СРАВНЕНИЕ АКТИВНО-ПИКСЕЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ С ПРИБОРАМИ НА ОСНОВЕ ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗИ

Главным недостатком активно-пиксельной технологии являются помехи, возникающие из-за добавления дополнительных элементов на чип. Это ‑ транзисторные и диодные рассеивания, эффект остаточного заряда и многие другие. Устранением таких помех разработчики занимаются уже давно. В настоящее время создатели разработчики активно-пиксельных датчиков научились непосредственно на чипе устранять шум теневого тока из заряда перед тем, как передать его с сенсора.

Подобно ПЗС, КМОП-сенсоры используют массив фотодиодов для перевода света в электрический сигнал. Этот маленький электрический заряд, генерируемый фотодиодом, накапливается в конденсаторе. Заряд слишком слабый, чтобы быть использованным для самостоятельного использования, и нуждается в усилении до приемлемого для работы с ним уровня.

Главным различием между ПЗС и КМОП-сенсором – это способ перевода накопленных зарядов в сигналы, которые подлежат обработке. ПЗС-матрица считывает пиксели непрерывно. Сохраненные заряды из каждой строки фактически сдвигается к следующей строке (так называемая «зарядовая связь») (см. рис.11) и по общей шине заряды выводятся последовательным потоком данных. Уровень напряжения каждого пикселя в последовательном потоке повышается усилителем, установленном на чипе перед выходом, и далее направляется к внешнему или внутреннему аналого-цифровому преобразователю (АЦП), где сигналы преобразуются в массив байтов, из которых создается изображение.

Каждый пиксель в КМОП-сенсоре имеет свою собственную усилительную схему (см. рис.11 – MOS-активный пиксель), поэтому усиление сигнала происходит еще до считывания изображения.

Рис.11. Сравнение ПЗС-элемента ( CCD), MOS-пассивного пикселя и MOS-активного пикселя.

Получившийся сигнал достаточно мощный, чтобы быть использованным без какого-либо дальнейшего усиления. В отличие от ПЗС, КМОП-сенсоры часто имеют дополнительную схему обработки изображения, включая аналого-цифровые преобразователи и процессоры сжатия прямо на чипе, делая процесс считывания и обработки изображения более быстрым и простым. Все это выражается в менее мощном чипе, увеличенной надежности, уменьшенном потреблении энергии и более компактном дизайне [20].

Появилась возможность произвольного доступа к каждому пикселю сенсора ‑ подобно тому, как работает оперативное запоминающее устройство (по параллельной схеме). Такой доступ позволяет КМОП-сенсору считывать не всю матрицу целиком, а лишь некоторые области. Этот метод называется методом оконного считывания (window-of-interest, windowing readout).

Представленный на рис.11 MOS-пассивный пиксель на практике представляет собой сенсор, подобный активно-пиксельному сенсору, но лишенный столь важных свойств последнего. Такие сенсоры часто называют микроканальными пластинами (МКП) или просто массивом диодов.

КМОП-сенсор способен также уменьшить размер изображения. По сравнению с ПЗС-датчиках при этом также увеличивается скорость считывания (в ПЗС-датчиках весь заряд выходит через единственный сдвиговый регистр). Кроме того, имеется возможность встраивания в каждый пиксель аналого-цифрового преобразования и первичной обработки изображений.

Еще одно преимущество активно-пиксельной технологии состоит в том, что значительно снижается потребляемая мощность и уменьшается число составных частей, необходимых для сборки готовых изделий. Поскольку одна микросхема выполняет все функции камеры от регистрации фотонов до побитового формирования кода изображения, то устройства, основанные на технологии КМОП, отличаются повышенной надежностью.

При всех вышеописанных достоинствах главным же преимуществом КМОП-датчиков является их стоимость. КМОП ‑ это стандартная технология изготовления микросхем, микроконтроллеров, микропроцессоров, освоенная тысячами производителей. Также, матрица пикселей может быть размещена на одной «платформе» вместе с элементами цифровой электроники, формирователем тактовых импульсов, АЦП, что является большим преимуществом над ПЗС-датчиками. И когда КМОП-кристаллы станут широко использоваться в качестве регистрирующих элементов высокоразрешающих цифровых камер, цена последних станет действительно настолько низкой, что пленочные фотоаппараты, возможно, станут раритетом.

ВМЕСТО ВЫВОДОВ

Подведем некоторые итоги обзора. Представим их в форме таблицы. В первом столбце выделим вопросы, на которые нельзя дать однозначный ответ «да» или «нет». Вопросы, представленные в таблице, являются одними из основополагающих при выборе активно или пассивно-пиксельной технологии для практического применения, научных исследований или других задач. Во втором столбце даны варианты ответов. В третьем столбце, по возможности, даны факторы, которые необходимо учитывать при выборе ответа [21].

Предмет рассмотрения	Варианты ответов	Учитываемые аргументы
Приборы с зарядовой связью или КМОП	Приборы с зарядовой связью и им подобные. Микроканальные пластины (массив фотодиодов). Активные КМОП матрицы.	Область применения. Цена. «Качество» технологии.
КМОП-активные или пассивные матрицы	Микроканальные пластины (массив фотодиодов). Много видов активных матриц.	Устойчивый и многофункциональный или простой выход. Шум, соотношение сигнал/шум. Остаточный заряд.
Тип фотодатчика	Фотодиод. Фотозатвор. Фотобиполярный плоскостной транзистор Скрытый диод.	Стандартный КМОП. Чувствительность.
Сложные активные матрицы	Активно-пиксельные матрицы токового режима. Емкостная обратная связь. Отмена смещения. Точное смещение.	Необходимость (требования) или размер пикселей и другие сложности.
1-, 2-, 3-, 4- транзисторные активные пиксели		Функциональность или размеры.
Логарифмическая характеристика пикселя	Линейная (классическая). Логарифмическая.	Высокая динамика, но низкое соотношение сигнал/шум.
Высокий фактор заполнения	Метод разработки, при котором элементы системы проектируются таким образом, что их взаимодействие основано на точно определенных характеристиках. Микролинзы.	Цена производства. Низкое диафрагменное число (объектива).
Электронный оптический затвор	Затвор с регулируемыми шторками. Оптический затвор. Полное отсутствие затвора. Механический затвор.	Подвижные элементы. Синхронное срабатывание. Очень короткое время выдержки.
Размер пикселя	Пиксель настолько маленький, насколько позволяют технологии. Чип настолько большой, насколько позволяют технологии.	Большее количество пикселей или меньший размер чувствительной области сенсора. Увеличение чувствительности к свету.
Скорость кадра	Цифровой / Аналоговый Высокая степень параллельности	Мощность в зависимости от скорости. Ширина диапазона шумов.
Прибор с зарядовой связью	1. ПЗС непрерывного режима передачи. 2. Черезстрочная ПЗС. 3. Полнокадровая ПЗС.	1. 100% фактор заполнения, но размазанное изображение. 2. Отсутствие смазанности, но и фактор заполнения не 100%. 3. Наилучший формат против отсутствия электронной диафрагмы.
Цвет	1. Единственный чип 2. Фильтры цвета 3. Образец цвета для фильтра	1. Мультичиповая камера. 2. Воздействие фильтров на спектральную чувствительность других устройств. 3. Возможность ошибки при воспроизведении цвета.