Optoelektronické snímače fotodiodová pole,

Transkript

1 Optoelektronické snímače fotodiodová pole, CMOS a CCD Materiál je určen pouze jako pomocný materiál pro studenty zapsané v předmětu: Videometrie a bezdotykové měření, ČVUT- FEL, katedra měření, přednášející Jan Fischer Jan Fischer,

2 Náplň Diferenciální fotodiody PSD LED a Laserová diody MOS kapacitor MOS tranzistor Fotodiodová pole PMOS, NMOS Snímače CMOS MOS kapacitor základ CCD registrů Posuvné registry CCD Snímače CCD 2

3 Diferenciální fotodioda Diferenciání fotodioda společná podložka - společné katody, oddělené anody určení polohy optické stopy podle velikosti proudů kat F1 F2 F1 F2 F1 F2 A B zjednodušený vztah pro určení polohy stopy X = k B B + A A 3

4 Kvadrantová fotodioda - kat F2 F3 F4 F1 F2 A B F4 D F3 C A B A B D C D C zjednodušené vztahy pro určení polohy stopy Před. A3M38VBM, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha X = k Y = k ( B + C ) ( A + D ) A + B + C + D ( A + B ) ( C + D ) A + B + C + D 4

5 5 Kvadrantová fotodioda - zapojení - F2 kat F3 F4 ( ) ( ) D C B A D A C B k X = ( ) ( ) D C B A D C B A k Y = za předpokladu konstantního zářivého toku ve stopě není nutné dělení

6 LED Polovodičový přechod, injektáž nosičů do oblasti přechodu PN, rekombinace, vyzáření části energie ve formě optického záření U LED elektron v oblasti P, ve vodivostním pásu - vyšší energie (díra se pohybuje ve valenčním pásu) při rekombinaci elektron - díra - uvolnění energie ve formě fononu (tepelného záření) nebo fotonu (optického záření) u LED snahou, aby co nejvíce rekombinací generovalo fotony LED spontánní emise, okamžiky vzniku jednotlivých fotonů nejsou na sobě závislé ( vysvětlení analogie--..) 6

7 LED Materiály Ga (Gálium), GaAs Galium Arsenid, stálý vývoj, GaN, LED nejsou na bázi křemíku monochromatické LED, λ max, λ dominantní, LED pro osvětlovače, pozor svítivost zářivost, (λ = 630 nm, λ = 660 nm ) svítivost LED v CD (v ose), pozor směrová charakteristika bílé led, generace záření o kratší vlnové délce a jeho převod luminoforem na širší spektrum, analogie luminofor v zářivce, spektrum? světelná účinnost záření LED, poměr světelného toku vůči zářivému toku, nevyjadřuje nic ohledně účinnosti vlastní generace světla ale pouze o způsobu vnímání světla okem, křivka V-lamda 7

8 Laser Light amplification by stimulated emission v prostředí - nosiče energie v nižším energetické stavu nevybuzené ve vyšším energetickém stavu vybuzené přechod na nižší energetický stav, vyzáření energie ve formě fotonu vygenerované fotony spouští další generaci fotonů zesílení stimulovaná emise synchronizace generace ve fázi, koherentní záření analogie nabuzení, rezonátor,..uvolnění 8

9 Polovodičový laser Light amplification by stimulated emission v prostředí s inverzní populací počet vybuzených nosičů je větší než počet nevybuzených Stimulovaná emise, procházející (a absorbovaný) foton v oblasti přechodu PN spustí další násobnou generaci záření, která je s ním synchronní. Polovodičový laser laserová dioda Fabry Perrotův rezonátor, zrcadlo a polopropustné zrcadlo laděný obvod viz před. tenké vrstvy, opak funkce antireflexní vrstvy Polovodičový laser přechod z oblasti spontánní do stimulované emise při prahovém proudu. laserová dioda blízké bodovému zdroji záření ( z hlediska rozměrů ne však směrovosti) rozměry zářící oblasti 1x 3 um (malé lasery) Laserová dioda prahový proud, Přechod ze spontánní do stimulovaná emise. Dáno plošnou hustotou proudu přechodem PN, (velikost přechodu určuje abs. velikost I) 9

10 Polovodičový laser směrové charakteristiky Laserová dioda sama nemá úzký svazek světla, LD - sama svazek s divergencí cca 15 x stupňů!!! Oblast PN přechodu rovina Stimulovaná emise zúžení vyzařovací charakteristiky v rovině přechodu na stupňů Úzkého svazku nerozbíhavého se dosahuje kolimační optikou (bude dále u optiky)? koherenční délka záření, rozlišení laserové ukazovátko a skutečný laser 10

