CCD 및 CMOS
우선 CMOS 와 CCD 가 각각 무엇을 의미하는지 알아야 한다.
CMOS 는 실제로 상보성 금속 산화물 반도체의 약자로, 중국어는 상보성 금속 산화물 반도체라고 한다. CCD 는 전하 커플러의 약자로, 전하 커플러를 의미한다. 어색해? CMOS 와 CCD 는 비교적 듣기 좋다.
CCD 센서의 이름은 이미지를 캡처한 후 전하를 읽는 방법에서 비롯됩니다. 센서는 특수 제조 기술을 사용하여 이미지 품질에 영향을 주지 않고 누적 전하를 전송할 수 있습니다. 전체 픽셀 영역은 하나의 행렬로 볼 수 있으며 각 행렬 셀은 픽셀입니다.
0 1, CMOS 및 CCD 의 미세 구조
CCD 의 기본 감광 장치는 MOS (금속 산화물 반도체 콘덴서) 로 광전 다이오드 및 스토리지 장치로 사용됩니다.
전형적인 CCD 장치에는 (A) 실리콘 라이닝이 섞여 있고, (B) 도랑 정지층, (C) 이산화 실리콘 층, (D) 제어용 폴리실리콘 게이트 전극이 있습니다. 게이트 전압이 높으면 산화층 아래에 포텐셜 우물이 생성됩니다. 입사 광자는 포텐셜 우물에서 전자를 자극하여 수집하고 유도할 수 있으며, 주변 도핑 영역은 발생된 전자 누출을 방지합니다.
CCD 카메라를 사용하여 이미지를 생성하는 것은 네 가지 주요 단계나 기능으로 나눌 수 있습니다. 광자와 소자 감광 영역의 상호 작용을 통해 전하 생성, 수집 및 저장된 전하, 전하 이동 및 전하 측정입니다.
① 신호 전하의 생성: CCD 작업 과정의 첫 번째 단계는 전하의 생성이다. CCD 는 반도체 내부의 광전효과 (광전지 효과) 를 기반으로 입사광 신호를 전하 출력으로 변환할 수 있습니다.
② 신호 전하 저장: CCD 작동 과정의 두 번째 단계는 신호 전하 수집, 즉 입사 광자가 발생시키는 전하를 신호 전하 패킷으로 수집하는 과정이다.
③ 신호 전하의 전송 (결합): CCD 작동 과정의 세 번째 단계는 신호 전하 패킷의 전송으로, 곧 수집할 전하 패킷이 한 픽셀에서 다음 픽셀로 옮겨져 모든 전하 패킷이 출력되는 과정이다.
④ 신호 전하 감지: CCD 작동 과정의 네 번째 단계는 전하 감지, 즉 출력급으로 전송되는 전하를 전류 또는 전압으로 변환하는 과정이다.
CMOS 의 미시적 구조: CCD 와 가장 큰 차이점은 전하가 전송되는 방식이 다르다는 것이다. CMOS 는 금속선으로 전송됩니다. CMOS 픽셀 조작 도식입니다. 센서 픽셀 (역방향 바이어스 다이오드) 은 판독 칩에 있는 픽셀 전자 장치에 연결됩니다.
02, CMOS 및 CCD 센서 작동 원리
CMOS 외관: 픽셀, 디지털 논리 회로, 신호 프로세서, 클럭 컨트롤러 등이 포함됩니다.
CCD 모양: 수평 및 수직 시프트 레지스터, 수평 및 수직 시프트 레지스터의 클럭 컨트롤러 및 출력 증폭기가 포함됩니다. 이 두 센서를 추상화하면 다음과 같은 두 개의 회로도가 있다.
CCD 센서 회로도. CCD 는 본질적으로 입사한 광자를 전자로 변환하고 축적된 전하를 유지하는 반도체' 통' 의 큰 배열이다. 이러한 전하를 수직 이동 레지스터를 통해 수평 이동 레지스터로 아래로 이동할 수 있으며, 수평 이동 레지스터는 전하를 전압 출력으로 변환할 수 있습니다.
CMOS 센서 회로도. 상보성 금속 산화물 반도체의 설계는 전하 통을 옮기는 것이 아니라 전하를 전압으로 즉시 변환하여 마이크로선에 전압을 출력하는 것이다.
