CMOS Kameras Jan Hegner Universität Mannheim Seminar-Vortrag WS2003/2004
Übersicht 2 1. Anwendungsgebiete 2. CMOS 3. Aufbau Kamerachip 4. Fotodiode 5. Auslesemodi 6. Layout 7. Farbsensor 8. CCD 9. Spezialanwendungen 10. Beispiel: Micron MT9M413 11. Zusammenfassung 12. Referenzen [1] http://download.micron.com/pdf/imaging/techbrief/tb_mi_mv13.pdf
1. Anwendungsgebiete Digitalkameras und Camcorder 3 [2] http://canon.brochurelibrary.com/getfile.php?productid=7309&languageid=6
Anwendungsgebiete Webcams und Platinen-Kameras 4 [4] http://uk.europe.creative.com/products/product.asp?prod=479 [3] http://www.vrmagic.de/files/vrmc3.pdf
Anwendungsgebiete Teilchendetektoren 5 [5] http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~junger/cmos/
2.CMOS NMOS/PMOS Transistor NMOS: leitend bei Gate-Source-Spannung positiv PMOS: leitend bei Gate-Source-Spannung negativ 6 [6] Vorlesungsskript VLSI-Design
3. Aufbau CMOS Kamera Chip [10] 7 [7] January 2001 issue of PHOTONICS SPECTRA Laurin Publishing Co. Inc.
4. Fotodiode Optische Absorption in Silizium Elektron Wärme E Leitung Energie der absorbierten Photonen E Bandlücke E Valenz Loch 8
Fotodiode Optische Absorption 9 [13] Semiconductor Devices
Fotodiode Optische Absorption an einem PN-Übergang + n Verarmungszone p 10 -
Fotodiode Jeder PN Übergang ist eine Foto-Diode 11 [6] Vorlesungsskript VLSI-Design
Fotodiode 12 [8]
Fotodiode 13 [8] Vision Chips, Alireza Moini
5. Aufbau eines Pixels 2 Auslese Modi Integrierender Auslese Modus Logarithmischer Auslese Modus 14
Integrierender Auslese Modus Ladungsmessung nach festem Zyklus Danach: Reset A wird abhängig von Lichtintensität entladen Wiederaufladen bei Reset 15 [10]
16 Integrierender Auslese Modus
Integrierender Auslesemodus Ausgangsspannung proportional zu Integrationszeit und Lichtintensität Zelle NICHT zufällig auslesbar Feste Zykluszeit benötigt 17
Logarithmischer Auslese Modus Ständige Messung Spannung an A abhängig von aktueller Lichtintensität 18 [10]
19 Logarithmischer Auslese Modus
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
6. Layout Layout 30µm 21 [10]
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
Farbsensor Bayer Pattern 23 [9] http://www.peter-cockerell.net:8080/bayer/bayer.html
Farbsensor Beam Splitter: meist bei CCD 24 [11] http://electronics.howstuffworks.com/question362.htm
8. CCD Kamera Sensor 25 [6] January 2001 issue of PHOTONICS SPECTRA Laurin Publishing Co. Inc.
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
9. Spezialanwendungen 1. 10000 fps Kamera 2. Teilchendetektoren 27
10000 fps Kamera [12] A 10 000 Frames/s CMOS Digital Pixel Sensor Stuart Kleinfelder, SukHwan Lim 28
10000 fps Kamera 29 [12]
10000fps Kamera Aufgenommene Bilder 30 [12]
Teilchendetektoren Mimosa Besonderheit: 100 % Füllrate 31 [5]
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
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: 0 500+ fps @ (1,280 x 1,024), >10,000fps with partial scan, [e.g. 0 4000 fps @ (1,280 x 128)] 33 [1]
Beispiel: Micron MT9M413 34 [1]
Beispiel: Micron MT9M413 35 [1]
11. Zusammenfassung Anwendung: Kameras, Teilchendetektoren Fotodiode: Sperrschicht fotosensitiv, Elektronen werden freigesetzt 2 Auslese-Modi: integrierend, logarithmisch Farbsensor: Meist Bayer Filter 36
12. Referenzen [1] Micron MT9M413 data sheet - http://download.micron.com/pdf/imaging/techbrief/tb_mi_mv13.pdf [2] Canon IXUS 400 - http://canon.brochurelibrary.com/getfile.php?productid=7309&languageid=6 [3] VRmagic VrmC3 - http://www.vrmagic.de/files/vrmc3.pdf [4] Creative WebCam - http://uk.europe.creative.com/products/product.asp?prod=479 [5] http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~junger/cmos/ [6] Vorlesungsskript VLSI-Design [7] January 2001 issue of PHOTONICS SPECTRA Laurin Publishing Co. Inc. [8] Vision Chips, Alireza Moini [9] http://www.peter-cockerell.net:8080/bayer/bayer.html [10] CMOS active pixel sensor with combined linear and logarithmic mode operation, University of Waterloo [11] http://electronics.howstuffworks.com/question362.htm [12] A 10 000 Frames/s CMOS Digital Pixel Sensor, Stuart Kleinfelder, SukHwan Lim [13] Semi Condcutor Devices S.M. SZE 37