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Image sensor

An image sensor or imager is a sensor used for imaging . It detects and conveys information used to form an image. It does so by converting the variable attenuation of light wav...

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An image sensor or imager is a sensor used for imaging. It detects and conveys information used to form an image. It does so by converting the variable attenuation of light waves (as they pass through or reflect off objects) into signals, small bursts of current that convey the information. The waves can be light or other electromagnetic radiation. Image sensors are used in electronic imaging devices of both analog and digital types, which include digital cameras, camera modules, camera phones, optical mouse devices, medical imaging equipment, night vision equipment such as thermal imaging devices, radar, sonar, and others. As technology changes, electronic and digital imaging tends to replace chemical and analog imaging.

The two main types of electronic image sensors are the charge-coupled device (CCD) and the active-pixel sensor (CMOS sensor). Both CCD and CMOS sensors are based on metal–oxide–semiconductor (MOS) technology, with CCDs based on MOS capacitors and CMOS sensors based on MOSFET (MOS field-effect transistor) amplifiers. Analog sensors for invisible radiation tend to involve vacuum tubes of various kinds, while digital sensors include flat-panel detectors.

Comparison between CCD and CMOS sensors

A micrograph of the corner of the photosensor array of a webcam digital camera
Image sensor (upper left) on the motherboard of a Nikon Coolpix L2 6 MP

The two main types of digital image sensors are the charge-coupled device (CCD) and the active-pixel sensor (CMOS sensor), fabricated in complementary MOS (CMOS) or N-type MOS (NMOS or Live MOS) technologies. Both CCD and CMOS sensors are based on the MOS technology,[1] with MOS capacitors being the building blocks of a CCD,[2] and MOSFET amplifiers being the building blocks of a CMOS sensor.[3][4]

Cameras integrated in small consumer products generally use CMOS sensors, which are usually cheaper and have lower power consumption in battery powered devices than CCDs.[5] CCD sensors are used for high end broadcast quality video cameras, and CMOS sensors dominate in still photography and consumer goods where overall cost is a major concern. Both types of sensor accomplish the same task of capturing light and converting it into electrical signals.

Each cell of a CCD image sensor is an analog device, a pinned photodiode.[6] When light strikes the chip it is held as a small electrical charge in each photodiode. The charges in the line of pixels nearest to the (one or more) output amplifiers are amplified and output, then each line of pixels shifts its charges one line closer to the amplifiers, filling the empty line closest to the amplifiers. This process is then repeated until all the lines of pixels have had their charge amplified and output.[7]

A CMOS image sensor has an amplifier for each pixel compared to the few amplifiers of a CCD. This results in less area for the capture of photons than a CCD, but this problem has been overcome by using microlenses in front of each photodiode, which focus light into the photodiode that would have otherwise hit the amplifier and not been detected.[7] Some CMOS imaging sensors also use back-side illumination to increase the number of photons that hit the photodiode.[8] CMOS sensors can potentially be implemented with fewer components, use less power, and/or provide faster readout than CCD sensors.[9] They are also less vulnerable to static electricity discharges.

Otro diseño, una arquitectura híbrida CCD/CMOS (vendida bajo el nombre " sCMOS "), consiste en circuitos integrados de lectura CMOS (ROIC) unidos mediante protuberancias a un sustrato de imagen CCD; una tecnología que se desarrolló para matrices de observación infrarroja y se ha adaptado a la tecnología de detectores basados ​​en silicio. [ 10 ] Otro enfoque es utilizar las dimensiones muy finas disponibles en la tecnología CMOS moderna para implementar una estructura similar a la CCD completamente en tecnología CMOS: dichas estructuras se pueden lograr separando las compuertas individuales de polisilicio por un espacio muy pequeño; aunque todavía es un producto de investigación, los sensores híbridos pueden potencialmente aprovechar los beneficios de los generadores de imágenes CCD y CMOS. [ 11 ]

Actuación

Existen muchos parámetros que se pueden utilizar para evaluar el rendimiento de un sensor de imagen, como el rango dinámico , la relación señal-ruido y la sensibilidad a la luz baja. En sensores de tipos similares, la relación señal-ruido y el rango dinámico mejoran a medida que aumenta el tamaño . Esto se debe a que, en un tiempo de integración (exposición) determinado, un mayor número de fotones incide sobre el píxel con una superficie mayor.

