เทคโนโลยีเซ็นเซอร์ภาพเบื้องต้น

หลักฐานพื้นฐานของการถ่ายภาพอิเล็กทรอนิกส์คือพลังงานแสงจะถูกแปลงเป็นไฟฟ้าในลักษณะที่รักษาข้อมูลภาพช่วยให้เราสามารถสร้างคุณสมบัติทางแสงของฉากได้ ปฏิสัมพันธ์ที่คาดการณ์ได้ระหว่างโฟตอนและอิเล็กตรอนนี้เริ่มต้นกระบวนการจับภาพดิจิตอล หลังจากที่พลังงานที่จัดส่งโดยโฟตอนที่เกิดขึ้นจะถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าระบบจะต้องมีวิธีการวัดปริมาณพลังงานนี้และเก็บไว้ตามลำดับ (หรือเมทริกซ์) ของค่า

ในเซ็นเซอร์ภาพส่วนใหญ่การแปลงจากแสงเป็นไฟฟ้าจะทำโดยโฟโตไดโอดซึ่งเป็นทางแยก PN ที่มีโครงสร้างช่วยให้การสร้างคู่อิเล็กตรอนหลุมในการตอบสนองต่อแสงที่เกิดขึ้น

โฟโตไดโอดมักจะทำจากซิลิกอนแต่วัสดุเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆเช่นสารหนูอินเดียมแอนตี้โมไนด์ปรอทแคดเมียม Telluride ฯลฯยังใช้เพื่อวัตถุประสงค์พิเศษต่างๆ

เทคโนโลยีเซ็นเซอร์ภาพล่วงหน้าที่สำคัญคือการสร้างโฟโตไดโอดแบบปักหมุด ในภาพด้านบนโฟโตไดโอดเช่นไดโอดปกติประกอบด้วยภูมิภาค P-Type และภูมิภาค N-Type

โฟโตไดโอดชนิด pinned มีภูมิภาคเพิ่มเติมที่ทำจากสารกึ่งตัวนำ P-Type (P สำหรับระยะสั้น) สูงตามที่แสดงจะบางกว่าอีกสองภูมิภาค

รูปนี้แสดงโครงสร้างของโฟโตไดโอดที่ถูกตรึงไว้ในเซ็นเซอร์ภาพ

นำมาใช้ใน1980S, pinned โฟโตไดโอดแก้ปัญหา (เรียกว่า "hysteresis") ที่เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนล่าช้าของค่าใช้จ่ายที่สร้างขึ้นแสง โฟโตไดโอดแบบปักหมุดยังมีประสิทธิภาพควอนตัมที่สูงขึ้นประสิทธิภาพเสียงรบกวนที่ดีขึ้นและกระแสมืดที่ต่ำกว่า (เราจะกลับไปที่แนวคิดเหล่านี้ในภายหลังในชุดนี้)

วันนี้องค์ประกอบแสงในเกือบทั้งหมด CCD และ CMOS เซ็นเซอร์ภาพเป็น pinned photodiode

สองเทคโนโลยีการถ่ายภาพหลักคือ CCD (อุปกรณ์ชาร์จคู่) และ cmos.

นอกจากนี้ยังมีเซ็นเซอร์ประเภทอื่นๆเช่นเซ็นเซอร์ NMOS สำหรับสเปกโตรสโกปีเครื่องวัดแสงขนาดเล็กที่ให้ความไวในการถ่ายภาพความร้อนด้วยอินฟราเรดและการใช้งานพิเศษอาจใช้อาร์เรย์โฟโตไดโอดที่เชื่อมต่อกับวงจรเครื่องขยายเสียงที่กำหนดเอง

อย่างไรก็ตามเราจะมุ่งเน้นไปที่ CCD และ CMOS ประเภทเซ็นเซอร์ทั่วไปทั้งสองประเภทนี้ครอบคลุมการใช้งานและฟังก์ชันที่หลากหลายมาก

ดูเหมือนว่าผู้คนจะถูกดึงดูดไปสู่การตัดสินที่มีคุณค่าของ "ซึ่งดีกว่า?" คำถามเช่นการติดตั้งบนพื้นผิวหรือผ่านหลุม? BJT หรือ FET? Canon หรือ Nikon Windows หรือ Mac (หรือ Linux)? คำถามเหล่านี้ไม่ค่อยมีคำตอบที่มีความหมายและแม้กระทั่งการเปรียบเทียบคุณสมบัติของแต่ละบุคคลอาจเป็นเรื่องยาก