CMOS 이미지 센서 회로도. CCD 는 프로세스가 끝날 때 전하를 전압으로 변환하고 CMOS 센서는 각 픽셀에 전압 변환기가 포함되어 있기 때문에 초기에 이러한 변환을 수행합니다. 그런 다음 작고 에너지 효율적인 마이크로 필라멘트를 통해 전압을 출력합니다.
전체 CCD 는 가장 간단한 센서로 매우 높은 해상도로 생산할 수 있다. 이들은 단일 선 전송 레지스터만 버퍼로 사용할 수 있으며 셔터 속도는 센서를 통해 설정을 제어할 수 없습니다. 따라서 감광성 센서의 표면은 노출 시간 내에만 노출될 수 있기 때문에 센서가 기계식 셔터 뒤에 있어야 합니다. 전체 프레임 CCD 는 주로 과학과 천문학의 사진 목적으로 사용됩니다.
노출 시간이 끝나면 센서 장치의 전하가 모든 픽셀의 중간 메모리로 동시에 전송되어 수직 및 수평 변위를 통해 읽혀집니다. 선간 CCD 전송의 장점은 센서 장치로부터 이미지 정보를 빠르고 완벽하게 수신할 수 있으며 중간 저장을 위해 기계적 잠금이 필요하지 않다는 것입니다. 이 설계의 단점은 센서의 충전 계수가 낮아 빛에 대한 민감도가 떨어지거나 약한 빛 아래에서 노이즈가 발생하기 쉽다는 것입니다.
노출 후 저장된 이미지 또는 셀의 전하가 전송 레지스터로 매우 빠르게 전송됩니다. 그런 다음 전체 프레임 CCD 와 같은 방식으로 전송 레지스터에서 전하를 읽습니다.
선과 전체 CCD 의 원리를 결합하다. 이 구조를 사용하면 활성 센서 장치의 전하를 중간 스토리지 장치로 매우 빠르게 전송할 수 있으며, 여기서도 완전히 불투명한 전송 레지스터로 빠르게 이동할 수 있습니다. CCD 의 작동 원리에 관해서는 지역 비 측정의 고전적인 비유가 있다.
CCD 의 직렬 판독 방식은 버킷 여단이 지역 강우량을 측정하여 나타낼 수 있다. 배럴 배열에 떨어지는 강우 강도는 지역에 따라 다를 수 있습니다. 이미징 센서의 입사광자와 마찬가지로, 이 배럴은 통합 중에 서로 다른 양의 신호 (물) 를 수집하고 컨베이어 벨트의 직렬 배럴 배열을 나타내는 빈 배럴로 전송됩니다. 통 전체가 직렬 레지스터 그룹으로 병렬로 이동됩니다.
각 통에 쌓인 빗물이 CCD 출력 증폭기와 유사한 정렬된 측정 컨테이너로 순차적으로 이동하는 직렬 이동 및 읽기 작업입니다. 직렬 컨베이어 벨트에 있는 모든 컨테이너의 내용물이 순차적으로 측정되면 다른 병렬 레지스터 이동은 다음 수집 통의 내용물을 직렬 레코드 컨테이너로 전송하고 각 배럴 (픽셀) 의 내용물이 측정될 때까지 이 프로세스를 반복합니다.
03. 결론
앞의 이해를 통해 우리는 직접 결론을 내릴 수 있다. CCD 와 CMOS 센서의 주요 차이점은 각 픽셀을 처리하는 방법입니다. CCD 는 광생 전하를 한 픽셀에서 다른 픽셀로 이동하고 출력 노드에서 전압으로 변환합니다. CMOS 이미징은 픽셀당 여러 트랜지스터를 사용하여 각 픽셀의 전하를 전압으로 변환하여 보다 전통적인 컨덕터를 사용하여 전하를 확대하고 이동합니다.
CCD 와 CMOS 센서의 차이점: CCD 픽셀에 의해 생성된 전하를 수직 레지스터에 보관한 다음 분기를 수평 레지스터로 옮긴 다음 각 픽셀의 전하를 개별적으로 측정하고 출력 신호를 확대해야 합니다. CMOS 센서는 픽셀당 전압을 생성한 다음 금속선을 통해 증폭기 출력으로 전송하여 더 빠르게 전송할 수 있습니다.
CCD 는 광생 전하를 한 픽셀에서 다른 픽셀로 이동하고 출력 노드에서 전압으로 변환합니다. CMOS 이미징은 픽셀당 여러 트랜지스터를 사용하여 각 픽셀의 전하를 전압으로 변환하여 보다 전통적인 컨덕터를 사용하여 전하를 확대하고 이동합니다.
