Conception d'appareil photo numérique, partie 3: Obturateur roulant CMOS et schémas de réinitialisation globale

Fig 1 Pixel Etron e1604955527239


La partie 2 de cette série sur la conception d'appareil photo numérique a examiné certains des problèmes associés à la prise d'images de scènes comportant des mouvements, expliquant les différents types d'obturateurs mécaniques utilisés pour démarrer et arrêter les expositions et décrivant les différents types d'obturation électronique disponibles dans les capteurs d'image CMOS . Cet article, la troisième partie de la série, expliquera plus en détail l'obturation CMOS.

Principes de base de l'architecture des pixels CMOS

La conception à trois transistors ou pixel 3T est l'architecture de pixels CMOS la plus simple (Figure 1). Un transistor est utilisé pour réinitialiser ou précharger la photodiode tandis que deux autres sont utilisés pour la lecture vidéo: l'un est un suiveur de source et l'autre est utilisé pour sélectionner le pixel. Le signal RESET est pulsé haut et qui précharge ou réinitialise l'électrode de type N de la photodiode à une tension fixée par Vjj et le niveau haut du signal RESET. Une fois la réinitialisation réduite, la photodiode commence à répondre à la lumière incidente, drainant la charge lorsque des électrons photo-générés sont accumulés sur la cathode de la photodiode.

schéma de l'architecture Pixel 3TFigure 1 Dans cette architecture de pixel 3T, un transistor est utilisé pour réinitialiser ou précharger la photodiode tandis que deux autres sont utilisés pour la lecture vidéo. La source: Etron

Une fois le temps d'intégration écoulé, le signal de sélection de rangée est excité et l'amplificateur de courant de source suiveuse est couplé au nœud vidéo pour la détection. Notez comment le pixel, s'il est exposé à la lumière, continue à collecter la lumière pendant ce processus. Lors de la réinitialisation, la lumière brille toujours sur la photodiode mais le transistor de réinitialisation fixe la cathode de la photodiode à l’alimentation en tension, Vjj.

Pour comprendre le fonctionnement de l'exposition et de la lecture des pixels dans un tableau pratique, il est utile d'examiner une colonne de pixels sur le capteur. Pour un capteur M x N pixels, N pixels sont disposés en M colonnes verticales. En plus des pixels, des circuits sont généralement ajoutés à chaque colonne pour créer un schéma de détection et de mise en mémoire tampon pour les données vidéo, y compris un moyen d'échantillonner et de conserver (S / H) les données vidéo. Un exemple de colonne de pixels est présenté dans Figure 2.

schéma d'une disposition de colonne de pixelsFigure 2 Dans un réseau de capteurs d'image, N pixels sont disposés en M colonnes verticales. Source: Etron

Fonctionnement du volet roulant

Pour le fonctionnement du volet roulant, chaque ligne commence et termine son exposition à un moment légèrement différent. Sur la figure 2, le signal vidéo du réseau peut être lu à partir d'un seul pixel à la fois par colonne; le pixel est sélectionné et le signal vidéo se forme sur la ligne de signal étiquetée Video (m) sur la figure 2. Ce signal est ensuite échantillonné par le circuit d'échantillonnage et de maintien, amplifié et envoyé à un convertisseur analogique-numérique (ADC ) pour être transformé en un numéro numérique puis piloté hors puce en tant que vidéo numérique.

Le temps de lecture pour transférer la vidéo numérique à partir d'une seule ligne hors puce est la même durée pendant laquelle l'exposition d'une ligne à l'autre est décalée; une seule ligne peut être sélectionnée à la fois et la ligne doit être sélectionnée lors de la lecture lors de l'utilisation du schéma de volet roulant. Le capteur est constamment exposé à la lumière et il n'y a pas d'obturateur mécanique.