11 MOS kapacitor vytvoření OPN Působením el. pole kladně nabité elektrody vyprázdněná oblast poly - Si U G > U p G substrát P - Si vytvoření vyprázdněné oblasti OPN oblast prostorového náboje (na krátkou dobu) - jedná se o nevyvážený stav. 11

12 MOS kapacitor vytvoření inverzní vrstvy Pohyb elektronů pod elektrodu vytvoření inverzní vrstvy koncentrace volných elektronů je větší než koncentrace děr U G > U p poly - Si G inverzní vrstva substrát P - Si zdánlivá změna typu polovodiče z P na N 12

13 MOS tranzistor Doplnění dvou oblastí N+ Source (analogie emitor) zdroj nosičů Drain (analogie kolektor) odtok nosičů U GS = U G - U S > U T > 0 S - source poly - Si G D - drain N + - Si N + - Si U G U S substrát P - Si 13

14 MOS tranzistor U GS = U G - U S > U T > 0 S - source poly - Si G D - drain G - Gate N + - Si N + - Si U G U S S- Source (?drain) SUB D -Drain (?source) substrát P - Si symetrická struktura funkce D a S podle polarity napětí, proud může podle polarity protékat oběma směry 14

15 MOS tranzistor - diody ve struktuře Oblasti N+ ve spolu se substrátem vodivosti P tvoří ve struktuře NMOS tranzistoru PN přechody, - diody U GS = U G - U S > U T > 0 S - source poly - Si G D - drain N + - Si N + - Si U G U S substrát P - Si 15

16 Fotodioda s NMOS tranzistorem Zvětšení (ideově) PN přechodu Source Substrát - možná funkce jako fotodioda G S fotodioda D U G D - drain G N + - Si N + - Si substrát P - Si SUB 16

17 MOS tranzistor jako spínač fotodiody MOS tranzistor jako integrovaný spínač pro řízení fotodiody G S fotodioda D U G D - drain G N + - Si N + - Si SUB substrát P - Si Sp 17

18 PMOS tranzistor Na substrátu (vodivost typu N) vytvořen PMOS tranzistor U G U G < 0 U S poly - Si G P + - Si P + - Si G - Gate U S < 0 S D SUB N - Si substrát Na gate záporné napětí proti substátu (buď záporné napětí na GATE, nebo SUB připojit na kladné napětí a G na GND - zem). Je opět možno vytvořit fotodiodu. 18

19 Fotodiodové řady Řada fotodiod vytvořena na N substrátu, přechod P + N PMOS ( P- kanál indukovaný) tranzistor - pro připojení fotodiod doplnění obvodu pro periodické řízení jednotlivých fotodiod Photodiode self scanned array první fotodiodové řady PMOS rozměry fotodiody např. 25 um x 2500 um pro optické spektrální analyzátory Plošné snímače fotodiodová pole r i později NMOS struktura EG & G Reticon 19

20 Snímače PSD Velkoplošná PIN fotodioda polohově citlivý detektor (position sensitive detector) PSD odporová x a vrstva P + záření I 1 I 2 I 1 I 2 kontakt kontakt R L P + I N + R R A B I L I = I 1 + I 2 kontakt N+ a kontakt s vysokou vodivostí P+ tenká vrstva, aby byl možný průchod záření - homogenní rozložení vodivosti analogie světelným paprskem ovládaný potenciometr o odporu RA složka R 20

21 Snímače PSD Jednodimensionální (1- D) PSD fotodioda ve tvaru pásku, rozměry např. 20 mm x 5mm určení polohy optické stopy I a = I 2 + I I 1 x L odporová I vrstva P + záření 1 I 2 kontakt x a kontakt P + I N + L I = I 1 + I 2 kontakt 21

22 Snímače PSD - uspořádání 22

23 Fotodioda ve snímačích typu fotodiodové pole Fotodioda funkce ve 3. kvadrantu (schéma pro NMOS a CMOS, PMOS opačná polarita) (přednabití reset ) akumulace náboje vybíjení destruktivní čtení, velikost náboje dodaného při novém reset ~ expozice akumulace náboje vybíjení fotodioda Sp i FOT uc UD C FD I Doba akumulace = perioda čtení U D U El. náboj, který se musí dodat při opětovném nabití, je úměrný dávce optického záření E e c 23

24 Fotodioda ve snímačích CMOS pasivní prvek Zapojení do matice jako DRAM, FLASH Technologie standardní CMOS sloupcové čtecí vodiče výběr řádku 1 Pasivní prvek vyhodnocení velikosti náboje potřebného pro opětovné nabití dané fotodiody Pasivní snímací prvek - již se nepoužívá náhrada - aktivní prvek výběr řádku 2 hν a) 24