CCDVSCMOS.
CMOS 는 CCD 에 비해 몇 가지 분명한 장점을 가지고 있습니다.
CMOS 센서는 CCD 보다 데이터 검색 속도가 더 빠릅니다. CMOS 에서 각 픽셀은 CCD 의 공용 노드가 아닌 개별적으로 확대됩니다. 즉, 각 픽셀에는 자체 증폭기가 있으며, 프로세서가 소비하는 소음은 픽셀 수준에서 낮아질 수 있으며, 끝 노드에서 각 픽셀의 원시 데이터를 한 번에 확대하는 대신 확대하여 더 높은 선명도를 얻을 수 있습니다.
CMOS 센서는 에너지 효율이 높고 생산 비용이 저렴합니다. 기존 반도체를 재사용하여 제조할 수 있습니다. 이들 회로의 전력 소비량도 CCD 의 고전압 아날로그 회로보다 낮다. CCD 센서의 이미지 품질은 CMOS 센서보다 우수합니다. 그러나 CMOS 센서는 CCD 센서보다 전력 소비량과 가격이 우수합니다.
CMOS 이미지 센서 읽기
1873 년 과학자 조셉 메이와 윌로비스미스 미브는 셀레늄 결정체가 빛에 노출되면 전류를 생성할 수 있다는 것을 발견했다. 따라서 전자 이미지의 개발이 시작되었고, 기술이 발전함에 따라 이미지 센서의 성능이 점차 향상되었습니다. 20 세기1.50s-광전승수관 (PMT) 이 나타났다. 2.1965-1970, IBM, 비조 등 회사는 광전기 및 바이폴라 다이오드 어레이를 개발했습니다. 3. 1970, CCD 이미지 센서가 벨 연구소에서 발명되어 높은 양자 효율성, 고감도, 낮은 암전류, 높은 일관성, 저소음이 이미지 센서 시장의 주도가 되었습니다. 90 년대 말, 우리는 CMOS 시대에 들어섰습니다.
국제 우주 정거장용 CCD 카메라
1..1997 년 카시니 국제 우주 정거장은 CCD 카메라 (광각과 좁은 각도) 를 사용했습니다.
2. 미국 항공우주국 감독 다니엘 골딩 감독은 CCD 카메라를 "더 빠르고, 더 좋고, 더 싸다" 고 칭찬했다. 미래 우주선의 품질, 전력, 비용을 줄이려면 소형화 카메라가 필요하다고 한다. 전자통합은 소형화에 좋은 방법이며, MOS 기반 이미지 센서에는 패시브 픽셀과 액티브 픽셀 (3T) 구성이 있습니다.
이미지 센서의 역사적 진화-CMOS 이미지 센서
1.CMOS 이미지 센서는' 칩 카메라' 를 가능하게 하며 카메라 소형화 추세가 뚜렷하다.
2.2007 년, Siimpel AF 카메라 모델의 출현은 카메라 소형화의 중대한 돌파구를 상징한다.
3. 칩 카메라의 부상은 많은 분야 (자동차, 군사 및 우주, 의료, 산업 제조, 휴대폰 사진, 보안) 의 기술 혁신에 새로운 기회를 제공한다.
CMOS 이미지 센서가 상용화될 예정입니다.
1. 1.995 2 월 Photobit 회사를 설립하여 CMOS 이미지 센서 기술을 상용화하다.
2. 1995-200 1 년, Photobit 의 수가 약 135 로 증가했습니다. 주로 민간 기업이 모금한 맞춤형 설계 계약, SBIR 프로그램 등이 포함됩니다 이 기간 동안 * * * 는 100 개 이상의 신규 특허 신청을 제출했습니다.
3. 상용화 후 CMOS 이미지 센서가 급속도로 발전하여 응용 전망이 넓어 CCD 를 점차적으로 대체하는 것이 새로운 추세다.
CMOS 이미지 센서의 광범위한 응용
200 1, 1 1, Photobit 은 미광기술사에 인수되어 캘리포니아 공대로 돌아갈 수 있는 허가를 받았습니다. 한편 200 1 까지 도시바, 의법 반도체, Omnivision, CMOS 이미지 센서 사업과 같은 수십 명의 경쟁업체가 출현했습니다. 그 중 일부는 기술 성과의 전환을 촉진하기 위한 초기 노력이었습니다. 이후 소니와 삼성은 각각 세계 시장 1 위와 2 위가 됐다. 이후 미광은 Aptina 를 분할했고, Aptina 는 ON Semi 에 인수되어 현재 4 위를 차지하고 있다. CMOS 센서는 점차 사진 분야의 주류가 되어 많은 경우에 널리 사용되고 있다.