La fin de l'impulsion de réinitialisation pour une ligne donnée détermine le début de l'exposition et l'exposition se termine lorsque le signal d'échantillonnage et de maintien est déclenché pour capturer l'état de la ligne Vidéo (m) après que le pixel exposé est sélectionné via sa sélection (N) ligne. figure 3 montre comment le fonctionnement du réseau de pixels pour plusieurs lignes est exposé et échantillonné en mode volet roulant.

diagramme montrant le fonctionnement du tableau de pixelsfigure 3 Ce diagramme montre comment le fonctionnement du réseau de pixels pour plusieurs lignes est exposé et échantillonné en mode volet roulant. Source: Etron

Le capteur d’image est construit à l’aide d’un groupe de colonnes, comme illustré à la figure 2, qui sont disposées de telle sorte qu’il existe un tableau N x M de pixels (Graphique 4). Plusieurs blocs fonctionnels supplémentaires sont utilisés pour fournir le contrôle et le séquençage des signaux utilisés pour faire fonctionner le réseau de pixels, tels que les signaux de réinitialisation et de sélection, d'échantillonnage et de maintien vidéo et les multiplexeurs utilisés pour alimenter les ADC qui convertissent la vidéo analogique en vidéo numérique.

schéma de la disposition du capteur d'image CMOSGraphique 4 Un capteur d'image CMOS est basé sur un groupe de colonnes agencées sous la forme d'un réseau N x M de pixels. Source: Etron

La sortie du capteur d'image est constituée de données vidéo numériques et peut être fournie à partir d'un seul ADC ou de plusieurs ADC fonctionnant en parallèle. Avec les CAN parallèles, le temps de lecture de chaque ligne peut être réduit, ce qui entraîne moins de décalage de synchronisation d'exposition ligne à ligne – moins de distorsion – ainsi que des fréquences d'images plus élevées pour le capteur d'image. Cela se fait au détriment de la puissance, de la surface de silicium, du nombre de broches de l'emballage et du coût.

Schéma de réinitialisation globale

Le réseau de pixels 3T peut être utilisé dans un mode différent en modifiant la synchronisation des signaux de réinitialisation utilisés pour chaque ligne ou ligne. Au lieu de pulser les signaux de réinitialisation pour chaque ligne à un moment différent, ce mode émet toutes les impulsions en même temps, c'est-à-dire une réinitialisation globale. Le principal avantage est que l'exposition de chaque ligne commence en même temps. Si une source de lumière synchronisée ou un obturateur mécanique approprié est utilisé de manière à ce que l'exposition se termine lorsque la lumière s'éteint, alors les artefacts de mouvement peuvent être évités ou minimisés à un niveau tolérable.

Pour les capteurs CMOS à très grand nombre de pixels avec une fréquence d'images limitée par des liaisons numériques à faible vitesse, le décalage de synchronisation d'exposition ligne à ligne augmentera à mesure que le nombre de pixels augmente et peut atteindre un point où il ne convient pas même à la photographie instantanée si vous vous fiez à un volet roulant. Pour cette raison, un obturateur mécanique à grande vitesse peut être utilisé en combinaison avec un réseau de pixels 3T fonctionnant avec une réinitialisation globale.

Lorsque la lecture à balayage progressif est combinée à une réinitialisation globale, la lecture est effectuée une ligne à la fois tandis que le capteur reste sombre via une lumière synchronisée ou un obturateur mécanique. Une fois que le capteur a été lu, une autre exposition peut commencer. Ainsi, même avec une lecture de ligne lente, comme cela peut se produire avec un capteur de nombre de pixels très élevé utilisant une seule liaison numérique, la photographie d'action peut toujours être prise en charge en utilisant une réinitialisation globale combinée à un obturateur mécanique approprié.

Si la décision est prise d'utiliser un obturateur mécanique, les artefacts décrits dans la partie 2 doivent toujours être pris en compte, compte tenu des exigences de l'application ainsi que des types d'obturateurs et des paramètres de synchronisation.

Considérations relatives au bruit pour la réinitialisation globale

Puisqu'une lumière synchronisée passant de la lumière à l'obscurité ou une fermeture mécanique de l'obturateur met fin à une exposition pour l'ensemble de la matrice en même temps, et parce que le capteur est lu une ligne à la fois, l'image doit être stockée dynamiquement dans des pixels non lus qui ne sont pas allumés pendant le processus de lecture. Une fois qu'une ligne est lue, les données d'image stockées dans ses pixels ne présentent plus d'intérêt; cependant, les lignes restantes qui n'ont pas été lues doivent stocker l'image jusqu'à la lecture. La dernière ligne à lire contient l'image la plus longue et cela peut être presque un temps de trame pour de courtes expositions.

