Датчики изображения CMOS — основы проектирования пикселей

На этот раз поговорим о самой важной части CISQ: пикселях!Можно сказать, что практически все показатели производительности CIS в конечном счете определяются качеством оформления пикселей.Скажем так: дизайн схемы считывания определяет нижний предел производительности датчика изображения, а дизайн пикселя определяет верхний предел производительности датчика изображения!
Существует множество типов пикселей, например:
1. Наиболее часто используемый видимый свет — это пиксели 3T, 4T и 5T.Если вы хотите добавить больше функций, таких как глобальный затвор (GS, Global Shutter), расширенный динамический диапазон (HDR, HighDynamic Range) и т. д., вам нужно добавить больше транзисторов;
2. Рентген используется для пиксельного подсчета фотонов на основе CTIA;
3. Пиксель DVS для датчика событий;
4. Пиксель SPAD, используемый для 3D-изображения, часто используется как dToF (прямое время пролета) и часто используется как пиксель демодуляции iToF (косвенное время пролета);5. Другим примером является прямой впрыск инфракрасного излучения, CTIA и т. д., болометр. Используйте пиксель измерения сопротивления;
6. Кроме того, есть пиксель TDI, пиксель CCD 2/3/4-фазы и так далее.

У нас есть десятки типов пикселей для больших категорий.Если мы перечислим все пиксели, созданные людьми, их может быть сотни или тысячи типов.Поэтому мы не можем ввести все эти пиксели.Подавляющее большинство датчиков изображения CMOS Q (> 95%) в мире основаны на 2D-изображении видимого света, поэтому здесь мы сосредоточимся только на пикселях 3/4/5T.Если у вас есть возможность работать в разных компаниях, или делать полный заказной дизайн, то обращайтесь к более интересным вещам

Прежде всего, давайте разберемся с концепцией: Затвор.Затвор определяет, как и сколько света попадает на пиксели, что также определяет качество изображения.Затвор можно разделить на механический затвор (Mechanical Shutter) и электронный затвор (Electronic Shutter), а электронный затвор можно разделить на скользящий затвор (Roling Shutter) и глобальный затвор (Global Shutter).

Механический затвор состоит из двух лепестков затвора.Перед экспонированием первое лезвие закрывает весь датчик, затем, вообще говоря, лезвие снимается сверху вниз, а затем второе лезвие выдвигается сверху вниз после начала экспонирования., заблокируйте весь датчик, и экспозиция закончится.Скорость движения этих двух лопастей очень и очень высока, почти до 35 км/ч.Таким образом, для 35-мм полнокадровой камеры лезвие может позволить датчику начать или закончить экспозицию примерно за 1/400 с, поэтому можно сказать, что все механические затворы являются «приблизительными» глобальными затворами.Так как же механический затвор обеспечивает более короткое время экспозиции?Это относительно «просто», то есть, когда первая лопасть не полностью открыта, вторая лопасть уже начала движение вниз до блока, конечно, этому есть предел, самое быстрое около 1/8000 с.Если вам нужна более высокая скорость, вам нужен электронный затвор.

Как показано на рисунке ниже, вы можете увидеть разницу между скользящим затвором и глобальным затвором в электронном затворе.Для скользящего затвора время экспозиции каждого ряда пикселей как минимум отделено от времени считывания одного ряда пикселей.Например, для чтения строки требуется 10 мкс, и у нас есть 1000 строк пикселей, затем начинается экспозиция первой строки пикселей и последней строки пикселей / время окончания составляет около 10 мс, так что при съемке спортивной физики , изображение будет сильно искажено;соответственно глобальный затвор означает, что все пиксели имеют одинаковое время начала и окончания экспозиции