CMOS-Bildsensoren – Grundlagen des Pixeldesigns

Lassen Sie uns dieses Mal über den kritischsten Teil von CISQ sprechen: Pixel!Man kann sagen, dass fast alle CIS-Leistungsindikatoren letztendlich von der Qualität des Pixeldesigns bestimmt werden.Sagen wir es so: Das Design der Ausleseschaltung bestimmt die untere Leistungsgrenze eines Bildsensors, und das Pixeldesign bestimmt die obere Leistungsgrenze eines Bildsensors!
Es gibt viele Arten von Pixeln, wie zum Beispiel:
1. Das am häufigsten verwendete sichtbare Licht sind 3T-, 4T- und 5T-Pixel.Wenn Sie weitere Funktionen wie Global Shutter (GS, Global Shutter), High Dynamic Range (HDR, HighDynamic Range) usw. hinzufügen möchten, müssen Sie weitere Transistoren hinzufügen;
2. Röntgen wird für CTIA-basierte Pixel der Photonenzählung verwendet;
3. DVS-Pixel für Ereignissensor;
4. Das für die 3D-Bildgebung verwendete SPAD-Pixel wird häufig als dToF (direkte Flugzeit) und häufig als Demodulationspixel von iToF (indirekte Flugzeit) verwendet.5. Ein weiteres Beispiel ist Infrarot-Direkteinspritzung, CTIA usw., Bolometer Verwenden Sie das Pixel der Widerstandsmessung;
6. Darüber hinaus gibt es TDI-Pixel, CCD 2/3/4-Phasen-Pixel und so weiter.

Wir haben Dutzende Pixeltypen für große Kategorien.Wenn wir alle von Menschen entworfenen Pixel auflisten, kann es Hunderte oder Tausende von Typen geben.Daher ist es uns unmöglich, alle diese Pixel einzugeben.Die überwiegende Mehrheit der CMOS-Bildsensoren Q (>95 %) weltweit basiert auf der 2D-Bildgebung von sichtbarem Licht, daher konzentrieren wir uns hier nur auf 3/4/5T-Pixel.Wenn Sie die Möglichkeit haben, in verschiedenen Unternehmen zu arbeiten oder komplette kundenspezifische Designs zu erstellen, dann werden Sie mit weiteren interessanten Dingen in Kontakt kommen

Lassen Sie uns zunächst ein Konzept verstehen: Shutter.Der Verschluss bestimmt, wie und wie viel Licht in die Pixel gelangt, was auch die Bildqualität bestimmt.Der Verschluss kann in mechanischen Verschluss (Mechanical Shutter) und elektronischen Verschluss (Electronic Shutter) unterteilt werden, und der elektronische Verschluss kann in Rolling Shutter (Roling Shutter) und Global Shutter (Global Shutter) unterteilt werden.

Der mechanische Verschluss besteht aus zwei Verschlusslamellen.Vor der Belichtung deckt die erste Klinge den gesamten Sensor ab. Anschließend wird die Klinge im Allgemeinen von oben nach unten entfernt und nach Beginn der Belichtung die zweite Klinge von oben nach unten herausgefahren., blockieren Sie den gesamten Sensor und die Belichtung endet.Die Bewegungsgeschwindigkeit dieser beiden Klingen ist sehr, sehr hoch, fast bis zu 35 km/h.Bei einer 35-mm-Vollformatkamera kann die Lasche es dem Sensor ermöglichen, die Belichtung in etwa 1/400 Sekunde zu starten oder zu beenden, sodass man sagen kann, dass es sich bei allen mechanischen Verschlüssen um „ungefähre“ Global-Shutter-Verschlüsse handelt.Wie erreicht der mechanische Verschluss eine kürzere Belichtungszeit?Dies ist relativ „einfach“, das heißt, wenn die erste Klinge nicht vollständig geöffnet ist, beginnt die zweite Klinge bereits, sich nach unten zu bewegen, um zu blockieren. Natürlich gibt es hierfür eine Grenze, die schnellste liegt bei etwa 1/8000s.Wenn Sie eine schnellere Geschwindigkeit wünschen, benötigen Sie einen elektronischen Verschluss.

Wie im Bild unten gezeigt, können Sie den Unterschied zwischen dem Rolling Shutter und dem Global Shutter beim elektronischen Verschluss erkennen.Beim Rolling Shutter beträgt die Belichtungszeit jeder Pixelreihe mindestens die Lesezeit einer Pixelreihe.Zum Beispiel dauert es 10 us, eine Zeile zu lesen, und wir haben 1000 Pixelzeilen. Dann beginnt die Belichtung der ersten Pixelzeile und der letzten Pixelzeile. Die Endzeit liegt etwa 10 ms auseinander, sodass bei Sportaufnahmen physikalische Daten vorliegen , wird das Bild erheblich verzerrt;Dementsprechend bedeutet der globale Verschluss, dass alle Pixel die gleiche Start- und Endzeit der Belichtung haben