이미지 센서 기술 소개

광자와 전자

전자 이미징의 기본 전제는 빛 에너지가 시각 정보를 보존하는 방식으로 전기로 변환되어 장면의 광학 특성을 재구성 할 수 있다는 것입니다. 광자와 전자 사이의 예측 가능한 상호 작용은 디지털 이미지를 캡처하는 프로세스를 시작합니다. 입사 광자에 의해 전달 된 에너지가 전기 에너지로 변환 된 후, 시스템은이 에너지를 정량화하고 값의 시퀀스 (또는 매트릭스) 로 저장하는 방법을 가져야합니다.

대부분의 이미지 센서에서 빛에서 전기로의 변환은 입사광에 응답하여 전자-정공 쌍의 생성을 선호하는 구조의 PN 접합인 포토 다이오드에 의해 수행됩니다.

포토 다이오드는 일반적으로 실리콘으로 만들어 지지만 인듐 비소, 인듐 안티몬 화물, 수은 카드뮴 텔루 라이드 등과 같은 다른 반도체 재료도 다양한 특수 목적으로 사용됩니다.

핀 포토 다이오드

이미지 센서 기술의 중요한 발전은 고정 된 유형의 포토 다이오드를 만드는 것이 었습니다. 상기 이미지에서, 포토 다이오드는 일반 다이오드와 같이 p형 영역과 n형 영역으로 구성된다.

핀형 광다이오드는 고농도로 도핑된 p-형 (짧은 경우 p) 반도체로 이루어진 추가 영역을 가지며, 도시된 바와 같이, 다른 두 영역보다 얇다.

이 그림은 이미지 센서에 통합 된 고정 된 포토 다이오드의 구조를 보여줍니다.

1980 년대에 도입 된 Pinned 포토 다이오드는 광 생성 전하의 지연된 전달과 관련된 문제 ("히스테리시스" 라고 함) 를 해결했습니다. 핀 스타일 포토 다이오드는 또한 더 높은 양자 효율, 향상된 노이즈 성능 및 낮은 다크 전류를 제공합니다 (이 시리즈의 뒷부분에서이 개념으로 돌아갑니다).

오늘날, 거의 모든 CCD 및 CMOS 이미지 센서의 감광 소자는 핀 포토다이오드이다.

이미지 센서의 유형

두 가지 주요 이미징 기술은 CCD (Charge Coupled Device) 와 CMOS입니다.

분광법 용 NMOS 센서, 적외선 열 화상 감도를 제공하는 소형 광도계 및 특수 응용 프로그램과 같은 다른 유형의 센서도 사용자 정의 증폭기 회로에 연결된 포토 다이오드 어레이를 사용할 수 있습니다.

그럼에도 불구하고 우리는 CCD와 CMOS에 집중할 것입니다. 이 두 가지 일반적인 센서 범주는 매우 광범위한 응용 및 기능을 포함합니다.

CCD와 CMOS

사람들은 "어느 것이 더 낫습니까?" 의 가치 판단에 끌리는 것 같습니다. 표면 마운트 또는 관통 구멍과 같은 질문? BJT 또는 FET? 캐논이나 니콘? Windows 또는 Mac (또는 Linux)? 이러한 질문에는 의미있는 답변이 거의 없으며 개별 기능을 비교하는 것조차 어려울 수 있습니다.

그래서, 어떤 것이 더 낫습니다, CMOS 또는 CCD? 전통적인 비교는 다음과 같습니다. CCD는 노이즈가 낮고 픽셀 대 픽셀 균일 성이 우수하며 우수한 이미지 품질로 유명합니다. CMOS 센서는 회로 설계자의 복잡성을 줄이고 전력 소비를 줄이는 더 높은 수준의 통합을 제공합니다.

이 평가가 부정확하다고 말하는 것은 아니지만 그 유용성은 제한적입니다. 많은 것은 센서 및 요구 사항 및 우선 순위에 대한 귀하의 요구에 달려 있습니다.

또한 기술이 빠르게 변화하고 있으며 디지털 이미징 연구 개발에 투자 된 많은 돈이 점차 CCD 및 CMOS 패턴을 바꿀 수 있습니다.

둘째, 이미지 센서는 이미지를 생성하지 않습니다. 그것은 디지털 이미징 시스템 (물론 매우 중요한 부분) 의 필수적인 부분이며, 시스템에 의해 생성 된 인식 된 이미지 품질은 센서에만 의존하지 않습니다. 그러나 더 많은 요인. CCD가 일부 광전자 특성을 위해 CMOS 센서를 능가하는 것은 의심의 여지가 없습니다. 그러나 CCD를 더 높은 전체와 연관시키는 것이미지 품질은 약간 불합리한 것 같습니다.

시스템 설계 고려 사항

CCD 센서 기반 시스템에는 대규모 설계 투자가 필요합니다. CCD는 다양한 비 논리 레벨 전력 및 제어 전압 (음의 전압 포함) 을 필요로하며 센서에 적용되어야하는 타이밍은 매우 복잡 할 수 있습니다. 센서에 의해 생성된 이미지 "데이터" 는 미세하게 증폭되고 샘플링될 필요가 있는 아날로그 파형이며, 물론 임의의 신호 처리 또는 데이터 변환 회로는 노이즈를 도입할 가능성을 갖는다.

저소음 성능은 CCD로 시작하지만 거기서 끝나지 않습니다. 신호 체인 전체에서 소음을 최소화하기 위해 노력해야합니다.

CCD 출력 파형

CMOS 이미지 센서의 경우 상황이 상당히 다릅니다. 로직 레벨 전압 소스, 온 칩 이미지 처리 및 디지털 출력 데이터와 함께 표준 집적 회로처럼 작동합니다. 추가 이미지 노이즈를 처리해야 할 수도 있지만 많은 응용 프로그램에서 설계 복잡성, 개발 비용 및 스트레스를 크게 줄이기 위해 지불하는 작은 가격입니다.

특히 높은 프레임 속도 또는 고해상도 센서로 작업 할 때 이미지 처리는 일반적인 마이크로 컨트롤러 작업이 아닙니다. 대부분의 애플리케이션은 디지털 신호 프로세서 또는 FPGA의 컴퓨팅 파워로부터 이익을 얻을 것이다.

특히 이미지를 메모리에 저장하거나 무선으로 전송해야하는 경우 압축을 고려해야합니다. 이것은 소프트웨어 또는 프로그래밍 가능한 하드웨어에 의해 수행될 수 있다.