CMOS 이미지 센서 개발
70 년대: 비행조, 80 년대: 히타치, 80 년대 초: 소니, 197 1:FDA & 의 발명; CDS 기술. 1980 년대 중반: 소비자 시장에서 획기적인 발전을 이룩했습니다. 1990: NHK/Olympus, 확대 MOS 이미 저 (AMI), 즉 CIS, 1993: JPL, CMOS 액티브 픽셀 센서,/;
CMOS 이미지 센서 기술 소개
Cmos 이미지 센서
CMOS 이미지 센서는 아날로그 회로와 디지털 회로의 통합입니다. 주로 마이크로렌즈, 필터 (CF), 광전다이오드 (PD) 및 픽셀 디자인의 네 부분으로 구성됩니다.
1. 마이크로렌즈: 구 및 메쉬 렌즈 포함 빛이 마이크로렌즈를 통과할 때 CIS 의 비활성 부분은 빛을 수집하고 컬러 필터에 초점을 맞출 책임이 있습니다.
2. 필터 (CF): 반사광의 빨강, 녹색, 파랑 (RGB) 구성 요소가 분리되어 감광성 구성 요소로 바이엘 어레이 필터를 구성합니다.
3. 광전다이오드 (PD): 광전기 변환장치로서 빛을 캡처하여 전류로 변환합니다. 일반적으로 핀 다이오드 또는 PN 접합 장치로 만들어집니다.
4. 픽셀 디자인: CIS 에 조립된 액티브 픽셀 센서 (APS) 를 통해 구현됩니다. APS 는 일반적으로 3 ~ 6 개의 트랜지스터로 구성됩니다. 대형 콘덴서 배열에서 픽셀을 가져오거나 버퍼링하고 광전류를 픽셀 내부의 전압으로 변환하여 완벽한 감도 수준과 양호한 소음 지수를 가질 수 있습니다.
바이엘 배열 필터 및 픽셀
1. 감광성 컴포넌트의 각 상자는 색상 필터 (CF) 가 부착된 픽셀 블록을 나타냅니다. CF 가 반사광의 RGB 컴포넌트를 분리한 후 감광성 요소로 바이엘 어레이 필터를 형성합니다. 클래식 바이어 어레이는 2 x2 * * * RGB 쿼드 격자로 이미징되고 쿼드 베이 어레이는 4x4 로 확장되며 RGB 는 2x2 로 인접해 있습니다. 위챗 공식 계정의 기계공학 문학 작품, 엔지니어의 주유소!
2. 픽셀, 즉 밝거나 어두운 조건에서 픽셀 수는 숫자 표시의 기본 단위이며, 그 본질은 추상적인 샘플링이며, 우리는 컬러 사각형으로 표현합니다.
3. 표시된 픽셀은 r (빨강), g (녹색) 및 b (파랑) 삼원색으로 채워져 있습니다. 각 작은 픽셀 블록의 길이는 픽셀 치수를 나타내고 그림의 크기는 0.8 미크론입니다 .....
바이엘 배열 필터 및 픽셀
필터의 각 작은 사각형은 감광 컴포넌트의 픽셀 블록에 해당합니다. 즉, 각 픽셀 앞에 특정 색상 필터를 덮습니다. 예를 들어, 빨간색 필터 블록은 감광 컴포넌트에만 빨간색 광선을 투사할 수 있으므로 해당 픽셀 블록은 빨간색 광선에 대한 정보만 반사합니다. 뒤에는 색을 되돌려 색을 맞춰야 하고, 마지막으로 완전한 컬러 사진을 만들어야 한다. 감광 요소 → 바이어 필터 → 색상 복원의 전 과정을 바이어 배열이라고 합니다.