25 Fotodioda v aktivním elementu - APS Sledovač s tranzistorem MOS - čtení nedestruktivní oddělena fáze reset a fáze nedestruktivního čtení čtení po řádcích výběr jednotlivých sloupců reset po řádcích možnost globálního resetu reset T 1 T 2 U D U DD i FOT u výst FD C FD U SS reset reset řádku sloupcový čtecí vodič U dd T 1 T 2 FD výběr čtení řádku T 3 25

26 Struktura CMOS s APS Samostatná adresace řádku pro čtení a pro reset Interní ADC sloupcové čtecí vodiče matice fotoelementů čítač adresy -pro reset řádku dekodér adresy -reset řádku dekodér adresy - čtení řádku čítač adresy čtení řádku Programovatelný Konfigurace IIC Interní ADC čítač, adresace, výběr sloupce + zesilovače clk IIC Bus řídicí logika přednastavení. čít. gener.říd.impulsů výstupní obvod převodník A/D data clk_o H sync, V sync,... 26

27 El. závěrka typu rolling shutter Standardní, snímače CMOS typu tzv. Rolling Shutter Analogie funkce pohybující se štěrbinové závěrky ve fotoaparátu (film) dolní lamela ~ reset, začátek akumulace horní lamela ~ konec akumulace čtení Doba akumulace = interval mezi reset čtení snímací okénko horní lameta dolní lameta 27

28 Vlastnosti el. závěrky rolling shutter Vlastnosti, možnosti a nevýhody závěrky rolling. shutter regulace doby expozice velikostí časového okénka jednoduché řešení (web kamery, mobilní telefony, ) nevýhoda různé části snímku exponovány v jiném časovém intervalu Důsledky závěrky rolling shutter: kácení pohybujících se předmětů blikání v rámci snímku při intenzivním proměnném osvětlení snímací okénko horní lamela dolní lamela 28

29 Vymezení oblasti zájmu - ROI Funkce ROI region of interest v senzoru CMOS: vymezení oblasti zájmu vybraného pole (u CCD není možné) možnost volby pouze jedné oblasti (zatím?) zvýšení snímkové frekvence snížení datového toku virtuální zmenšení snímacího čipu X Y y 1 y 2 aktivní čtené pole 29 x 1 x 2

30 Snížení rozlišení senzoru CMOS Snímač CMOS programovatelné chování modifikace činnosti čítačů řádku a sloupce přeskakování vždy jednoho sloupce a jednoho řádku virtuální zmenšení počtu elementů na stejné ploše zvýšení rychlosti vyšší snímková frekvence virtuální zvětšení pixelu součet signálu sousedních pixelů Snímač 1280 x 960 režimy 640 x 480, 320 x 240, 160 x120 30

31 Snímače CMOS typu Global shutter Nevýhoda snímačů typu Rolling Shutter deformace obrazu pohybujícího objektu Výhoda jednoduchost konstrukce zcela kompatibilní s technologií CMOS pro výrobu pamětí Řešení snímač s pomocnou pamětí kapacitorem u každého fotoelementu naráz uložení informace a pak postupné čtení. náročnější technologie ( podoba, jako u CCD interline sensor viz další.) Označení typ Global shutter 31

32 Orientace snímacího pole při promítání obrazu Promítání obrazu objektivem na fotocitlivou přivrácenou stranu snímače. Implicitní mód čtení v CMOS po resetu - Y 0,0 X m n obrazový senzor přední -fotocitlivá strana objektiv n Y m X 0,0 0,0 32

33 Uspořádání snímacích bodů z hlediska pořadí čtení Uspořádání snímacích bodů snímače CMOS, CCD z hlediska pořadí čtení a) pořadí na snímači b) pořadí v obrazu 0 X m n 0 Y Y 0 0 X m n a) b) 33

34 Postup akumulace v senzoru CMOS rolling shutter Maximální doba akumulace senzoru CMOS určena periodou čtení Y interval akumulace řádek n poloha řádku řádek 0 perioda čtení čas t 34

35 Funkce el. závěrky typu rolling shutter - čtení Y reset čas čtení t exp reset a) b) Zkrácení doby akumulace- menší expozice reset čtení reset čas čtení čtení t exp reset a) t exp b) t exp c) 35

