CMOS Kameras. Jan Hegner Universität Mannheim. Seminar-Vortrag WS2003/2004

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1 CMOS Kameras Jan Hegner Universität Mannheim Seminar-Vortrag WS2003/2004

2 Übersicht 2 1. Anwendungsgebiete 2. CMOS 3. Aufbau Kamerachip 4. Fotodiode 5. Auslesemodi 6. Layout 7. Farbsensor 8. CCD 9. Spezialanwendungen 10. Beispiel: Micron MT9M Zusammenfassung 12. Referenzen [1]

Spezialanwendungen 10. Beispiel: Micron MT9M413 11.

3 1. Anwendungsgebiete Digitalkameras und Camcorder 3 [2]

4 Anwendungsgebiete Webcams und Platinen-Kameras 4 [4] [3]

5 Anwendungsgebiete Teilchendetektoren 5 [5]

6 2.CMOS NMOS/PMOS Transistor NMOS: leitend bei Gate-Source-Spannung positiv PMOS: leitend bei Gate-Source-Spannung negativ 6 [6] Vorlesungsskript VLSI-Design

7 3. Aufbau CMOS Kamera Chip [10] 7 [7] January 2001 issue of PHOTONICS SPECTRA Laurin Publishing Co. Inc.

8 4. Fotodiode Optische Absorption in Silizium Elektron Wärme E Leitung Energie der absorbierten Photonen E Bandlücke E Valenz Loch 8

9 Fotodiode Optische Absorption 9 [13] Semiconductor Devices

10 Fotodiode Optische Absorption an einem PN-Übergang + n Verarmungszone p 10 -

11 Fotodiode Jeder PN Übergang ist eine Foto-Diode 11 [6] Vorlesungsskript VLSI-Design

12 Fotodiode 12 [8]

13 Fotodiode 13 [8] Vision Chips, Alireza Moini

14 5. Aufbau eines Pixels 2 Auslese Modi Integrierender Auslese Modus Logarithmischer Auslese Modus 14

15 Integrierender Auslese Modus Ladungsmessung nach festem Zyklus Danach: Reset A wird abhängig von Lichtintensität entladen Wiederaufladen bei Reset 15 [10]

16 16 Integrierender Auslese Modus

17 Integrierender Auslesemodus Ausgangsspannung proportional zu Integrationszeit und Lichtintensität Zelle NICHT zufällig auslesbar Feste Zykluszeit benötigt 17

18 Logarithmischer Auslese Modus Ständige Messung Spannung an A abhängig von aktueller Lichtintensität 18 [10]

19 19 Logarithmischer Auslese Modus

20 Logarithmischer Auslese-Modus Logarithmische Kennlinie Zufälliger Zugriff auf Zelle möglich Niedriges SNR Großer dynamischer Bereich Langsame Antwortzeit bei niedriger Lichtintensität Flache Ausgangs-Spannung Kennlinie 20

Großer dynamischer Bereich Langsame Antwortzeit bei

21 6. Layout Layout 30µm 21 [10]

22 7. Farbsensor Bisher nur Schwarz-Weiss Sensor Frage: Wie nehme ich Farbbild auf? 1. Mikrolinsen über jedem Pixel => Bayer Pattern 2. Beam-Splitter für jeden Farbkanal => 3 Farbsensoren (RGB) 22

23 Farbsensor Bayer Pattern 23 [9]

24 Farbsensor Beam Splitter: meist bei CCD 24 [11]

25 8. CCD Kamera Sensor 25 [6] January 2001 issue of PHOTONICS SPECTRA Laurin Publishing Co. Inc.

26 Unterschiede CMOS & CCD CMOS Pixel Sensor Complementary Metal Oxide Semiconductor Aktive Pixel Standard CMOS Fertigungsprozess Füllfaktor < 100% CCD Pixel Sensor Charge Coupled Device Passive Pixel Spezieller CCD Fertigungsprozess Füllfaktor = 100% + billig + niedriger Energieverbrauch - Niedrige Qualität im Vergleich zu CCD + hohe Qualität - Teuer - Hoher Energieverbrauch - Shutter benötigt 26

27 9. Spezialanwendungen fps Kamera 2. Teilchendetektoren 27

28 10000 fps Kamera [12] A Frames/s CMOS Digital Pixel Sensor Stuart Kleinfelder, SukHwan Lim 28

29 10000 fps Kamera 29 [12]

30 10000fps Kamera Aufgenommene Bilder 30 [12]

31 Teilchendetektoren Mimosa Besonderheit: 100 % Füllrate 31 [5]

32 Teilchendetektoren Kommerzielle CMOS Sensoren als Teilchendetektoren einsetzbar! Geringe Kosten (0.1 Cent / Pixel ) Hohe Auflösung (1.5µm mit 20µm read-out) Gute Eigenschaften in Magnetfeldern Strahlungsmessung z.b. in medizin. Anwendungen 32

33 10. Beispiel: Micron MT9M413 1,280H x 1,024 V =1,310,720 pixels Pixel Size: 12.0µm x 12.0µm Sensor Imaging Area: H: 15.36mm, V: 12.29mm Diagonal: 19.67mm Frame Rate: (1,280 x 1,024), >10,000fps with partial scan, [e.g (1,280 x 128)] 33 [1]

34 Beispiel: Micron MT9M [1]

35 Beispiel: Micron MT9M [1]

36 11. Zusammenfassung Anwendung: Kameras, Teilchendetektoren Fotodiode: Sperrschicht fotosensitiv, Elektronen werden freigesetzt 2 Auslese-Modi: integrierend, logarithmisch Farbsensor: Meist Bayer Filter 36

37 12. Referenzen [1] Micron MT9M413 data sheet - [2] Canon IXUS [3] VRmagic VrmC3 - [4] Creative WebCam - [5] [6] Vorlesungsskript VLSI-Design [7] January 2001 issue of PHOTONICS SPECTRA Laurin Publishing Co. Inc. [8] Vision Chips, Alireza Moini [9] [10] CMOS active pixel sensor with combined linear and logarithmic mode operation, University of Waterloo [11] [12] A Frames/s CMOS Digital Pixel Sensor, Stuart Kleinfelder, SukHwan Lim [13] Semi Condcutor Devices S.M. SZE 37

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