sådan: CCD har lavere støj, bedre pixel-til-pixel-enhed, og har et ry for overlegen billedkvalitet. CMOS-sensorer tilbyder højere integrationsniveauer - reducerer kompleksiteten for kredsløbsdesignere - og lavere strømforbrug.

Jeg siger ikke, at denne vurdering er unøjagtig, men dens nytte er begrænset. Meget afhænger af dine behov for sensorer og dine krav og prioriteter.

Desuden ændres teknologien hurtigt. og det store beløb, der investeres i digital imaging forskning og udvikling, kan gradvist ændre mønsteret for CCD og CMOS.

For det andet producerer billedsensorer ikke billeder. Det er en integreret del af et digitalt billedsystem (en meget vigtig del, naturligvis), og den opfattede billedkvalitet produceret af systemet afhænger ikke kun af sensoren, men mange flere faktorer. Der er ingen tvivl om, at CCD'er overgår CMOS-sensorer for nogle optoelektroniske egenskaber. Men tilknytning til en CCD med højere samledeBilledkvalitet virker lidt urimelig.

Et CCD-sensorbaseret system kræver en stor designinvestering. CCD kræver en bred vifte af ikke-logisk niveau effekt og kontrolspændinger (herunder negative spændinger), og den tid, der skal anvendes til sensoren kan være meget kompleks. Billedet "data", der produceres af sensoren, er en analog bølgeform, der skal forstærkes og prøves fint. og selvfølgelig enhver signalbehandling eller data konvertering kredsløb har potentialet til at indføre støj.

Lav støjpræstation starter med en CCD, men det ender ikke der - vi skal stræbe efter at minimere støj i hele signalkæden.

CCD udgangsbølgeform

Situationen er helt anderledes for CMOS image sensorer. De arbejder mere som standard integrerede kredsløb, med logik-niveau spænding kilder, on-chip billedbehandling og digital output data. Du kan også nødt til at håndtere nogle ekstra billedstøj, Men i mange applikationer er dette en lille pris at betale for i høj grad at reducere design kompleksitet, udviklingsomkostninger og stress.

Billedbehandling er ikke en typisk mikrocontroller opgave, især når du arbejder med høj framehastighed eller høj opløsning sensorer. De fleste applikationer vil drage fordel af computerkraften i en digital signalprocessor eller FPGA.

Kompression skal også overvejes, især hvis du har brug for at gemme billeder i hukommelsen eller overføre dem trådløst. Dette kan udføres af software eller programmerbar hardware.