36 Zkrácená doba akumulace ve snímači typu rolling shutter Zkrácení doby akumulace pro přizpůsobení světelným podmínkám Y interval akumulace reset + start stop + čtení reset + start stop + čtení perioda čtení t různý časový úsek expozice jednotlivých řádků limitně např. doba 0,1 ms, perioda 20 ms posun okamžiku expozice horní a dolní části snímku o 20 ms 36

37 Působení proměnného osvětlení na senzor Zvlnění časového průběhu intenzity ozáření umělého osvětlení periody typ. 10 ms ( 100 Hz) žárovka, u zářivek i menší složka 50 Hz expozice r y2 E e E emax expozice r y1 E emin 10 ms t krátká doba akumulace odlišná expozice jednotlivých řádek E e E emax E emin expozice r y1 expozice r y2 10 ms t 37

38 Degradace obrazu působení proměnným osvětlením Optimální volit dobu expozice násobek periody zvlnění nedodržení u snímače CCD a CMOS typu global shutter kolísání expozice jednotlivých snímků, zachování jasových proporcí ve snímku Rolling- shutter možné ovlivnění proporce snímku, Zkreslení obrazu - (typ roleta nebo žaluzie přes obraz), horizontálně orientované světlé a tmavé části snímku!!! 38

39 Degradace obrazu pohybujícího se objektu (rolling. shut.) Horizontální pohyb snímaného objektu při dlouhé době akumulace rozmazání krátká doba akumulace- změna tvaru předloha obraz předloha obraz pohyb pohyb a) b) a), b) pohyb konstantní rychlostí, b) zrychlení kmitavý pohyb c) Degradace obrazu pruhové struktury, Je možno určit smět pohybu (otáčení) předloha obraz pohyb doprava a) b) c) obraz pohyb doleva 39

40 Snímání pohybu optického rozhraní Horizontální pohyb vertikálně orientovaného černo bílého rozhraní (tmavý papír na světlém pozadí) ve směru doprava předloha obraz, v = konst obraz, zrychlení obraz, zákmity pohyb a) b) c) d) a) objekt v klidu b) pohyb konstantní rychlostí c) zrychlení pohyb konstatntním zrychlením d) proměnná rychlost- zákmity 40

41 Degradace obrazu působení proměnným osvětlením Optimální volit dobu expozice násobek periody zvlnění nedododržení u snímače CCD a CMOS typu global shutter kolísání expozice jednotlivých snímků, zachování jasových proporcí ve snímku Rolling- shutter možné ovlinění proporce snímku, (typ žaluzie), horizontálně orientované světlé a tmavé části snímku!!! 41

42 Perspektivy snímačů CMOS Snímače CMOS původně levná alternativa ke snímačům CCD Zlepšování technologie, snižování šumu, proudů za tmy Nyní senzory CMOS i pro vědecké aplikace, Fairchild Imaging scmos - Scientific CMOS Technology 42

43 Snímače CMOS přehled vlastností Snímače CMOS výrobní technologie CMOS LSI Není problém megapixely Nízké napájecí napětí 3,3 V a méně Menší odběr než CCD Programovatelnost, možnost integrovat na čip převodník A/D Možnost integrovat bloky zpracování obrazu Standardní snímače CMOS - typu Rolling Shutter - nevýhoda Použití mobilních telefonech, USB kamerách CMOS senzor typu Rolling Shutter). Větší šum, nehomogenity fotocitlivosti, proudy za tmy Počty fotoel.: 0,3 Mpx, 1,3 MPx, 2 Mpx, 3Mpx, 5 Mpx, (9Mpx) Snímače CMOS typu Global shutter, analogový paměťový prvek pro každý pixel, podoba CCD, dražší, složitější, zatím netypické 43

44 Další vývoj senzorů CMOS? Kam se bude ubírat vývoj obrazových senzorů CMOS? SONY jeden z největších výrobců snímačů CCD pro komerční sférukamery CCTV, videokamery, dig. fotoaparáty nyní masivní nástup do oblasti obrazových senzorů CMOS Vývoj senzoru pro formát 35 mm, 28, 8 Mpx Samostatný 12 bit A/D na každý sloupec rychlý výstup dat -12 kanálů LVDS 44

45 MOS kapacitor základ snímačů CCD MOS struktura M metal poly Si O oxid SiO 2 S Si vodivosti P (děrová) poly - Si U G > 0 SiO 2 OPN Si P Působení kladného U G - zapuzení děr od elektrody vznik OPN - oblast prostorového náboje kladný náboj na elektrodě kompenzován záporným nábojem ionizovaných akceptorů nevyvážený stav U G ϕ E log Q x x Q Si x d x Q d 45

