Sensores CMOS

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CMOS-matrix es una matriz  sensible a la luz , hecha sobre la base de la tecnología CMOS .

Las matrices CMOS utilizan transistores de efecto de campo de puerta aislada con canales de diferente conductividad.

Circuito equivalente de una celda de matriz CMOS: 1 - elemento fotosensible (fotodiodo); 2 - obturador; 3 - condensador que almacena la carga del diodo; 4 - amplificador; 5 - bus de selección de fila; 6 - bus vertical que transmite una señal al procesador; 7 - señal de reinicio. [una]

Historia

A fines de la década de 1960 Muchos investigadores han notado que las estructuras CMOS son sensibles a la luz. Sin embargo , los dispositivos de carga acoplada proporcionaron una sensibilidad a la luz y una calidad de imagen tan altas que los sensores CMOS no recibieron ningún desarrollo notable.

A principios de la década de 1990, las características de los sensores CMOS, así como la tecnología de fabricación, mejoraron considerablemente. Los avances en fotolitografía submicrónica han hecho posible el uso de compuestos más delgados en sensores CMOS. Esto condujo a un aumento de la sensibilidad a la luz debido a un mayor porcentaje del área irradiada de la matriz.

Se produjo una revolución en la tecnología de sensores CMOS cuando el Jet Propulsion Laboratory (JPL ) de la NASA implementó con éxito sensores de píxeles activos (APS) : sensores de píxeles activos [2] . Los estudios teóricos se llevaron a cabo hace varias décadas, pero el uso práctico del sensor activo se retrasó hasta 1993. APS agrega un amplificador de lectura de transistores a cada píxel, lo que hace posible convertir la carga en voltaje directamente en el píxel. Esto también proporcionó acceso aleatorio a los fotodetectores, similar al implementado en los chips de RAM.

Como resultado, en 2008, CMOS se convirtió prácticamente en una alternativa a los CCD.

En 2011 , en el MWC de Barcelona, ​​​​Samsung demostró un nuevo tipo de sensores CMOS que están destinados a aplicaciones de teléfonos inteligentes.

Cómo funciona

• Restablecer la señal antes de disparar
• Durante la exposición, la carga es acumulada por el fotodiodo
• En el proceso de lectura, se muestrea el valor de voltaje en el capacitor

Beneficios

• La principal ventaja de la tecnología CMOS  es el bajo consumo de energía estática. Esto permite el uso de tales matrices como parte de dispositivos no volátiles, por ejemplo, en sensores de movimiento y sistemas de vigilancia, que están la mayor parte del tiempo en el modo de "reposo" o "espera de un evento".
• Una ventaja importante de la matriz CMOS es la unidad de la tecnología con el resto, elementos digitales del equipo. Esto lleva a la posibilidad de combinar partes analógicas, digitales y de procesamiento en un solo chip (la tecnología CMOS, al ser principalmente una tecnología de procesador, implica no solo la "captura" de la luz, sino también el proceso de conversión, procesamiento, limpieza de señales no solo y componentes REA de terceros), que sirvieron de base para la miniaturización de cámaras para una amplia variedad de equipos y reduciendo su costo debido al rechazo de chips procesadores adicionales.
• Usando el mecanismo de acceso aleatorio, puede leer grupos seleccionados de píxeles. Esta operación se llama lectura enmarcada ( ing.  lectura de ventanas ). El recorte le permite reducir el tamaño de la imagen capturada y potencialmente aumentar la velocidad de lectura en comparación con los sensores CCD, ya que en estos últimos se debe cargar toda la información para su posterior procesamiento. Se hace posible utilizar la misma matriz en modos fundamentalmente diferentes. En particular, al leer rápidamente solo una pequeña parte de los píxeles, es posible proporcionar un modo de visualización de imágenes en vivo de alta calidad en la pantalla integrada en el dispositivo con una cantidad relativamente pequeña de píxeles. Puede escanear solo una parte del marco y aplicarlo para que se muestre en toda la pantalla. Por lo tanto, para obtener la posibilidad de enfoque manual de alta calidad. Es posible realizar tomas de reportajes a alta velocidad con un tamaño de fotograma y una resolución más pequeños.
• Además del amplificador dentro del píxel, los circuitos amplificadores se pueden colocar en cualquier lugar a lo largo de la ruta de la señal. Esto le permite crear cascadas de amplificación y aumentar la sensibilidad en condiciones de poca luz. La capacidad de cambiar la ganancia de cada color mejora el balance de blancos en particular .
• Barato de producción en comparación con matrices CCD, especialmente con matrices grandes.

Desventajas

• El fotodiodo de la celda ocupa un área significativamente más pequeña del elemento sensor, en comparación con un CCD de transferencia de fotograma completo . Por lo tanto, los primeros sensores CMOS tenían una sensibilidad a la luz significativamente menor que los CCD. Pero en 2007, Sony lanzó una nueva línea de cámaras y cámaras de video CMOS de nueva generación con tecnología Exmor , que anteriormente solo se había utilizado para sensores CMOS en dispositivos ópticos específicos, como telescopios electrónicos . En estas matrices, el “binding” electrónico del píxel, que impide que los fotones lleguen al elemento fotosensible, se movió de la capa superior a la inferior de la matriz, lo que permitió aumentar tanto el tamaño físico del píxel con el mismas dimensiones geométricas de la matriz, y la accesibilidad de los elementos a la luz, lo que, en consecuencia, aumentó la sensibilidad de cada píxel y de la matriz en su conjunto. Las matrices CMOS se compararon por primera vez con las matrices CCD en sensibilidad a la luz, pero resultaron ser más ahorradoras de energía y carentes del principal inconveniente de la tecnología CCD: el "miedo" a la luz puntual. En 2009, Sony mejoró los sensores EXMOR CMOS con tecnología de "retroiluminación". La idea de la tecnología es simple y corresponde completamente al nombre.
• El fotodiodo de la celda matriz tiene un tamaño relativamente pequeño, mientras que el valor del voltaje de salida resultante depende no solo de los parámetros del fotodiodo en sí, sino también de las propiedades de cada elemento de píxel. Así, cada píxel de la matriz tiene su propia curva característica , y existe un problema de dispersión de la fotosensibilidad y relación de contraste de los píxeles de la matriz. Como resultado de esto, las primeras matrices CMOS producidas tenían una resolución relativamente baja y un alto nivel del llamado “ruido de patrón” ( en inglés  , patrón de ruido ).
• La presencia en la matriz de un gran volumen de elementos electrónicos en comparación con el fotodiodo genera un calentamiento adicional del dispositivo durante el proceso de lectura y conduce a un aumento del ruido térmico.

Véase también

• CMOS
• Sistemas ópticos
• filtro bayer
• CCD

Notas

1. ↑ CCD vs CMOS: realidad y ficción. Archivado el 27 de febrero de 2008 en Wayback Machine - Reimpreso de la edición de enero de 2001 de PHOTONICS SPECTRA© por Laurin Publishing Co. Cía  (Inglés)
2. ↑ El principio de funcionamiento y diseño de sensores de píxeles activos (Principios de funcionamiento y diseño de la preimpresión de sensores de píxeles activos, Inst. Appl. Math., Academia Rusa de Ciencias). Copia archivada del 8 de octubre de 2016 en Wayback Machine Ovchinnikov A.M., Ilyin A.A., Ovchinnikov M.Yu.

Literatura

• Víctor Belov. Luz para la memoria  // "Foto & video" : revista. - 2005. - Nº 3 . - S. 72-75 . (Ruso)

Enlaces