Aktiv-pixel-sensor

En aktiv-pixel-sensor (APS) er et integreret kredsløb bestående af en billedsensor med et net af pixel-sensorer (punkt-sensorer), hvor hver pixel indeholder en fotodetektor og en aktiv forstærker. Der er mange typer aktiv-pixel-sensorer, inklusiv CMOS-APS, som er mest almindelig i mobiltelefoners kameraer, webkameraer og i nogle DSLR (Digital Spejlreflekskamera). Sådan en billedsensor produceres ved en CMOS-proces (og er derfor også kendt som en CMOS-billedsensor), og er i dag et alternativ til de ældre CCD-billedsensorer.

Termen aktiv-pixel-sensor anvendes også om den enkelte pixel-sensor^[1] – i så fald kaldes billedsensoren nogle gange for en active pixel sensor imager. ^{[2] [3]}

Sammenligning med CCD-billedsensorer

APS-en løser hastigheds- og skalabilitetsproblemerne som passiv-pixel-sensoren har. APS-en bruger langt mindre energi end CCD-sensoren, har meget mindre billedforsinkelse og kan fabrikeres på meget billigere og mere tilgængelige produktionslinjer. Til forskel fra CCD-sensoren kan APS-en kombinere både billedsensorfunktioner og billedprocesseringsfunktioner i samme integrerede kredsløb.

APS-er er blevet den valgte teknologi i mange forbruger-produkter. Men APS-er anvendes også indenfor digital radiografi, militære ultrahøjhastighedskameraer, højopløselige 'smarte' sikkerhedskameraer, optisk mus og meget andet.

Et antal halvlederfabrikanter tilbyder APS-er i forskellige udgaver. Disse omfatter Aptina Imaging (halvuafhængig 'spinout' fra Micron Technology, som købte Photobit i 2001), Samsung, STMicroelectronics, Toshiba, OmniVision Technologies, Sony, Foveon og flere.

Arkitektur

Pixel

En standard CMOS APS pixel består i dag af en fotodetektor (en J-FET photogate eller 'pinned' photodiode), en transfer gate, en reset gate, en selection gate og en source-følger udlæsningstransistor -- den såkaldte 4T-celle.

3T pixel-sensoren anvendes stadig ofte, da den har mindre fabrikationskrav. Én transistor, M_rst, anvendes som en kontakt til "nulstilling" af pixelen. Når denne transistor "tændes", bliver fotodiodens katode forbundet til forsyningsspændingen, V_RST, som fjerner eventuel ladning. Da reset-transistoren er en n-type, arbejder pixelen i soft reset.

Den anden transistor, M_sf, anvendes som buffer (specifikt sourcefølger), en forstærker som tillader aflæsning af pixelspændingen uden at fjerne ladningen fra fotodetektoren. M_sf' forsyningsspænding, V_DD, forbindes typisk til reset-transistorens spændingsforsyning.

Den tredje transistor, M_sel, er rækkevalgstransistoren (row-select transistor). Den opfører sig som en kontakt, som tillader udlæsningselektronikkens aflæsning af den enkelte række i pixelnettet.

Andre innovationer af APS-pixel (f.eks. 5T og 6T pixels) eksisterer også. Ved at tilføje flere transistorer, bliver andre funktioner mulige såsom global shutter, i modsætning til den mere almindellige rolling shutter.

For at øge pixeltætheden kan delt-række, 4-vejs og 8-vejs delt udlæsning og andre arkitekturer benyttes.

En variant af 3T aktiv-pixel er Foveon X3 sensor, opfundet af Dick Merrill. I denne variant stakkes 3 fotodioder ovenpå hinanden ved at anvende planar fabrikationsteknikker, hver fotodiode har sit eget 3T kredsløb. Hvert efterfølgende lag virker som et lysfilter for laget under det. Af de 3 farvesignaler kan de ønskede farveintervaller rødlig, grønlig og blålig udledes.

Kilder/referencer

Eksterne henvisninger

• Wikimedia Commons har flere filer relateret til Aktiv-pixel-sensor
• John L. Vampola (januar 1993). "Chapter 5 - Readout electronics for infrared sensors". I David L. Shumaker (red.). The Infrared and Electro-Optical Systems Handbook, Volume 3 - Electro-Optical Components. The International Society for Optical Engineering. ISBN 0-8194-1072-1. Arkiveret fra originalen 16. juli 2011. Hentet 17. oktober 2009. — one of the first books on CMOS imager array design

• Hewitt,, Mary J.; Vampola,, John L.; Black, Stephen H.; Nielsen, Carolyn J. (juni 1994). Eric R. Fossum (red.). "Infrared readout electronics: a historical perspective". Proceedings of SPIE. The International Society for Optical Engineering. 2226 (Infrared Readout Electronics II): 108-119. doi:10.1117/12.178474.{{cite journal}}: CS1-vedligeholdelse: Ekstra punktum (link) CS1-vedligeholdelse: url-status (link)

• Nelson, Mark D.; Johnson, Jerris F.; Lomheim, Terrence S. (november 1991). "General noise processes in hybrid infrared focal plane arrays". Optical Engineering. The International Society for Optical Engineering. 30 (11): 1682-1700. doi:10.1117/12.55996. (Webside ikke længere tilgængelig)

• Martin Vasey (september 2009). "CMOS Image Sensor Testing: An Intetrated Approach" (HTML). Jova Solutions. San Francisco, CA.