46 MOS kapacitor Působení kladného U G - zapuzení děr od elektrody? hloubka OPN? N A - koncentrace příměsí akceptorů v polovodiči P q - elementární kladný náboj ionizovaného atomu akceptoru. x d - hloubka ochuzené oblasti závisí na U G a koncentraci N A. Q SI - plošná hustota náboje na Si elektrodě Q d plošná hustota náboje představovaného ionizovanými akceptory Q n plošná hustota náboje volných elektronů pod elektrodou rovnost hustoty náboje na el. Q SI a kompenz. náboje ion. akcept. Q d d Q Si Q = Q d =qn Ax d x d - řádově v jednotky um 46

47 MOS kapacitor Příchod elektronů- kompenzace pole, zvýšení Q n, pokles Q d Q + Q = n d Q Si Protože Q d =qn Ax d bude klesat x d dle obr. b) Před. A3M38VBM, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha poly - Si U G > 0 SiO 2 SiO 2 OPN OPN Si P Si P U G > 0 x (1) x U G U G ϕ ϕ (2) E E x x log Q log Q a) (3) Q Si x d Q x Si Q d b) x d Q Q n d x 47

48 Elementární přenos náboje Těsně navázané kapacitory MOS (částečné překrytí elektrod) Postupná relativní změna U G1, U G2, změna rozložení OPN potenciálová jáma - kapalinová analogie = přelévání nábojů U G1 >0 U G2 =0 U G1 >0 U G2 >0 U G1 =0 U G2 >0 Φ 1 Φ 2 Φ 1 Φ 2 Φ 1 Φ 2 G 1 G 2 G 1 G 2 G 1 G 2 OPN OPN OPN P - Si P - Si P - Si a) b) c) 48

49 Posuvný registr CCD Přesun náboje ve směru posunu potenciálové jámy, předávání náboje CCD = Charge Coupled Device, nábojově vázané obvody Registry CCD dvou-, tří-, čtyřfázové Φ 1 poly Si Φ 2 Φ 3 SiO 2 potenciálová vlna implantace N P - Si přenesené elektrony elektrostat. potenciál 49

50 Dvoufázový posuvný registr CCD Φ 1 poly Si Φ 2 u 1 u 2 SiO 2 P - Si Φ 1 Φ 2 poly Si u 1 u 2 SiO 2 N implantace P - Si 50

51 Účinnost přenosu nábojů Činitel účinnosti přenosu nábojů CTE (Charge Transport Efficiency - CTE) nebo η, - poměr náboje Q přeneseného pod sousední elektrodu vůči náboji Q, který byl pod elektrodou před začátkem přenosu. činitel neúčinnosti přenosu ε = Q Q Q CTE =η = Q Q Velikost nábojového svazku po n přenosech v CCD reg. ( n ) n Q 0 = Q 0 η = Q ε ) 0(1 n Q = Q n 0( 1 ε ) Q 0 (1 n ( n ) 0 ε ) 51

52 Změna velikosti náboje při přenosu CCD Velikost jednoho svazku po n přenosech ( n ) n Q 0 = Q 0 η = Q ε ) 0(1 n Zjednodušený výpočet Q = Q n 0( 1 ε ) Q 0 (1 n ( n ) 0 ε ) (n) (n) Q 5 Q Q 0 0 Q (n) Q 0 5 Q (n) 5 Q 6 a) nεq 0 b) Q 6 (n) (1-nε)Q 0 c) 52

53 Detekce náboje, převod Q - U U RD Φ 1 Φ 2 U DD Φ + U R T OG 1 T OG 2 Nábojový detektor PN přechod (plovoucí difuze) potenciálová jáma Φ 2 Φ R Q SIG Si -P FD- plovoucí difuze A B C A B N + C U OUT U OUT U Video UREF potenciál průnik reset U SIG t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 53

54 Detekce náboje, převod Q - U U RD Φ 1 Φ 2 U DD Φ + U R T OG 1 T OG 2 Nábojový detektor PN přechod (plovoucí difuze) fáze činnosti: reset přednabití diody potenciálová jáma Φ 2 Φ R Q SIG Si -P FD- plovoucí difuze A B C A B N + C U OUT U OUT U Video UREF potenciál průnik reset U SIG t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 54

55 Detekce náboje, převod Q - U U RD Φ 1 Φ 2 U DD Φ + U R T OG 1 T OG 2 Nábojový detektor PN přechod (plovoucí difuze) fáze činnosti: reset přednabití diody referenční potenciálová jáma Φ 2 Φ R A B C A B U OUT U Video UREF průnik reset Q SIG U SIG Si -P FD- plovoucí difuze N + C U OUT potenciál t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 55

