5.5.3.  Датчики изображения на основе CMOS «Active-Pixel Sensor» архитектуры

Принципиальной особенностью CMOS «Active-Pixel Sensor-архитектуры (рис.5.25, а) является наличие в каждом пикселе помимо фоточувствительного элемента (фотодиода или фотозатвора) активной транзисторной схемы усиления сигнала с фотодатчика, выполненной по CMOS-технологии.

Рис. 5.25. CMOS «Active-Pixel»-архитектура (а) и CMOS-image sensor MT9M413C36STC фирмы Micron (б): 1 – активный усилитель; 2 – выбор строк; 3 – фотодетектор; 4 – выход столбцов

Структура типичного цветного CMOS-датчика представляет собой кремниевую подложку, на которой расположены фотодиоды, светофильтры и микролинзы. Поток света, проникая через микролинзы, разделяется светофильтрами на синюю, зелёную и красную составляющие, а затем поступает на фотодиоды. Наличие микролинз обусловлено стремлением повысить чувствительность датчика, путем фокусировки большего числа фотонов на фотоэлементе.

В CMOS-датчиках используют светофильтр (CFA – color filter array), построенный на основе модели «Bayer», изобретенной фирмой Kodak. Такая модель определяет следующее пространственное расположение цветных элементов фильтра, закрывающих фотодиоды:

GRGRGRGRGR

BGBGBGBGBG

GRGRGRGRGR

BGBGBGBGBG.

Здесь G – зелёный фильтр, R – красный и B – синий.

Следует отметить, что чувствительность цветных датчиков почти в три раза меньше, чем черно-белых. Поэтому в условиях малой освещенности лучше использовать черно-белые датчики изображения (например, в видеокамерах охранных систем).

Для изготовления традиционных ПЗС-датчиков необходима дорогостоящая производственная база и специализированные технологические процессы. В то же время изготовление датчиков изображения по CMOS-технологии позволяет использовать стандартное промышленное оборудование, которое применяется при производстве более 90 % всех существующих микросхем, от процессоров до модулей памяти.

Поскольку современная CMOS-технология позволяет обеспечить высокий уровень интеграции, имеется реальная возможность выпускать однокристальные датчики изображения, обладающие всеми необходимыми функциями для создания видеокамеры на кристалле. Такое решение приводит к значительному снижению стоимости готовой системы, поскольку исключает необходимость применения дополнительных микросхем.

Приборы архитектуры «Active-pixel sensor» (APS) потребляют почти в 100 раз меньше энергии, чем устройства на ПЗС-матрицах. Это достоинство особенно ощутимо в устройствах с автономным питанием: ноутбуках, сотовых телефонах, цифровых фотоаппаратах и пр. По своей сути ПЗС-матрицы – ёмкостные устройства, требующие высоких тактовых частот для достижения приемлемой эффективности переноса заряда, что приводит к значительным энергозатратам (до 2 – 5 Вт) при необходимости использовать несколько источников напряжения (от 5 до 15 В). В отличие от них системы «active-pixel» работают от одного источника напряжения (5 В; 3,3 В или 2,8 В), потребляя от 20 до 150 мВт мощности.

Датчики, изготовленные по APS-архитектуре, обладают высоким быстродействием, что позволяет успешно использовать их в системах машинного зрения и для анализа быстродвижущихся объектов. Например, датчик MT9M413C36STC (рис.5.25, б) фирмы Micron обеспечивает быстродействие до 500 fps (frames per second – кадров в секунду).

Ввиду того, что в CMOS-датчике фотоприёмник и усилитель находятся в каждом пикселе, преобразование заряда в напряжение производится внутри пиксела. Благодаря этому имеется возможность считывать информацию о состоянии каждого пиксела отдельно, задавая адрес его строки и столбца в двумерном массиве элементов. Также можно получать изображение не со всей матрицы, а только с предварительно заданного региона – «окна». Это позволяет легко выполнять операции масштабирования, увеличения изображения. Возможность задания «окна» для считывания изображения может быть полезна для сжатия изображения, обнаружения движения в кадре или отслеживания передвижения объекта.

В табл. 5.3 приведены сравнительные характеристики датчиков изображения на основе CMOS «Active-Pixel Sensor»-архитектуры.

CMOS-датчики имеют в сравнении с ПЗС-устройствами довольно высокий уровень шума. Это вызвано двумя основными причинами:

1) незначительный разброс характеристик транзисторных схем усиления, имеющихся в каждом пикселе матрицы, приводит к различной реак
ции пикселей;

2) наличие темнового тока утечки.

Для улучшения соотношения сигнал/шум может быть использован цифровой сигнальный процессор (DSP).

По заявлениям фирмы Micron, её датчики изображения, построенные по CMOS-APS архитектуре, имеют средний входной уровень шума, сопоставимый с уровнем шума высококачественных дорогих ПЗС-матриц. Специальная схема подавления шумов, реализованная в её датчиках, обеспечивает превосходный динамический диапазон до 75дБ.