전면 (FSI) 및 후면 (BSI)
초기 CIS 에서는 FSI(FRONT-SIDE ILLUMINATED) 기술을 채택하고 바이엘 어레이 필터와 광전다이오드 (PD) 사이에 금속 (알루미늄, 구리) 영역을 혼합했습니다. 대량의 금속선의 존재는 센서 표면에 들어오는 빛을 크게 방해하여 빛의 상당 부분이 다음 층 광전다이오드 (PD) 로 들어가지 못하게 하고 신호 대 잡음비가 낮다. 기술 향상을 통해 BSI (전면 발광) 구조에서 금속 (알루미늄, 구리) 영역이 광전다이오드 (PD) 의 뒷면으로 옮겨졌습니다. 즉, 바이엘 어레이 필터에서 수집한 빛은 더 이상 많은 금속선에 의해 차단되지 않으며 빛은 광전다이오드로 직접 들어갈 수 있습니다. BSI 는 신호 대 잡음비를 크게 높일 뿐만 아니라 회로가 더 복잡하고 규모가 큰 센서의 읽기 속도도 높일 수 있습니다.
CIS 매개변수-프레임 속도
프레임 속도: 프레임 단위의 비트맵 이미지가 모니터에 연속적으로 나타나는 빈도, 즉 초당 표시할 수 있는 그림 수입니다. 고픽셀 CIS 의 설계를 실현하기 위해서는 아날로그 회로의 설계가 매우 중요하다. 일치하는 고속 판독 및 처리 회로가 없으면 높은 프레임 속도로 출력할 수 없습니다.
소니는 일찍이 2007 년 가와이 () 에서 최초의 Exmor 센서를 발표했다. Exmor 센서는 각 열 픽셀 아래에 별도의 ADC 모듈 변환기를 갖추고 있습니다. 즉, 모듈 변환은 CIS 칩에서 수행할 수 있으며 소음을 줄이고 읽기 속도를 크게 높이며 PCB 설계를 단순화할 수 있습니다.
CMOS 이미지 센서 응용 프로그램
CMOS 이미지 센서 글로벌 시장 규모
20 17 은 CMOS 이미지 센서의 높은 성장점으로 전년 대비 20% 증가했습니다. 20 18 년 글로벌 CIS 시장 규모는 155 억 달러로 20 19 년 10% 증가10% 달성/kloc 현재 독립 국가 연합(CIS) 시장은 안정적인 성장기에 있다. 2024 년에는 시장이 점차 포화되고 시장 규모는 240 억 달러에 이를 것으로 예상된다.
CIS 애플리케이션-차량 분야
1.CIS 는 차량 분야에서 RVC (후시 카메라), SVS (파노라마 시스템), CMS (카메라 모니터링 시스템), FV/MV, DMS/IMS 시스템을 사용합니다.
자동차 이미지 센서의 글로벌 판매량은 해마다 증가하고 있습니다.
3. 후시카메라 (RVC) 는 판매 주력으로 꾸준한 성장세를 보이고 있다. 20 16 년 전 세계 판매량 5 1 만, 20 18 년 6000 만, 20 19 년 6500 만, 2020 년
4.FV/MV's 전 세계 판매량이 급속히 증가하여 20 16 년 10 만대, 20 18 년 3000 만대. 이후 FV/MV 는 여전히 고속 성장세를 유지할 것으로 예상되며, 0 19 년 4 천만 대, 202 1 연간 판매량 7500 만 대.
실내 현장 -HDR 기술 방법
Hdr (high dynamic range imaging) 인 1.HDR 솔루션은 일반 디지털 이미징 기술보다 더 큰 노출 동적 범위를 제공합니다.
2. 시간 재사용. 동일한 픽셀 배열은 여러 개의 스크롤 화면 (인터레이스 HDR) 을 사용하여 여러 경계를 나타냅니다. 장점: HDR 시나리오는 기존 센서와 호환되는 가장 간단한 픽셀 기술입니다. 단점: 서로 다른 시간에 발생하는 캡처는 모션 아티팩트로 이어질 수 있습니다.
3. 공간 재사용. 단일 픽셀 배열 프레임을 여러 프레임으로 분해하고 다른 방법으로 캡처합니다: 1. 픽셀 또는 행 수준에 대한 개별 노출 컨트롤입니다. 장점: 단일 프레임 모션 아티팩트는 인터레이스 모션 아티팩트보다 적습니다. 단점: 해상도 손실, 모션 아티팩트 및 가장자리. 픽셀당 동일한 마이크로 렌즈를 사용하는 여러 포토 다이오드. 장점: 단일 다중 캡처 프레임에는 모션 아티팩트가 없습니다. 단점: 동등한 픽셀 영역을 보면 감도가 떨어집니다.
4. 아주 큰 유정 생산능력.