Cette exigence de stockage imposée par la réinitialisation globale utilisée avec la lecture à balayage progressif peut réduire la faible sensibilité à la lumière, grâce aux caractéristiques de fonctionnement non idéales des capteurs d'image CMOS du monde réel résultant des propriétés électroniques du silicium.

Dans les prochains articles de cette série, les sources de bruit seront discutées en détail, mais quelques mots sur le sujet sont appropriés à ce stade sans une digression significative du sujet principal du fonctionnement des pixels dans les tableaux.

Dégradation d'image du signal sombre

Dans chaque pixel 3T du réseau de capteurs d'image se trouve une photodiode polarisée en inverse exposée à une lumière focalisée, qui crée des paires trou-électron – charge photo-générée – dans la région éclairée du silicium. Ce mécanisme de charge photo-génératrice est connu sous le nom d'effet photoélectrique, découvert par Albert Einstein, pour lequel il a reçu un prix Nobel de physique.

Chaque photodiode polarisée en inverse peut être considérée comme un condensateur qui peut être utilisé pour collecter et maintenir une charge électronique. La quantité de charge photo-générée contenue dans chaque pixel est fonction du temps d'exposition et de la luminosité de la scène focalisée sur le pixel à l'étude. La lumière interagissant avec la photodiode au silicium est un moyen de générer une charge et constitue le mécanisme fondamental par lequel les capteurs d'images à semi-conducteurs forment des images.

Une autre façon dont la charge est générée dans les dispositifs en silicium est la génération thermique aléatoire dans le silicium lui-même et n'est pas causée par l'exposition à la lumière. Pour une température donnée, le courant d'obscurité ou les unités de charge / temps est constant et dépend exponentiellement de la température. Le courant d'obscurité n'est pas uniforme sur la surface d'un capteur d'image en raison d'imperfections dans la structure cristalline du silicium et de faibles concentrations d'impuretés. Un tracé tridimensionnel du courant d'obscurité à travers une surface de capteur d'image présente une non-uniformité de surface significative (Figure 5).

carte de courant d'obscurité d'un réseau de capteurs d'imageFigure 5 La carte de courant d'obscurité d'un réseau de capteurs d'image prise à la température ambiante présente une non-uniformité surfacique significative. Source: Etron

Les photodiodes collectent et retiennent la charge générée par le courant d'obscurité de la même manière que la charge photo-générée. Une fois que ces frais sont collectés dans un pixel, ils ne peuvent plus être distingués des frais générés par photo. Le résultat net est que le rapport signal sur bruit (S / N) de l'image est dégradé par ce signal sombre. Ainsi, dans des conditions de faible luminosité, une image peut être formée à partir seulement d'une petite quantité de charge photo-générée. En d'autres termes, malgré un temps d'exposition normal, une charge sombre peut sérieusement dégrader une image prise dans des conditions de faible luminosité (Graphique 6).

exemples d'images brutes et dessinées à des fins de comparaisonGraphique 6 Une comparaison entre des images brutes et dépecées montre comment une image dégradée par un signal sombre peut être améliorée en soustrayant une image sombre de longueur d'exposition égale de l'image. Source: Etron

Lorsqu'il est utilisé en mode de réinitialisation globale, puisque l'image est stockée plus longtemps sur certaines lignes que sur d'autres, le rapport S / N peut varier de haut en bas dans une image à faible éclairage prise en utilisant la réinitialisation globale avec une lecture lente par balayage progressif. Plus la lecture est lente, plus il y a de temps pour que le signal sombre s'accumule, aggravant la dégradation thermique dans les dernières lignes lues.

Les choix de conception pour réduire cette source de bruit incluent l'accélération de la lecture, ce qui signifie utiliser plus de bande passante numérique du capteur si possible. Ensuite, il est possible d'augmenter la vitesse de l'optique pour concentrer plus de flux lumineux sur le capteur ou refroidir le capteur ou soustraire un cadre sombre de longueur d'exposition égale de l'image (Figure 6).

Le prochain article de cette série, la partie 4, expliquera le concept de pixel de transfert de charge et examinera en détail le mode de fonctionnement global de l'obturateur instantané.

Richard Crisp est vice-président du développement de nouveaux produits pour Etron Technology America.

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