КМОП- и ПЗС-матрицы

КМОП- и ПЗС-матрицы

КМОП-матрицы ams Sensors Belgium (CMOSIS)

Отличительной особенностью КМОП-матриц компании КМОП-матрицы ams Sensors Belgium (CMOSIS) является то, что обладая высоким разрешением, сенсоры обеспечивают высокую частоту кадрового считывания.

КМОП-матрицы Gpixel

КМОП-сенсоры для различных применений, таких как: высокоточные научные и медицинские проекты и приборы, космические проекты, аэрофотосъёмка, системы наблюдения в сложных метеоусловиях.

ПЗС- и КМОП-матрицы Sony

Компания Sony - мировой лидер в разработке и производстве ПЗС- и КМОП-матриц широкого применения, как для любительских фотоаппаратов и камер, так и для рынка профессионального и специализированного оборудования.

КМОП-матрицы Micron/Aptina

APTINA на сегодняшний день является лидером в разработке и производстве КМОП-матриц коммерческого применения.

andanta_icon

ПЗС-матрицы Andanta

Компания Andanta специализируется на разработке высокочувствительных ПЗС-сенсоров разрешением до 10560 x 10560 пикселей.

ПЗС- и КМОП-матрицы e2v

ПЗС- и КМОП-сенсоры для спектроскопии, микроскопии, кристаллографии, флюороскопии и бортового оборудования.

КМОП-матрицы ANAFOCUS

КМОП-сенсоры для высокоскоростных систем машинного зрения и интеллектуальных систем контроля трафика.

Разработка КМОП-матриц на заказ. Caeleste

Компания Caeleste занимается научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими разработками фоточувствительных, инфракрасных и рентгеновских матриц изображения под заказ c последующей долгосрочной поддержкой проекта, изготовлением опытной партии и передачей конструкторской документации заказчику для самостоятельного воспроизведения разработанной в Caeleste продукции.

Гиперспектральные сенсоры Imec

Гиперспектральные сенсоры – КМОП-матрицы с нанесёнными на уровне подложки специальными фильтрами, позволяющими получить спекральный слепок каждой точки получаемого изображения. Такая технология позволяет создавать камеры и модули, размер которых, в отличие от традиционных гиперспектральных систем, легко умещает их на ладони и делает их доступными даже для таких требовательных направлений как аэрофотосъёмка и хирургия.

Общие сведения

Общий вид ПЗС-матрицы

Фоточувствительная ПЗС (прибор с зарядовой связью) матрица (англ.  CCD - charge-coupled device) - это прибор с переносом заряда, предназначенный для преобразования энергии оптического излучения в электрический сигнал, в котором зарядовые пакеты перемещаются к выходному устройству вследствие направленного перемещения потенциальных ям, и фоточувствительные элементы организованы в матрицу по строкам и столбцам. Преобразование осуществляется с помощью большого количества фотодиодов, расположенных в плоскости матрицы (так называемых пикселей). Отдельно взятый элемент чувствителен во всем видимом спектральном диапазоне, поэтому над фотодиодами цветных ПЗС-матриц используется светофильтр, который пропускает только один из трёх цветов: красного (Red) #ff0000, зелёного (Green) #00ff00, синего (Blue) #0000ff или жёлтого (Yellow) #ffff00, пурпурного (Magenta) #ff00ff, бирюзового (Cyan) #00ffff. А в свою очередь в чёрно-белой ПЗС-матрице таких фильтров нет.

 

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ПИКСЕЛЯ

Общий вид пикселя в разрезе

Пиксель состоит из p-подложки, покрытой прозрачным диэлектриком, на который нанесён светопропускающий электрод, формирующий потенциальную яму.

Над пикселем может присутствовать светофильтр (используется в цветных матрицах) и собирающая линза (используется в матрицах, где чувствительные элементы не полностью занимают поверхность).

На светопропускающий электрод, расположенный на поверхности кристалла, подан положительный потенциал. Свет, падающий на пиксель, проникает вглубь полупроводниковой структуры, образуя электрон-дырочную пару. Образовавшиеся электрон и дырка растаскиваются электрическим полем: электрон перемещаются в зону хранения носителей (потенциальную яму), а дырки перетекают в подложку.

Для пикселя присущи следующие характеристики:

  • Ёмкость потенциальной ямы - это количество электронов, которое способна вместить потенциальная яма.
  • Спектральная чувствительность пикселя - зависимость чувствительности (отношение величины фототока к величине светового потока) от длины волны излучения.
  • Квантовая эффективность (измеряется в процентах) - физическая величина, равная отношению числа фотонов, поглощение  которых вызвало образование квазичастиц, к общему числу поглощённых фотонов. У современных ПЗС матриц этот показатель достигает 95%. Для сравнения, человеческий глаз имеет квантовую эффективность порядка 1%.
  • Динамический диапазон - отношение напряжения или тока насыщения к среднему квадратичному напряжению или току темнового шума. Измеряется в дБ.
 

УСТРОЙСТВО ПЗС-МАТРИЦЫ И ПЕРЕНОСА ЗАРЯДА

 

Общий вид трёхфазного регистра сдвига
ПЗС-матрица разделена на строки, а в свою очередь каждая строка разбита на пиксели. Строки разделены между собой стоп слоями (p+), которые не допускают перетекания зарядов между ними. Для перемещения пакета данных используются параллельный, он же вертикальный (англ. VCCD) и последовательный, он же горизонтальный (англ. HCCD) регистры сдвига.

