Sensores de imagen CMOS: conceptos básicos de diseño de píxeles
August 11, 2023
Esta vez, hablemos de la parte más crítica de CISQ: ¡los píxeles!Se puede decir que casi todos los indicadores de rendimiento de CIS están determinados en última instancia por la calidad del diseño de píxeles.Pongámoslo de esta manera: el diseño del circuito de lectura determina el límite inferior de rendimiento de un sensor de imagen, y el diseño de píxeles determina el límite superior de rendimiento de un sensor de imagen.
Hay muchos tipos de píxeles, tales como:
1. La luz visible más utilizada es la de 3T, 4T y 5T píxeles.Si desea agregar más funciones, como obturador global (GS, Global Shutter), alto rango dinámico (HDR, HighDynamic Range), etc., debe agregar más transistores;
2. Los rayos X se utilizan para el recuento de fotones de píxeles basados en CTIA;
3. Píxel DVS para sensor de eventos;
4. El píxel SPAD utilizado para imágenes 3D se usa a menudo como dToF (tiempo de vuelo directo) y se usa a menudo como píxel de demodulación de iToF (tiempo de vuelo indirecto);5. Otro ejemplo es la inyección directa de infrarrojos, CTIA, etc., bolómetro Use el píxel de la medición de resistencia;
6. Además, hay píxeles TDI, píxeles CCD de 2/3/4 fases, etc.
Tenemos decenas de tipos de píxeles para grandes categorías.Si enumeramos todos los píxeles diseñados por humanos, puede haber cientos o miles de tipos.Entonces es imposible para nosotros ingresar todos estos píxeles.La gran mayoría de los sensores de imagen CMOS Q (>95 %) del mundo se basan en imágenes 2D de luz visible, por lo que aquí solo nos enfocamos en 3/4/5T píxeles.Si tiene la oportunidad de trabajar en diferentes empresas, o hacer un diseño personalizado completo, póngase en contacto con cosas más interesantes.
En primer lugar, entendamos un concepto: Obturador.El obturador determina cómo y cuánta luz entra en los píxeles, lo que también determina la calidad de la imagen.El obturador se puede dividir en obturador mecánico (Obturador mecánico) y obturador electrónico (Obturador electrónico), y el obturador electrónico se puede dividir en obturador enrollable (Obturador giratorio) y obturador global (Obturador global).
La persiana mecánica se compone de dos lamas de persiana.Antes de la exposición, la primera hoja cubre todo el sensor y luego, en términos generales, la hoja se retira de arriba hacia abajo y luego la segunda hoja se mueve hacia afuera de arriba hacia abajo después de que se inicia la exposición., bloquee todo el sensor y finalice la exposición.La velocidad de movimiento de estas dos palas es muy, muy rápida, casi hasta 35 kmh.Entonces, para una cámara de fotograma completo de 35 mm, la hoja puede permitir que el sensor comience o finalice la exposición en aproximadamente 1/400 s, por lo que se puede decir que todos los obturadores mecánicos son obturadores globales "aproximados".Entonces, ¿cómo logra el obturador mecánico un tiempo de exposición más rápido?Esto es relativamente "simple", es decir, cuando la primera hoja no está completamente abierta, la segunda hoja ya ha comenzado a moverse hacia abajo para bloquear, por supuesto, hay un límite para esto, el más rápido es de aproximadamente 1/8000 s.Si desea una velocidad más rápida, necesita un obturador electrónico.
Como se muestra en la imagen a continuación, puede ver la diferencia entre el obturador enrollable y el obturador global en el obturador electrónico.Para persianas enrollables, el tiempo de exposición de cada fila de píxeles está separado al menos por el tiempo de lectura de una fila de píxeles.Por ejemplo, se necesitan 10 us para leer una fila, y tenemos 1000 filas de píxeles, luego comienza la exposición de la primera fila de píxeles y la última fila de píxeles. , la imagen se distorsionará significativamente;en consecuencia, el obturador global significa que todos los píxeles tienen el mismo tiempo de inicio y finalización de la exposición