56 Detekce náboje, převod Q - U U RD Φ 1 Φ 2 U DD Φ + U R T OG 1 T OG 2 Nábojový detektor PN přechod (plovoucí difuze) fáze činnosti: reset přednabití diody referenční UREF video přivedení Qsig potenciálová jáma Φ 2 Φ R A B C A B U OUT U Video průnik reset Q SIG U SIG Si -P FD- plovoucí difuze N + C U OUT potenciál t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 56

57 Šumy při detekci náboje Omezení citlivosti detekce? U nktc = efektivní hodnota šumového napětí resetovacího šumu U = nktc U = V kt C FD Q C SIG FD Φ R C GS1 (T 1 ) R OFF R ON C FD FD SW 1 Q SIG R L U RD U DD T 2 U OUT U SS počet šumových elektronů způsobených resetovacím šumem n ktc = ktc e FD 57

58 Obvod CDS Snížení resetovacího šumu dvojím korelovaným vzorkováním (double correlated sampling). reset hold - B video hold - C U OUT resetovací úroveň U R S/H 1 S/H video U V rozdílový zesilovač Obvod pro CDS obsažen v každé kameře, fotoaparátu se snímačem CCD není v některých řádkových kamerách 58

59 Elektrický vstup signálu do registru CCD Elektrický vstup - naplnění potenciálové jámy nábojem úměrným velikosti vstupního napětí U ID vstupní napětí Φ i vzorkovací vstup zpožď. linky,.. osciloskopy ( dříve),.. u id Φ 1 Φ i Φ 2 Φ 3 N + P - Si 59

60 MOS kapacitor jako fotoel. převodník absorpce v fotonu v OPN, generace párů elektron -díra, akumulace elektronů poly Si SiO 2 hν U PG >0 hν 2 P -Si OPN nezakrytý posuvný registr CCD - virtuální řádkový snímač CCD posuvný registr CCD výstupní nábojový detektor + zesilovač U OUT 60

61 Odvození struktury CCD - FF Funkce vertikálních registrů CCD: detekce záření transport nábojů Horizontální registr - transportní funkce vertikální CCD Časové rozdělení funkce : fáze akumulace nábojů (při osvětlení) fáze transportu nábojů (za tmy) Nutná elektromechanická, příp. elektrooptická závěrka Vymezení oblasti snímacího pixelu U OUT horizontální CCD stop dif. elektrody pos.registrů 61

62 Vymezení oblasti snímacího pixelu CCD U G >0 A d x Q =qn d P + P + P + P + P + Nepřímá úměra N a a x d OPN P - Si při použití vysoké koncentrace N A příměsí akceptorů v oblasti P + se nevytvoří ochuzená oblast a následně kanál, kterým by se mohly pohybovat elektrony. Oblasti P + ( stop difuse, nebo stop implantace) slouží jako izolace jednotlivých sloupců fotoelementů stop dif. elektrody pos.registrů 62

63 Snímač CCD typu Full Frame transfer Full Frame Transfer, nebo Full Frame senzor pozor na záměnu - velikost + maximální využití plochy čipu - nutné řízení osvětlení senzoru VCCD vertikální CCD registry CCD FF - největší snímače, plochou i počtem pixelů ~ 30 Mpix! Plocha čipu fotocitlivá část U OUT 63

64 CCD typu Full Frame se sekcemi Velké CCD - FF rozdělení na sekce Φ 1HD, Φ, Φ 2HD, Φ, Φ 3HD, Φ 1HC, Φ, Φ 2HC, Φ, Φ 3HC, zrychlení čtení zrcadlení převracení obr. U OUTD U OUTC sekce D sekce C Φ 1VD, Φ Φ 3VD ( Φ, Φ 2VD, ( Φ 4VD ) Φ 1VC, Φ Φ 3VC, (Φ, Φ 2VC,, (Φ 4VC ) sekce A sekce B Φ 1VA, Φ Φ 3VA, (Φ, Φ 2VA,, (Φ 4VA ) Φ 1VB, Φ Φ 3VB, (Φ, Φ 2VB,, (Φ 4VB ) U OUTA UOUTB Φ 1HA, Φ 2HA, Φ 3HA, Φ 1HB, Φ 2HB, Φ 3HB, 64