Простейший цикл работы трехфазного регистра сдвига начинается с того, что на первый затвор подается положительный потенциал, в результате чего образуется яма, заполненная образовавшимися электронами. Затем на второй затвор подадим потенциал, выше, чем на первом, вследствие чего под вторым затвором образуется более глубокая потенциальная яма, в которую перетекут электроны из под первого затвора. Чтобы продолжить передвижение заряда следует уменьшить значение потенциала на втором затворе, и подать больший потенциал на третий. Электроны перетекают под третий затвор. Данный цикл продолжается от места накопления до непосредственно считывающего горизонтального резистора. Все электроды горизонтального и вертикального регистров сдвига образуют фазы (фаза 1, фаза 2 и фаза 3).

 


Классификация ПЗС-матриц по цветности:

  • Чёрно-белые
  • Цветные

 

Классификация ПЗС-матриц по архитектуре:

Зелёным цветом обозначены фоточувствительные ячейки, серым - непрозрачные области.

 

Для ПЗС-матрицы присущи следующие характеристики:

  • Эффективность передачи заряда - отношение количества электронов в заряде в конце пути по регистру сдвига к количеству в начале.
  • Коэффициент заполнения - отношение площади заполненной светочувствительными элементами к полной площади светочувствительной поверхности ПЗС-матрицы.
  • Темновой ток - электрический ток, который протекает по фоточувствительному элементу, в отсутствие падающих фотонов.
  • Шум считывания -  шум, возникающий в схемах преобразования и усиления выходного сигнала. 

Матрицы с полнокадровым переносом (англ. full-frame).




Преимущества:

  • Простота технологического цикла;
  • Возможность занять 100% поверхности светочувствительными элементами.

Недостатки:

  • При считывании данных следует перекрывать затвором источник света, чтобы избежать появления эффекта смазывания;
  • Частота считывания ограничена скоростями работы последовательного и параллельного регистров сдвига. От этого же зависит интервал перекрытия матрицы затвором.

Матрицы с кадровым переносом. (англ. frame transfer).




Преимущества:

  • Возможность занять 100% поверхности светочувствительными элементами;
  • Время считывания ниже, чем у матрицы с полнокадровым переносом;
  • Смазывание меньше, чем в ПЗС-матрице с полнокадровым переносом;
  • Имеет преимущество рабочего цикла по сравнению полнокадровой архитектурой: ПЗС-матрица с кадровым переносом всё время собирает фотоны.

Недостатки:

  • При считывании данных следует перекрывать затвором источник света, чтобы избежать появления эффекта смазывания;
  • Увеличен путь перемещения заряда, что негативно сказывается на эффективности передачи заряда;
  • Изготовление и производство данных матриц дороже, чем устройств с полнокадровым переносом.


Матрицы с межстрочным переносом или матрицы с буферизацией столбцов (англ. Interline-transfer).




Преимущества:

  • Процессы накопления и переноса заряда пространственно разделены;
  • Заряд из элементов накопления передаётся в закрытые от света ПЗС-матрицы регистры переноса;
  • Перенос заряда всего изображения осуществляется за 1 такт;
  • Нет необходимости применять затвор;
  • Отсутствует смазывание.

Недостатки:

  • Возможность заполнить поверхность чувствительными элементами не более чем на 50%.
  • Скорость считывания ограничена скоростью работы регистра сдвига;
  • Разрешающая способность ниже, чем у ПЗС-матриц с кадровым и полнокадровым переносом.


Матрицы со строчно-кадровым переносом или матрицы с буферизацией столбцов (англ. interline).

Преимущества:

  • Процессы накопления и переноса заряда пространственно разделены;
  • Заряд из элементов накопления передаётся в закрытые от света ПЗС-матрицы регистры переноса;
  • Перенос заряда всего изображения осуществляется за 1 такт;
  • Отсутствует смазывание;
  • Интервал между экспонированиями минимален и подходит для записи видео.

Недостатки:

  • Возможность заполнить поверхность чувствительными элементами не более чем на 50%;
  • Разрешающая способность ниже, чем у ПЗС-матриц с кадровым и полнокадровым переносом;
  • Увеличен путь перемещения заряда, что негативно сказывается на эффективности передачи заряда.

 

ПРИМЕНЕНИЕ ПЗС-МАТРИЦ

 

НАУЧНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

  • для спектроскопии;
  • для микроскопии;
  • для кристаллографии;
  • для рентгеноскопии;
  • для естественных наук;
  • для биологических наук.
Космическое применение ПЗС-матриц 

КОСМИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

  • в телескопах;
  • в звёздных датчиках;
  • в спутниках слежения;
  • при зондировании планет;
  • бортовое и ручное оборудование экипажа.
Применение ПЗС-матриц в промышленности 

ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

  • для проверки качества сварных швов;
  • для контроля равномерности окрашенных поверхностей;
  • для исследования износостойкости механических изделий;
  • для считывания штрих-кодов;
  • для контроля качества упаковки продукции.
Охранное применение ПЗС-матриц 

ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ОХРАНЫ ОБЪЕКТОВ

  • в жилых квартирах;
  • в аэропортах;
  • на строительных площадках;
  • на рабочих местах;
  • в «умных» камерах, распознающих лицо человека.

ПРИМЕНЕНИЕ В ФОТОГРАФИРОВАНИИ

  • в профессиональных фотоаппаратах;
  • в любительских фотоаппаратах;
  • в мобильных телефонах.

МЕДИЦИНСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

  • в рентгеноскопии;
  • в кардиологии;
  • в маммографии;
  • в стоматологии;
  • в микрохирургии;
  • в онкологии.

АВТО-ДОРОЖНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

  • для автоматического распознавания номерных знаков;
  • для контроля скорости;
  • для управления транспортным потоком;
  • для пропуска на стоянку;
  • в полицейских системах наблюдения.

 

Как возникают искажения при съёмке движущихся объектов на сенсор со строковым завтором:

Задать вопрос

Вопрос
Ваше имя
E-mail для ответа