Будова пікселя
Рис. Будова пікселя
Пасивний (без підсилення)
Схема складається з світлочутливого фотодіода і ключа зчитування. Світло, що падає на фотодіод, утворює вільні електрони, які будуть перебувати в потенційній ямі. При подачі сигналу на ключ, відбувається зчитування та подальша передача по вертикальній шині передачі даних.
Активний (з підсиленням)
Основна відмінність від пасивного пікселя полягає в тому, що в кожному з активних пікселів присутній елемент посилення з заданим коефіцієнтом. При цьому залежно від кількості транзисторів, розташованих в одному пікселі, їх можна розділити на три-, чотири-, п'яти-і шеститранзисторні схеми.
В трьохтранзисторному пікселі перед засвіченням через транзистор скидання відбувається розряд ємності фотодіода, що сприяє звільненню ями від будь-яких носіїв. При поглинанні фотонів напівпровідником утворюються вільні електрони, що заповнюють потенційну яму. Підсилювальний транзистор використовується для перетворення заряду на фотодіоді в напругу з заданим коефіцієнтом підсилення. Транзистор вибору рядка служить для керування напрямком передачі даних. У випадку з чотирьохтранзисторним пікселем додається ще транзистор проміжного зберігання, призначений для знімання заряду з фотодіода в додаткову область. Дана технологія необхідна для реалізації подвійної корельованої вибірки (ПКВ) (англ. «correlated double sampling» або CDS), що враховує рівень шумів в пікселі. В п’ятитранзистоному варіанті присутній транзистор загального скидання, який з'єднує шину харчування з фотодіодом. В шеститранзисторному пікселі фотодіод «перетворюється» в польовий фоточутливий транзистор. Якщо порівнювати КМОП-піксель на базі фоточутливого транзистора з фотодіодних пікселем, то останній має більший коефіцієнт заповнення та більш високу квантову ефективність. Проте ж слід відзначити і недоліки КМОП-пікселів з фотодіодом серед яких великий шум і навантажувальна ємність, що знижує чутливість фотодіода.
Рис. Трьох- та чотирьох транзисторні схеми відповідно
Рис. П’яти- та шести транзисторні схеми відповідно
Зчитування сигналу
Зчитування сигналу з матриці відбувається за допомогою координатної X, Y - адресації. Для цього подається керуючий сигнал на перший рядок і по черзі відбувається сканування всіх стовпців. Керуюча схема вибору стовпця по черзі приймає сигнали з усіх пікселів вибраної рядка.
Рис. Організація зчитування з КМОН-пікселя
Типи затворів:
Строковий затвор (англ. rolling shutter) по черзі обробляє один рядок кадру за інший, тим самим накопичення відбувається в різні проміжки часу. Весь процес починається з того, що накопичення заряду від падаючого світла починається тільки в одному рядку в нижній частині фоточутливої області. Після завершення процесу накопичення відбувається зчитування цього рядка, в той час як рядок, що знаходиться вище, тільки починає накопичувати заряд.
Кадровий затвор (англ. global shutter) одночасно працює з усіма пікселями матриці, відкриваючи / перекриваючи світловий потік. При цьому накопичення відбувається відразу у всіх пікселях фоточутливої області матриці. Як тільки етап накопичення закінчується, весь кадр відправляється на подальшу обробку.
Півкадровий затвор (англ. half-global shutter) нагадує почасти кадровий, так як одночасно процес експозиції починається у всіх пікселях матриці. Надалі відбувається етап зчитування нижніх рядків, в той час як верхні рядки продовжують накопичувати світло. В результаті рядки, лічені останніми, матимуть найбільший час накопичення.
Рис. Схематичне зображення КМОН-матриці зі встановленим кольоровим фільтром
Рис. Архітектура КМОН-матриці компанії Micron Technology
Технічні характеристики
Рис. КМОН-матриця LUPA 1300-2
Технічні характеристики КМОН-матриці LUPA 1300-2
Загальна кількість пікселів матриці: 1280 х 1024 (дозвіл SXGA)
Розмір одного активного піксела 14 мкм х 14 мкм, архітектура 6T (6T-pixel Architecture)
Розмір сенсора 17,92 мм х 14,34 мм; діагональ 23,3 мм (оптичний формат 1,43 дюйма)
Коефіцієнт заповнення 40%
Розрядність аналого-цифрового перетворювача 10 біт
Швидкість виведення даних через кожен з 12 вбудованих LVDS-портів становить 630 Мбіт / сек
Моментальний затвор (global shutter)
Частота сканування 500 кадрів в секунду при максимальній роздільній здатності 1280 x 1024
При зменшенні розміру області сканування можна значно збільшити максимальну частоту кадрів
Режим вибірки зі зменшеним дозволом по вертикалі і по горизонталі (сканування через рядок або через стовпець)
Зворотне напрям зчитування по X і по Y
Можливість зчитування даних з 4 окремих областей сенсора (послідовно)
Апаратна корекція шуму фіксованого розподілу (FPN-correction)
3-провідний послідовно-паралельний інтерфейс (Serial-Parallel Interface, SPI)
Режим неруйнівного читання (NDR)
Чутливість матриці 25 Вольт / Люкс / с
Стандартний динамічний діапазон 57,8 дБ
Розширений динамічний діапазон: можливо регулювання чутливості в режимі багаторазового скидання, при цьому динамічний діапазон може досягати 90 дБ
Програмоване посилення від х1 до х4 (6 кроків з програмуванням 3-бітного регістру)
Програмоване зміщення: 256 кроків (8 біт)
Корпус 168-пін, mPGA
Напруга живлення 2,5 В
Робоча температура від -40 до +70 ° C
Області застосування: аналіз руху, робототехніка, системи спостереження, контроль якості, метрологія
Електро-оптичні характеристики LUPA 1300-2
Шум фіксованого розподілу FPN <2% (середньоквадратичне значення)
Неоднорідність світлочутливості PRNU <1% (середньоквадратичне значення)
Коефіцієнт перетворення на виході 34 мкВ / електрон
Заряд насичення 30000 електронів
Пікова квантова ефективність * коефіцієнт заповнення (QE * FF) = 35%
Кількість шумових електронів <37
Стандартний динамічний діапазон 57,8 дБ
Потужність, що розсіюється 1350 мВт
Темновий струм 170 мВ / с при 30 ° C
Рис. Чутливість матриці LUPA 1300-2
Технічні характеристики КМОН-лінійки Hamamatsu S10453-512Q
Рис. Проекційне зображення КМОН-лінійки Hamamatsu S10453-512Q
Діюча довжина лінійки-12.8 мм
Діюча висота лінійки-0.5 мм
Кількість пікселів-512
Розмір пікселя 0.5 мм
Відстань між субпікселями-25 мкм
=200
нм
=1000
нм
=600
нм
Рис. Спектральна характеристика КМОН-лінійки Hamamatsu S10453-512Q