3. Примеры активно-пиксельных датчиков

 

В настоящее время активно-пиксельные датчики используют при проведении видеоконференций между персональными компьютерами, в цифровых фото и видеокамерах, медицинских инструментах, игрушках и в автомобилестроении. Разнообразие КМОП-архитектур объясняется возможностью сенсоров выполнять большое число различных функций.

Первая корпорация, которая получила эксклюзивную лицензию на новый тип датчика изображений, разработанного в JPL была Photobit.

Первый фотоаппарат, разработанный на основе КМОП-микросхем, был представлен фирмой Vivitar и назывался ViviCam-3000 [1]. При весьма достойном разрешении 960x800 пикселей и добротном наборе функций он был выставлен по цене камер более низкого уровня ‑ до 600 долларов. Однако большое количество искажений вынуждало применять весьма сложную схему предварительной обработки для выделения картинки из исходного сигнала. Эта схема включала в себя: четырехцветный сенсор RGBT (кроме традиционных Red - красного, Green - зеленого, Blue - синего цветов дополнительно использовался Teal - сине-зеленый), 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь для каждого цвета, сложное программное обеспечение, занимавшее 2 Мбайт встроенной оперативной памяти камеры (из доступных 2,5 Мбайт), специальный процессор, выполнявший за 20-30 с (таким был минимальный интервал между последовательными кадрами) более 600 миллионов инструкций в процессе перевода изображения из 10-битового RGBT-формата в требуемый 8-битовый RGB-формат. Программное обеспечение этой камеры также производило сжатие получаемых изображений по методу Wavelet [6].

В будущем КМОП-матрицы неизбежно будут иметь существенно более высокое качество съемки и большая часть в настоящее время необходимой математической обработки станет излишней. Учитывая уникальность показателя цена/качество, не приходится сомневаться в исходе конкурентной борьбы КМОП против ПЗС.

4. Устранение искажений в активно-пиксельных датчиках, возникающих из-за шумов

 

Шумом называется [17] любой источник неопределенности сигнала. Параметр, описывающий относительную величину шума, определяется отношением сигнал/шум (S/N) и измеряется в децибелах - 20log(S/N). Так, например, соотношение сигнал/шум, равное 60 дБ, означает, что сигнал в 1000 раз больше шума. Из формулы становится ясно, что большей величине S/N соответствует меньший шум, то есть более качественный сигнал. Можно выделить следующие некоторые типы шумов:

1) Фотонный шум. Является следствием дискретной природы света.

2) Шум темнового сигнала. Даже при отсутствии на входе матрицы светового сигнала (например, плотно закрытый светонепроницаемой крышкой объектив) на выходе системы будут так называемые темновые кадры. Основной составляющей темнового сигнала является термоэлектронная эмиссия. С понижением температуры уровень темнового сигнала снижается. Заметим попутно, что определенное снижение этого шума возможно за счет более эффективного охлаждения матрицы.

3) Шум считывания. Когда сигнал, накопленный в элементе (ячейке), считывается из матрицы, преобразуется и усиливается, то в каждом элементе появляется дополнительный шум — шум считывания. Это базовый уровень шума, присутствующий в изображении даже с нулевым уровнем экспозиции, когда матрица находится в полной темноте и шум темнового сигнала тоже равен нулю.

4) Шум сброса или kTC-шум. Перед вводом сигнального заряда в детектирующий узел необходимо вывести предыдущий заряд, для чего используется транзистор сброса. Электрический уровень сброса зависит только от температуры и емкости детектирующего узла, что вносит шум.

Естественно, что с совершенствованием технологий уровень шума станет снижаться, однако абсолютного нуля он не достигнет в силу природы используемых сейчас светоприемников.

Устранение искажений в активно-пиксельных приборах продемонстрируем на примере детектора заряженных частиц, описанного в [18]. Прибор состоит из прямоугольной матрицы 512 ´ 490 активных пикселей размером 14 ´14 микрон каждый. Характеристики каждого из активных пикселей не являются строго одинаковыми [19]. Вариации характеристик пикселя приводят к появлению на изображении шума (рис.10 (а)). Такой тип шума зависит только от положения пикселя и не зависит от

 

1. (b)

Рис.10 Применение калибровки КМОП-датчика. (а) – грубое изображение, полученное после освещения кремниевой подложки ионами; (b) – изображение подложки после коррекции

 

времени. Его называют fixed-pattern noise (FPN). Стандартное значение этого шума равно 600e, что составляет 0.43% от уровня насыщения.

Шум FPN может быть подавлен, если заранее выявить характеристики каждого пикселя с целью последующей корректировки поступающего от него сигнала. Эта процедура называется калибровкой. На рис.10 иллюстрируется применение калибровки КМОП-датчика. На рис.10 (а) показано грубое изображение полученное после освещения кремниевой подложки ионами ²⁷Al⁺ с энергиями 4.5 КэВ. На рис.10 (b) изображена подложка после коррекции.

Заметим, что в нашей работе не рассматриваются примеры и способы уменьшения и полного удаления всех шумов, присущих активно-пиксельным датчикам.