65 CCD typu Full Frame se sekcemi Φ 1HD, Φ, Φ 2HD, Φ, Φ 3HD, Φ 1HC, Φ, Φ 2HC, Φ, Φ 3HC, Standardní čtení U OUTD U OUTC sekce D sekce C Φ 1VD, Φ Φ 3VD ( Φ, Φ 2VD, ( Φ 4VD ) Φ 1VC, Φ Φ 3VC, (Φ, Φ 2VC,, (Φ 4VC ) sekce A sekce B Φ 1VA, Φ Φ 3VA, (Φ, Φ 2VA,, (Φ 4VA ) Φ 1VB, Φ Φ 3VB, (Φ, Φ 2VB,, (Φ 4VB ) U OUTA UOUTB Φ 1HA, Φ 2HA, Φ 3HA, Φ 1HB, Φ 2HB, Φ 3HB, 65

66 CCD typu Full Frame se sekcemi Φ 1HD, Φ, Φ 2HD, Φ, Φ 3HD, Φ 1HC, Φ, Φ 2HC, Φ, Φ 3HC, Standardní čtení Zrcadlové čtení U OUTD U OUTC sekce D sekce C Φ 1VD, Φ Φ 3VD ( Φ, Φ 2VD, ( Φ 4VD ) Φ 1VC, Φ Φ 3VC, (Φ, Φ 2VC,, (Φ 4VC ) sekce A sekce B Φ 1VA, Φ Φ 3VA, (Φ, Φ 2VA,, (Φ 4VA ) Φ 1VB, Φ Φ 3VB, (Φ, Φ 2VB,, (Φ 4VB ) U OUTA UOUTB Φ 1HA, Φ 2HA, Φ 3HA, Φ 1HB, Φ 2HB, Φ 3HB, 66

67 CCD typu Full Frame se sekcemi Φ 1HD, Φ, Φ 2HD, Φ, Φ 3HD, Φ 1HC, Φ, Φ 2HC, Φ, Φ 3HC, Standardní čtení Zrcadlové čtení Paralelní čtení po sekcích U OUTD U OUTC sekce D sekce C Φ 1VD, Φ Φ 3VD ( Φ, Φ 2VD, ( Φ 4VD ) Φ 1VC, Φ Φ 3VC, (Φ, Φ 2VC,, (Φ 4VC ) sekce A sekce B Φ 1VA, Φ Φ 3VA, (Φ, Φ 2VA,, (Φ 4VA ) Φ 1VB, Φ Φ 3VB, (Φ, Φ 2VB,, (Φ 4VB ) U OUTA UOUTB Φ 1HA, Φ 2HA, Φ 3HA, Φ 1HB, Φ 2HB, Φ 3HB, 67

68 Snímače CCD se zadním osvětlením Snímače se zadním osvětlením Back Side Illuminated Sensor vyloučení optického působení elektrod a dalších vrstev Snímače CCD typu FF se zadním osvětlením leptáním ztenčené až pod 10 um, velmi drahé,? výtěžnost, ( snímač o rozměru např. 20 x 20 mm a větší, ale tenký 10 um) 68

69 Snímač Dalsa CCD FF FTF4052M 22 Mpix monochromatický Full Frame Image sensor 36 x 48 mm, 4008H x 5344V FTF4052C 22 Mpix barevný snímač RGB Bayerův filtr 69

70 Snímač FTF4052C ve foto Fotoaparát Mymiya 645ZDb (18 Mpix, 22 Mpix, 31 Mpix) stav 4/2009 Se snímačem 22M USD Filtr RGB podle Bayera (Bryce E. Bayer, Eastman Kodak Comp,. US patent. R.1976) 11 M zelených pixelů 5,5 M červených pixelů 5,5 M modrých pixelů 70

71 Snímače CCD FF - aspekty výroby Snímače CCD FF s velkou plochou čipu - náročná technologie Senzor CCD485, 16M, 61 x 61 mm Wafer o průměru 150 mm s čipem CCD486 senzoru firmy Fairchild Imaging 71

72 Snímače CCD FF oblasti použití Specializované kamery: dálkový průzkum astronomie (Hubbleův teleskop) lékařství biologie speciální fotografie krystalografie CCD FF při hlubokém chlazení expozice 1- až 10 ky minut vysoká citlivost, snímání záření s velmi malou intenzitou 72

73 Snímače CCD FF oblasti použití Obrazový senzor CCD FF pro Hubbleův teleskop 73

74 Snímač CCD - Frame Transfer Oddělení snímací a paměťové funkce vert. transp. CCD registry snímací fotocitlivá část stíněná paměťová část U OUT horizontální CCD registr 74

75 Fotodioda jako detektor PN přechod fotodioda dopad fotonu generace párů elektron díra jejich rozdělení v OPN akumulace elektronů v N + Varianty fotodiody: N + P, standardní P ++ N + P - HAD Hole accumulation diode, SONY Před. A3M38VBM, J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha hν OPN N + substrát P - Si h ν P + OPN N + P - Si substrát N - Si 75

