Фоточувствительные КМОП-матрицы

Общий вид КМОП-матрицы

Активный (с усилением). Основное отличие от пассивного пикселя заключается в том, что в каждом из активных пикселей присутствует элемент усиления с заданным коэффициентом. При этом в зависимости от количества транзисторов, расположенных в одном пикселе, их можно разделить на трех-, четырех-, пяти- и шеститранзисторные схемы.

В трёхтранзисторном пикселе перед засветкой через транзистор сброса происходит разряд ёмкости фотодиода, что способствует освобождению ямы от каких-либо носителей. При поглощении фотонов полупроводником образуются свободные электроны, заполняющие потенциальную яму. Усилительный транзистор используется для преобразования заряда на фотодиоде в напряжение с заданным коэффициентом усиления. Транзистор выбора строки служит для управления направлением передачи данных. В случае с четырёхтранзисторным пикселем добавляется еще транзистор промежуточного хранения, предназначенный для съёма заряда с фотодиода в дополнительную область. Данная технология необходима для реализации двойной коррелированной выборки (ДКВ) (англ. «correlated double sampling» или CDS), учитывающей уровень шумов в пикселе. В пятитранзисторном варианте присутствует транзистор общего сброса, который соединяет шину питания с фотодиодом. В шеститранзисторном пикселе фотодиод «превращается» в полевой фоточувствительный транзистор. Если сравнивать КМОП-пиксель на базе фоточувствительного транзистора с фотодиодным пикселем, то последний имеет больший коэффициент заполнения и более высокую квантовую эффективность. Однако ж следует отметить и недостатки КМОП-пикселей с фотодиодом среди которых большой шум и нагрузочная ёмкость, снижающая чувствительность фотодиода.

Трёхтранзисторная	Четырёхтранзисторная
Пятитранзисторная	Шеститранзисторная

Основные характеристики свойственные КМОП-матрицам:

• Разрешение;
• Размер пикселя;
• Размер изображения;
• Соотношение сторон;
• Максимальная частота считывания;
• Скорость считывания пикселей;
• Разрядность;
• Динамический диапазон;
• Соотношение сигнал/шум;
• Чувствительность;
• Напряжение питания;
• Потребляемая мощность;
• Тип корпуса.

Отличие от ПЗС-матрицы

Считывание сигнала

Считывание сигнала с матрицы происходит с помощью координатной X,Y - адресации. Для этого подаётся управляющий сигнал на первую строку и поочередно происходит сканирование всех столбцов. Управляющая схема выбора столбца по очереди принимает сигналы со всех пикселей выбранной строки.

Типы затворов:

Строковый затвор (англ. rolling shutter) по очереди обрабатывает одну строку кадра за другой, тем самым нако­пление происходит в разные промежутки времени. Весь процесс начинается с того, что накопление заряда от падаю­щего света начинается только в одной строке в нижней части фоточувствительной области. После завершения про­цесса накопления происходит считывание данной строки, в то время как строка, находящаяся выше, только начинает накапливать заряд.

Кадровый затвор (англ. global shutter) одновременно работает со всеми пикселями матрицы, открывая/перекрывая световой поток. При этом накопление происходит сразу во всех пикселях фоточувствительной области матри­цы. Как только этап накопления заканчивается, весь кадр отправляется на дальнейшую обработку.

Полукадровый затвор (англ. half-global shutter) напоминает отчасти кадровый, так как одновременно процесс экспозиции начинается во всех пикселях матрицы. В дальнейшем происходит этап считывания нижних строк, в то вре­мя как верхние строки продолжают накапливать свет. В итоге строки, считанные последними, будут иметь наибольшее время накопления.

Принципиальное отличие КМОП-матриц от ПЗС-матриц состоит в методе реализации считывания и устройстве пикселя. КМОП-матрицы нового поколения объединяют в себе фотоприёмник, устройства квантования и обработки изображения, что позволяет нам говорить о КМОП-матрицах как о видеосистемах на кристалле. Обрабатывающая электроника находится в каждом пикселе, что позволяет избежать потерь при переносе заряда через всю матрицу (как это происходит в ПЗС-матрицах).

Преимущества КМОП-матрицы по сравнению с ПЗС-матрицей:

• Дешевле и проще технологический цикл.
• Есть возможность получать изображения с отдельно взятых пикселей.
• Энергопотребление значительно ниже.
• КМОП матрица имеет в каждом пикселе преобразователь заряда в напряжение, усилитель сигнала, подавитель шума, АЦП и прочую вспомогательную электронику.
• Разработка приборов на базе КМОП-матриц менее ресурсоемкая, чем на ПЗС-матрицах.

Недостатки КМОП-матрицы по сравнению с ПЗС-матрицей:

• Меньше заполнение поверхности светочувствительными элементами, т.к. на поверхности располагаются транзисторы.
• Выше уровень шума.
• Ниже динамический диапазон.
• Ниже пространственная частота
• По умолчанию большинство характеристик, отвечающих за качество картинки хуже, чем в ПЗС-матрицах.

Применение КМОП-матриц.