Control del tiempo de exposición

El tiempo de exposición de los sensores de imagen generalmente se controla mediante un obturador mecánico convencional , como en las cámaras de película, o mediante un obturador electrónico . El obturador electrónico puede ser "global", en cuyo caso la acumulación de fotoelectrones en toda el área del sensor de imagen comienza y termina simultáneamente, o "deslizante", en cuyo caso el intervalo de exposición de cada fila precede inmediatamente a la lectura de esa fila, en un proceso que se "desliza" a través del fotograma de la imagen (normalmente de arriba a abajo en formato horizontal). El obturador electrónico global es menos común, ya que requiere circuitos de "almacenamiento" para mantener la carga desde el final del intervalo de exposición hasta que el proceso de lectura llega a ese punto, normalmente unos pocos milisegundos después. [ 12 ]

Separación de colores

Patrón Bayer en el sensor
Esquema de filtrado vertical de Foveon para la detección de color.

Existen varios tipos principales de sensores de imagen en color, que se diferencian por el tipo de mecanismo de separación de colores:

  • Los sensores de color integrales [ 13 ] utilizan una matriz de filtros de color fabricada sobre un único sensor de imagen CCD o CMOS monocromático. El patrón de matriz de filtros de color más común, el patrón Bayer , utiliza una disposición de tablero de ajedrez de dos píxeles verdes por cada píxel rojo y azul, aunque se han desarrollado muchos otros patrones de filtros de color, incluidos patrones que utilizan píxeles cian, magenta, amarillo y blanco. [ 14 ] Los sensores de color integrales se fabricaron inicialmente transfiriendo tintes de color a través de ventanas de fotorresina a una capa receptora de polímero recubierta sobre un sensor CCD monocromático. [ 15 ] Dado que cada píxel proporciona solo un color (como el verde), los valores de color "faltantes" (como el rojo y el azul) para el píxel se interpolan utilizando píxeles vecinos. [ 16 ] Este procesamiento también se conoce como demosaico o debayerización.
  • El sensor Foveon X3 utiliza una matriz de sensores de píxeles en capas que separan la luz mediante la propiedad de absorción inherente del silicio, dependiente de la longitud de onda, de modo que cada punto detecta los tres canales de color. Este método es similar al funcionamiento de la película fotográfica en color.
  • Los sensores 3CCD utilizan tres sensores de imagen independientes, con separación de color mediante un prisma dicroico . Los elementos dicroicos proporcionan una separación de color más nítida, mejorando así la calidad del color. Dado que cada sensor tiene la misma sensibilidad dentro de su banda de paso y a resolución completa, los sensores 3CCD ofrecen una mejor calidad de color y un mejor rendimiento en condiciones de poca luz. Los sensores 3CCD generan una señal 4:4:4 completa , que es la preferida en la transmisión televisiva , la edición de vídeo ylos efectos visuales de croma .

Sensores especiales

Vista infrarroja de la Nebulosa de Orión tomada por HAWK-I de ESO , un generador de imágenes criogénico de campo amplio [ 17 ].

Los sensores especiales se utilizan en diversas aplicaciones, como la creación de imágenes multiespectrales , videolaringoscopios , cámaras gamma , detectores de panel plano y otros conjuntos de sensores para rayos X , conjuntos de microbolómetros en termografía y otros conjuntos de alta sensibilidad para astronomía . [ 18 ]

Si bien, en general, las cámaras digitales utilizan un sensor plano, Sony desarrolló un prototipo de sensor curvo en 2014 para reducir o eliminar la curvatura de campo de Petzval que se produce con un sensor plano. El uso de un sensor curvo permite un diámetro menor y más corto del objetivo, con menos elementos y componentes, mayor apertura y menor caída de luz en los bordes de la fotografía. [ 19 ]

Historia

Los primeros sensores analógicos para luz visible eran tubos de videocámara . Se remontan a la década de 1930, y se desarrollaron varios tipos hasta la década de 1980. A principios de la década de 1990, fueron reemplazados por modernos sensores de imagen CCD de estado sólido . [ 20 ]

La base de los modernos sensores de imagen de estado sólido es la tecnología MOS, [ 21 ] [ 22 ] que se originó a partir de la invención del MOSFET por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959. [ 23 ] Investigaciones posteriores sobre la tecnología MOS llevaron al desarrollo de sensores de imagen semiconductores de estado sólido , incluyendo el dispositivo de carga acoplada (CCD) y más tarde el sensor de píxeles activos ( sensor CMOS ). [ 21 ] [ 22 ]

