Rozwój czujników obrazu CMOS

Główne zalety, które wpływają na rozwój technologii w matrycach CMOS, to mały pobór mocy w porównaniu z czujnikami CCD oraz możliwość konstruowania systemów System On Chip, czyli integracji wszystkich elementów kamery w jednym układzie. Duży stopień integracji i małe wymiary gotowych układów umożliwiły dynamiczny rozwój aparatów wbudowanych w telefony komórkowe. Zdobycie tak dużego rynku zapewniło środki finansowe przeznaczane na dalszy rozwój technologii.

Podział czujników CMOS

Gotowe produkty dostępne na rynku można podzielić ze względu na stopień integracji na cztery grupy. Czujniki PPS (Passive Pixel Sensor) były stosowane w pierwszych rozwiązaniach (rys. 2). Zawierają tylko element światłoczuły i dwa tranzystory sterujące. Dzięki małej liczbie tranzystorów duża część powierzchni krzemu jest przeznaczona na zbieranie ładunków, jednak z powodu dużego poziomu szumów rozwiązanie to nie jest już stosowane.

Rys. 1. Różne rozwiązania układów z czujnikiem CMOS

Rys. 2. Schemat ideowy komórki PPS

Rys. 3. Schemat ideowy komórki APS

W układach APS (Active Pixel Sensor) dodano wzmacniacz, dzięki któremu wpływ szumu został zmniejszony. Układy typu SoC (System on Chip) zawierają wbudowany przetwornik analogowo-cyfrowy, a układy typu CoC (Camera on Chip) - często stosowane w telefonach komórkowych - są już wyposażone we własny procesor sygnałowy realizujący podstawowe algorytmy przetwarzania obrazów. Matryca światłoczuła PPS składała się (tak jak w CCD) z elementów światłoczułych i elementów sterujących.

Zebrane ładunki były przesyłane z całej kolumny, a następnie wzmacniane poza matrycą. Rozwiązanie to ma wiele zalet. Większa część powierzchni światłoczułej jest przeznaczona na zbieranie ładunków, nie ma problemu z dopasowaniem parametrów kilku wzmacniaczy, a konstrukcja samej matrycy jest mniej skomplikowana. Jednak poziom szumów, które dodatkowo były wzmacniane razem z sygnałem użytecznym na długi czas blokował rozwój tego typu czujników. Wadą jest też długi czas odczytu matrycy. Obecnie nie rozwija się już technologii czujników pasywnych.

Na rysunku 3 pokazana została pojedyncza komórka APS. Składa się z elementu światłoczułego i wzmacniacza. Od lat 90., kiedy to zaczęto produkować układy CMOS w technologii mniejszej niż 0,5μm, liczba dodatkowych tranzystorów w obszarze światłoczułym przestała być problemem. Główne problemy występujące w matrycach CMOS z komórkami aktywnymi to duże natężenie prądu ciemnego oraz duże szumy podczas odczytu. Minimalizację tych dwóch czynników uzyskano, wprowadzając nowe rozwiązania technologiczne na poziomie pojedynczego piksela.

Podstawowe rozwiązania komórek APS

Na rysunku 3 przedstawiono schemat układu zawierającego trzy tranzystory (3T). Rolę detektora pełni tu fotodioda P-N lub PiN. Tranzystor T_RST służy do resetowania elementu, a tranzystor T_SF pełni rolę wstępnego wzmacniacza i bufora. Pozwala na odczyt wartości zarejestrowanego napięcia bez konieczności rozładowywania fotodiody. Trzeci tranzystor T_SEL zapewnia sterowanie całą matrycą i umożliwia odczytanie wartości danego piksela. Matryca jest zasilana ze źródła V_DD. Proces odczytu jasności danego piksela przebiega następująco:

• tranzystor T_RST otwiera się, aby zresetować element światłoczuły napięciem V_DD,
• światło padające na element światłoczuły obniża napięcie na diodzie,
• otwierany jest tranzystor T_SEL i napięcie (buforowane i wzmocnione przez tranzystor T_SF) jest odczytywane z linii kolumn.

Po odczytaniu napięcia proporcjonalnego do natężenia oświetlenia dokonuje się dodatkowego pomiaru napięcia V_RST. Wartość przekazywana do przetwornika A/C jest różnicą pomiędzy napięciem zmierzonym w drugim kroku, a napięciem diody oświetlonej. Wydawać by się mogło, że dodatkowy pomiar napięcia V_RST wyeliminuje szumy wynikające z różnic parametrów tranzystorów i fluktuacji napięcia zasilającego. W dużej mierze udało się zmniejszyć wpływ szumów stałych, jednak nieprzewidywalne zmiany napięcia w krótkim czasie występującym między dwoma pomiarami nie mogą być wyeliminowane.

Rys. 4. Układ 4T - APS z czterema tranzystorami

Rys. 5. Architektura współdzielonych pikseli

Błąd ten jest często nazywany błędem kTC w nawiązaniu do równania, z którego można go oszacować. Dodatkowe szumy występujące w tym rozwiązaniu są związane z dużym prądem ciemnym diody, zmianą pojemności diody w funkcji napięcia zasilającego oraz wpływem ładunku resztkowego podczas rejestrowania obrazów szybko zmieniających się. W układzie czterech tranzystorów (4T) pomiędzy diodę i tranzystor resetujący wprowadzono dodatkowy obszar FD (Floating Diffusion), eliminujący wpływ zmian napięcia V_RST na pomiar ładunku fotodiody.

W pierwszym etapie otwierany jest tranzystor T_RST, a napięcie V_RST ładuje obszar FD. Po zamknięciu tranzystora T_RST napięcie zgromadzone w obszarze FD jest mierzone jako napięcie odniesienia. Następnie, po otwarciu T_TRN ładunek zgromadzony w diodzie obniża napięcie obszaru FD. Stopień oświetlenia elementu światłoczułego jest mierzony, jako różnica napięć odniesienia i napięcia diody. Dzięki zastosowaniu dodatkowej warstwy udało się w dużym stopniu zmniejszyć poziom szumów.

Obniżyła się wartość prądu ciemnego oraz wyeliminowano wpływ zmian napięcia V_RST na dokładność pomiaru. Niedogodnością stał się co prawda dodatkowy tranzystor zabierający miejsce dla samego elementu światłoczułego, ale w obliczu postępującej miniaturyzacji nie jest to wielkim problemem. Zastosowanie czwartego tranzystora pozwoliło także na współdzielenie układu odczytu przez kilka elementów światłoczułych. Przykład architektury z współdzielonymi pikselami przedstawiono na rysunku 5.

Bartłomiej Grześkowiak