Sensori di immagine CMOS - Nozioni di base sulla progettazione dei pixel

Questa volta parliamo della parte più critica di CISQ: i pixel!Si può affermare che quasi tutti gli indicatori di prestazione CIS sono in definitiva determinati dalla qualità del design dei pixel.Mettiamola così: il design del circuito di lettura determina il limite inferiore delle prestazioni di un sensore di immagine e il design dei pixel determina il limite superiore delle prestazioni di un sensore di immagine!
Esistono molti tipi di pixel, ad esempio:
1. La luce visibile più comunemente usata è 3T, 4T e 5T pixel.Se vuoi aggiungere più funzioni, come l'otturatore globale (GS, Global Shutter), l'alta gamma dinamica (HDR, HighDynamic Range), ecc., devi aggiungere più transistor;
2. I raggi X vengono utilizzati per i pixel basati su CTIA del conteggio dei fotoni;
3. Pixel DVS per sensore di eventi;
4. Il pixel SPAD utilizzato per l'imaging 3D viene spesso utilizzato come dToF (tempo di volo diretto) ed è spesso utilizzato come pixel di demodulazione di iToF (tempo di volo indiretto);5. Un altro esempio è l'iniezione diretta a infrarossi, CTIA, ecc., bolometro Utilizzare il pixel della misurazione della resistenza;
6. Inoltre, ci sono pixel TDI, pixel CCD 2/3/4 fasi e così via.

Abbiamo dozzine di tipi di pixel per grandi categorie.Se elenchiamo tutti i pixel progettati dagli esseri umani, potrebbero essercene centinaia o migliaia di tipi.Quindi è impossibile per noi inserire tutti questi pixel.La stragrande maggioranza dei sensori di immagine CMOS Q (>95%) nel mondo si basa sull'imaging 2D della luce visibile, quindi qui ci concentriamo solo su 3/4/5T pixel.Se hai l'opportunità di lavorare in diverse aziende o di realizzare un design completamente personalizzato, allora mettiti in contatto con cose più interessanti

Prima di tutto, capiamo un concetto: Shutter.L'otturatore determina come e quanta luce entra nei pixel, il che determina anche la qualità dell'immagine.L'otturatore può essere suddiviso in otturatore meccanico (Mechanical Shutter) e otturatore elettronico (Electronic Shutter), e l'otturatore elettronico può essere suddiviso in tapparella (Roling Shutter) e otturatore globale (Global Shutter).

L'otturatore meccanico è composto da due lamelle dell'otturatore.Prima dell'esposizione, la prima lama copre l'intero sensore, quindi in generale, la lama viene rimossa dall'alto verso il basso, quindi la seconda lama viene spostata dall'alto verso il basso dopo l'inizio dell'esposizione., bloccare l'intero sensore e l'esposizione termina.La velocità di movimento di queste due pale è molto, molto elevata, quasi fino a 35 km/h.Quindi per una fotocamera full frame da 35 mm, la lama può consentire al sensore di iniziare o terminare l'esposizione in circa 1/400s, quindi si può dire che tutti gli otturatori meccanici sono otturatori globali "approssimativi".Quindi, come fa l'otturatore meccanico a ottenere un tempo di esposizione più rapido?Questo è relativamente "semplice", cioè quando la prima lama non è completamente aperta, la seconda lama ha già iniziato a scendere per bloccarsi, ovviamente c'è un limite a questo, il più veloce è di circa 1/8000s.Se vuoi una velocità maggiore, hai bisogno di un otturatore elettronico.

Come mostrato nell'immagine qui sotto, puoi vedere la differenza tra la tapparella e l'otturatore globale nell'otturatore elettronico.Per il rolling shutter, il tempo di esposizione di ciascuna riga di pixel è almeno separato dal tempo di lettura di una riga di pixel.Ad esempio, ci vogliono 10us per leggere una riga e abbiamo 1000 righe di pixel, quindi inizia l'esposizione della prima riga di pixel e dell'ultima riga di pixel/L'ora di fine è a circa 10 ms di distanza, in modo che durante le riprese di fisica sportiva , l'immagine risulterà notevolmente distorta;di conseguenza, l'otturatore globale significa che tutti i pixel hanno la stessa ora di inizio e di fine dell'esposizione