El sensor de píxeles pasivos (PPS) fue el precursor del sensor de píxeles activos (APS). [ 4 ] Un PPS consta de píxeles pasivos que se leen sin amplificación , y cada píxel consta de un fotodiodo y un interruptor MOSFET . [ 24 ] Es un tipo de matriz de fotodiodos , con píxeles que contienen una unión pn , un condensador integrado y MOSFET como transistores de selección . Una matriz de fotodiodos fue propuesta por G. Weckler en 1968. [ 3 ] Esta fue la base del PPS. [ 4 ] Estas primeras matrices de fotodiodos eran complejas y poco prácticas, ya que requerían la fabricación de transistores de selección dentro de cada píxel, junto con circuitos multiplexores en el chip . El ruido de las matrices de fotodiodos también era una limitación para el rendimiento, ya que la capacitancia del bus de lectura del fotodiodo resultaba en un mayor nivel de ruido. El muestreo doble correlacionado (CDS) tampoco podía utilizarse con una matriz de fotodiodos sin memoria externa . [ 3 ]

En junio de 2022, Samsung Electronics anunció la creación de un sensor de imagen de 200 millones de píxeles. El ISOCELL HP3 de 200 MP tiene píxeles de 0,56 micrómetros, mientras que Samsung informó que los sensores anteriores tenían píxeles de 0,64 micrómetros, lo que representa una disminución del 12 % desde 2019. El nuevo sensor contiene 200 millones de píxeles en una lente de 1 x 1,4 pulgadas (25 x 36 mm) . [ 25 ] 

Dispositivo de carga acoplada

El dispositivo de carga acoplada (CCD) fue inventado por Willard S. Boyle y George E. Smith en los Laboratorios Bell en 1969. [ 26 ] Mientras investigaban la tecnología MOS, se dieron cuenta de que una carga eléctrica era la analogía de una burbuja magnética y que podía almacenarse en un pequeño condensador MOS . Como era bastante sencillo fabricar una serie de condensadores MOS en fila, les conectaron un voltaje adecuado para que la carga pudiera transferirse de uno a otro. [ 21 ] El CCD es un circuito semiconductor que posteriormente se utilizó en las primeras cámaras de vídeo digitales para la transmisión de televisión . [ 27 ]

Los primeros sensores CCD sufrían de retardo de obturador . Esto se resolvió en gran medida con la invención del fotodiodo fijado (PPD). [ 4 ] Fue inventado por Nobukazu Teranishi , Hiromitsu Shiraki y Yasuo Ishihara en NEC en 1980. [ 4 ] [ 28 ] Era una estructura de fotodetector con bajo retardo, bajo ruido , alta eficiencia cuántica y baja corriente oscura . [ 4 ] En 1987, el PPD comenzó a incorporarse en la mayoría de los dispositivos CCD, convirtiéndose en un elemento fijo en las videocámaras electrónicas de consumo y luego en las cámaras fotográficas digitales . Desde entonces, el PPD se ha utilizado en casi todos los sensores CCD y luego en los sensores CMOS. [ 4 ]

Sensor de píxeles activos

The NMOSactive-pixel sensor (APS) was invented by Olympus in Japan during the mid-1980s. This was enabled by advances in MOS semiconductor device fabrication, with MOSFET scaling reaching smaller micron and then sub-micron levels.[3][29] The first NMOS APS was fabricated by Tsutomu Nakamura's team at Olympus in 1985.[30] The CMOS active-pixel sensor (CMOS sensor) was later improved by a group of scientists at the NASAJet Propulsion Laboratory in 1993.[4] By 2007, sales of CMOS sensors had surpassed CCD sensors.[31] By the 2010s, CMOS sensors largely displaced CCD sensors in all new applications.

Other image sensors

The first commercial digital camera, the Cromemco Cyclops in 1975, used a 32×32 MOS image sensor. It was a modified MOS dynamic RAM (DRAM) memory chip.[32]

MOS image sensors are widely used in optical mouse technology. The first optical mouse, invented by Richard F. Lyon at Xerox in 1980, used a 5 μmNMOSintegrated circuit sensor chip.[33][34] Since the first commercial optical mouse, the IntelliMouse introduced in 1999, most optical mouse devices use CMOS sensors.[35]

In February 2018, researchers at Dartmouth College announced a new image sensing technology that the researchers call QIS, for Quanta Image Sensor. Instead of pixels, QIS chips have what the researchers call "jots." Each jot can detect a single particle of light, called a photon.[36]

See also

References

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  6. ↑Fossum, Eric R.; Hondongwa, Donald B. (May 2014). "A Review of the Pinned Photodiode for CCD and CMOS Image Sensors". IEEE Journal of the Electron Devices Society. 2 (3): 33–43. doi:10.1109/JEDS.2014.2306412. ISSN 2168-6734.
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