76 Elektronická závěrka Laterální uspořádání el. závěrky používané u řádkových snímačů CCD a některých plošných antiblooming. hradlo vysvětlení otevření MOS tranzistoru ABD el. závěrka Φ AB fotodioda +U ABD N + - Si u ABG Φ X N + - Si U C FOT FOT P - Si 76

77 Fotodioda ve snímači CCD Vazba PN přechod - registr CCD Režimy řízení registru CCD: standardní rozkmit napětí na CCD posun nábojů v CCD zvýšené napětí na CCD přesun nábojů do CCD přenosové hradlo Φ 1 registr CCD U F1 > U TX přenosové SiO hradlo Φ 1 2 P + P + N + N + P P substrát N substrát N a) b) 77

78 Snímač CCD - IL- interline transfer Snímač Interline Transfer - fotoelementy PN přechody akumulace nábojů - PN přesun do CCD funkce global shutter elektronická závěrka zkrácení doby expozice zastíněné vert. transp. registry CCD fotodiody U OUT horizontální registr CCD Transportní CCD registry - zakryty, není potřeba clonit snímač jednoduchá mechanická konstrukce 78

79 Snímač CCD - Frame - interline transfer Snímač Interline Transfer fotoelementy PN přechody kombinace IL a frame transfer snížení smear Používá firma Panasonic (Matsushita) zastíněné vert. transp. CCD registry snímací část fotodiody zastíněná paměťová část U OUT 79

80 Formáty snímačů CCD, CMOS Formáty snímačů odvozeny od. tzv. 1 " vidikonu ( průměr trubky) další formáty (1/2.5 ",...) Formát snímače ovlivňuje velikost snímaného pole a potřebné vlastnosti použitého objektivu Objektiv musí být navržen pro daný formát snímače, pro menší snímač lze použít, pro větší ne, Objektiv CS typicky pro snímač 1/3 " 1/4 1/3 4, ,8 2/3 1/2 11 4,8 6,6 9,6 2,4 3,6 3, ,4 8,8 12,8 80

81 Snímače CCD IL oblasti použití Varianty senzorů CCD Interline Transfer: prokládané řádkování interlaced (televize) progressive scan prosté čtení Snímače monochromatické, barevné obvykle Bayerův filtr Řešení kamer: standardní kamery výstup - kompozitní videosignál videokamery digitální kamery rozhraní fire wire, USB 2.0, Camera Link.. digitální fotoaparáty specializované kamery (endoskopie, mikroskopie, ). 81

82 Šum obrazových senzorů Zdroje šumu: fotonový šum šum proudů za tmy vlastní šumy obvodů senzoru Fotonový šum je fyzikálně daný limit pro odstup signál šum senzoru Akumulace n elektronů, z nich je n šum šumových elektronů n šum efektivní hodnota, (špička špička přibližně 3x horší) n šum = n signál / šum = n n šum = n n = n Při n sat = elektronů je odstup sig /šum horší než 200 : 1 Saturační náboj fotoelementu závislý na jeho ploše, n sat typicky 10 -ky tisíc ( pixel 8 x 8 um) 82

83 Způsoby omezení šumu Jak zamezit zbytečnému vzniku šumu: využívat dynamický rozsah snímače max. náboj fotoelementu používat nejmenší zesílení (u fotoaparátu nízké ASA) raději využít delší dobu expozice než zesílení využít dostatečně citlivý snímač větší plocha pixelu využít dostatečné osvětlení snímané scény Monochromatický senzor je citlivější než barevný. Chlazení senzoru umožní použití delší doby expozice, snížení proudů za tmy a jejich šumu ( snímání v létě a zimě ). 83

84 Závěr Obrazové senzory Oddělené linie High end aplikace a spotřební elektronika Spotřební elektronika - motorem rozvoje technologie obrazových snímačů důsledky i v high end Špičkou v obrazových senzorech nejsou miliony pixelů na malém čipu ale miliony pixelů na velké ploše čipu Z hlediska počtu vyrobených kusů začínají dominovat senzory CMOS hromadná výroba, integrace zpracování, komprese obrazu. Je možno očekávat vznik obrazových senzorů CMOS se specializovaným zpracováním obrazu na čipu - podmínky požadavky milionů kusů. Díky poklesu ceny obrazových senzorů působením spotřební elektroniky je ekonomické je používat i pro jednodušší úkoly měření, kde to původně nebylo myslitelné. 84