ดังนั้นอะไรจะดีกว่า CMOS หรือ CCD? การเปรียบเทียบแบบดั้งเดิมดำเนินไปเช่นนี้: CCD มีเสียงรบกวนต่ำความสม่ำเสมอของพิกเซลต่อพิกเซลที่ดีขึ้นและมีชื่อเสียงในด้านคุณภาพของภาพที่เหนือกว่า เซ็นเซอร์ CMOS มีระดับการรวมที่สูงขึ้น-ลดความซับซ้อนสำหรับนักออกแบบวงจร-และลดการใช้พลังงาน

ฉันไม่ได้บอกว่าการประเมินนี้ไม่ถูกต้องแต่ประโยชน์ของมันมีจำกัด จำนวนมากขึ้นอยู่กับความต้องการของคุณสำหรับเซ็นเซอร์และความต้องการและลำดับความสำคัญของคุณ

นอกจากนี้เทคโนโลยีมีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วและเงินจำนวนมากลงทุนในการวิจัยและพัฒนาภาพดิจิตอลอาจค่อยๆเปลี่ยนรูปแบบของ CCD และ CMOS

ประการที่สองเซ็นเซอร์ภาพไม่ได้ผลิตภาพ เป็นส่วนสำคัญของระบบภาพดิจิตอล (ส่วนที่สำคัญมากแน่นอน) และคุณภาพของภาพที่รับรู้โดยระบบขึ้นอยู่กับเซ็นเซอร์เท่านั้นแต่ปัจจัยอื่นๆอีกมากมาย ไม่ต้องสงสัยเลยว่า ccds มีประสิทธิภาพสูงกว่าเซ็นเซอร์ CMOS สำหรับคุณสมบัติ optoelectronic บางอย่าง แต่เชื่อมโยง CCD ที่มีโดยรวมสูงขึ้นคุณภาพของภาพดูไม่เหมาะสมเล็กน้อย

ระบบเซ็นเซอร์ CCD ต้องใช้การลงทุนในการออกแบบขนาดใหญ่ Ccds ต้องการแรงดันไฟฟ้าระดับที่ไม่ใช่ลอจิกและการควบคุมที่หลากหลาย (รวมถึงแรงดันลบ) และเวลาที่ต้องใช้กับเซ็นเซอร์อาจซับซ้อนมาก ภาพ "ข้อมูล" ที่ผลิตโดยเซ็นเซอร์เป็นรูปคลื่นอะนาล็อกที่ต้องมีการขยายอย่างประณีตและตัวอย่าง, และแน่นอนว่าการประมวลผลสัญญาณหรือวงจรการแปลงข้อมูลมีศักยภาพในการแนะนำเสียงรบกวน

ประสิทธิภาพเสียงต่ำเริ่มต้นด้วย CCD แต่ไม่สิ้นสุด-เราต้องมุ่งมั่นที่จะลดเสียงรบกวนตลอดห่วงโซ่สัญญาณ

รูปคลื่นเอาท์พุท CCD

สถานการณ์ค่อนข้างแตกต่างสำหรับเซ็นเซอร์ภาพ CMOS พวกเขาทำงานมากขึ้นเช่นวงจรรวมมาตรฐานที่มีแหล่งแรงดันไฟฟ้าระดับตรรกะการประมวลผลภาพบนชิปและข้อมูลเอาท์พุทดิจิตอล คุณอาจต้องจัดการกับเสียงรบกวนจากภาพเพิ่มเติมแต่ในแอพพลิเคชั่นมากมายนี่เป็นราคาเล็กๆสำหรับการลดความซับซ้อนของการออกแบบต้นทุนการพัฒนาและความเครียดอย่างมาก

การประมวลผลภาพไม่ใช่งานไมโครคอนโทรลเลอร์ทั่วไปโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อคุณทำงานกับอัตราเฟรมสูงหรือเซ็นเซอร์ความละเอียดสูง แอปพลิเคชันส่วนใหญ่จะได้รับประโยชน์จากพลังการประมวลผลของโปรเซสเซอร์สัญญาณดิจิตอลหรือ FPGA

การบีบอัดยังต้องได้รับการพิจารณาโดยเฉพาะอย่างยิ่งหากคุณต้องการเก็บภาพไว้ในหน่วยความจำหรือถ่ายโอนข้อมูลแบบไร้สาย สามารถทำได้โดยซอฟต์แวร์หรือฮาร์ดแวร์ที่ตั้งโปรแกรมได้