Другим недостатком CMOS-технологии является низкая чувствительность. Это вызвано наличием в каждом пикселе помимо светочувствительного элемента схем усиления, шумопонижения и пр. Отношение площади фоточувствительного элемента ко всей площади пиксела в процентах называется «fill factor» (коэффициентом заполнения). Большинство CMOS-датчиков имеют «fill factor» не превышающий 75 %. В отличие от них, у ПЗС-датчиков его значение достигает 100 %.

Таблица 5.3

Сравнительные характеристики датчиков изображения на основе CMOS «Active-Pixel Sensor» архитектуры

Фирма	Тип прибора	Оптический формат	Разрешение, пикс.	Напряжение питания, В	Потребляемая мощность	Размер пиксела, мкм	Динамический диапазон, дБ
Agilent	ADCS-1021	1/4˝ (Color)	352 Н x 288 В	3,3	150Вт при 30 fps	7,4 x 7,4	61
	ADCS-2021	1/3˝ (Color)	640 Н x 480 В	3,3	150Вт при 15 fps	7,4 x 7,4	65
Micron	MT9C133W00ST	1/7˝ (Color)	352 Н x 288 В	2,8	<45Вт при 30 fps; <30Вт при 15 fps; Standby: <25µW	5,6 x 5,6	65
	MT9C011C11ST	1/5˝ (Color)	352 Н x 488 В	3,3	55Вт при 30 fps	7,8 x 7,8	60
	MT9V030C12ST	1/4˝ (Color)	640 Н x 480 В	3,3	<100Вт при 30 fps	5,6 x 5,6	60
	MT9M413C36STC	19,67mm (Color)	1,280 Нx 1,024 В	3,3	<500 Вт при 500 fps; <150 Вт при 60 fps	12,0 x 12,0	59
Motorola	MCM20014	1/3˝	640 Н x 480 В	3,3	215 Вт при 40 fps	7,8 x 7,8	50
	MCM20114	1/4˝	668 Н x 488 В	3,3	100 Вт при 30 fps	5,6 x 5,6	60
	MCM20027	1/2˝	1280 Н x 1024 В	3,3	6,0 x 6,0	50
National	LM9618	1/3˝ (Monochrome)	648 Н x 488  В	3,3	120 Вт	7,5 x 7,5	110 in non linear mode
	LM9627	1/3˝ (Color)	648 Н x 488 В	3,3	90 Вт	7,5 x 7,5	57
	LM9648	1/2˝ (Color)	1032 Н c 1288 В	3,0	150 Вт при 18 fps	6 x 6	57
Sharp	LZ34B1B	1/4˝ (Color)	655 Н x 493 В	2,8	—	5,6 x 5,6	—
Toshiba	TCM8210MD	1/4˝ (Color)	660 Н x 492 В	2,8	100 Вт при 15 fps	5,4 x 5,4	—

В новом цифровом фотоаппарате EOS-1Ds фирмы Canon
использован CMOS-датчик, имеющий около 11,4 миллиона пикселей (4160 х 2736) и размер активной области 35,8 х 23,8 мм с размером пиксела 8,8 х 8,8 мкм (рис.5.26, а).

Благодаря созданию фирмой Sharp цветного CMOS-датчика LZ0P3817 стандартного VGA-формата (655 х 493 пиксела) с интегрированной фокусирующей линзой (рис.5.26, б), появилась прекрасная возможность простого изготовления миниатюрной видеокамеры.

Стоимость современных CMOS-датчиков зависит, прежде всего, от разрешения матрицы и составляет, например для цветного датчика ADCS-2021 фирмы Agilent (см. табл. 5.3), всего 7 $ при оптовых закупках. Этот прибор содержит следующие устройства:

· матрицу фотоэлементов разрешением 640H x 480V (VGA);

· встроенную схему формирования сигналов управления для матрицы фотодиодов;

· 10-битный программируемый АЦП;

· индивидуально программируемые усилители красного, зеленого и синего каналов;

· параллельный (10-бит) и последовательный порты вывода;

· управляющие регистры, программируемые по шине I2С или интерфейсу UART;

· интегрированный источник опорного напряжения.

Кроме того, датчик ADCS-2021 обладает богатым набором программных возможностей:

· программирование «окна» для считывания изображения начиная с минимальной размерности 4 x 4 пиксела и до максимума, когда изображение передается со всей площади матрицы;

· программная возможность панорамирования специального окна (минимальной размерностью 4 x 4 пиксела), которое может быть расположено в любом месте матрицы датчика;

· программирование электронного затвора, управление экспозицией, частотой кадров и скоростью передачи оцифрованного изображения;

· программирование горизонтальных и вертикальных сигналов синхронизации.

Следует учитывать, что для получения качественного изображения, пригодного для просмотра, информацию с датчика нужно обработать. Существует ряд действий, которые необходимо выполнить с помощью внешнего специализированного устройства (например, цифрового сигнального процессора (DSP) LM9704 компании National Semiconductors): устранение дефектных пикселов, корректировка баланса белого, интерполяция светофильтра (устранение мозаичности), сжатие данных для последующей передачи по стандартному интерфейсу (USB и др.).