CMOS-sensor

CMOS-sensor on CMOS-pooljuhtstruktuuriga pildisensor, mis muundab sellele pealelangeva valguse elektrisignaaliks. Erinevalt sellele eelnenud CCD-sensorile, toimub footonite muundamine elektrisignaaliks (pinge) lokaaselt pildielemendi ehk piksli sees. Tänapäeval on üldiselt kasutusel aktiivpikselsensorid (APS) ehk piksli siseselt toimub ka signaali ehk pinge võimendamine võimendustransistoriga. CMOS-sensori iga piksel koosneb fotodioodist ja ühest või rohkemast transistorist. Pikslites tekkinud signaali saab pildimaatriksist välja lugeda individuaalseid piksleid adresseerides. CMOS-sensorid on tänapäeval kasutuses peaaegu kõikides turul saadavates seadmetes, millel on video- või pilditegemise võimalus (nutitelefoni kaamerad, veebikaamerad, video-fotokaamerad jne). Tänapäeva pildisensorite olemasolu tegi võimalikuks isoleeritud paisuga väljatransistori (MOSFET) leiutamine Mohamed M. Atalla ja Dawon Kahng poolt 1959. aastal. Sellele järgnes CMOS-i leiutamine Chih-Tang Sah ja Frank Wanlassi poolt 1963. aastal, mis on võtme tehnoloogia CMOS-sensorite juures. Veel üks oluline elektroonika komponent modernse CMOS-sensori juures on kaetud fotodiood (ingl Pinned Photodiode), kus siis pn-siirdele on lisatud veel üks aukjuhtuvse (p) kiht, mis võimaldab kiiremat laenguedastust, väiksemat müra ja kõrgemat kvantsaagist. Maetud fotodiood leiutati Jaapanis 1980. aastal. Esimene CMOS-sensor nagu me seda tänapäeval tunneme valmistati 1993. aastal Ameerika Ühendriikides NASA Jet Propulsion Laboratory's (JPL). Selle arendust vedas Eric Fossum. See võimaldas igast pikslist eraldi signaali mahalugemist, kuid lokaalselt võimendust sellel veel ei olnud. 1995. aastal integreeriti JPL-is CMOS-sensorile kaetud fotodiood. Suuresti tänu 1995. aastal loodud Photobit Corporation'ile jõudis CMOS-sensor laialdasemalt turule ja uue aastatuhande alguseks olid CMOS-sensorid kasutusel juba mitmetes lihtsamates ja odavamates kaamerasüsteemides. CMOS-sensori võidujooksule aitas kaasa ka video- ja filmitööstuse üleminek CMOS-sensoritele, sest üha suureneva pikslite arvuga muutus CCD-sensoritega töötamine väga energiakulukaks ja see viis ka kaamerate ülekuumenemiseni. 2009. aastal tõi Sony turule tagantvalgustatud CMOS-sensori, mis tähendas, et pikslis olev muu elektroonika ei seganud enam valguse kogumist. See võimaldas CMOS-sensoritel olla tundlikumad kui inimsilm. Olles pildisensor saab CMOS-sensoriga mõõta sellele pealelangeva valguse ehk elektromagnetkiirguse intensiivsust. Sensor koosneb mitmest väiksemast pildielemendist (pikslist), millest iga üks tegeleb individuaalselt kiirguse intensiivsuse mõõtmisega. Elektromagnetkiirgus paistes CMOS-sensori peale põhjustab selle pikslis olevas fotodioodis fotoefekti, mille tulemusena tekib fotodioodis kiirguse intensiivsusega võrdeline kogus vabu laengukandjad. Laengut kogutakse säriaja jooksul kondensaatorisse. Laadunud kondensaator omab laengu kogusele vastava pinge ning seda võimendatakse võimendustransistoriga. Seejärel teostatakse välise vooluringiga pikslist signaali mahalugemine, mida võidakse veel omakorda võimendada, ja analoog-digitaalmuunduriga signaali digitaliseerimine. Viimasena lähtestatakse piksel ehk eemaldatakse laeng pikslist, et see oleks järgmiseks särituseks uuesti valmis. See protsess käib tavaliselt ridahaaval, mida nimetatakse ka veerevaks katikuks (ingl Rolling shutter). CMOS-sensori iga piksel on oma ehituset identne, kuid erinevates sensorites võib leiduda erinevaid piksli ülesehitusi. Piksli ülesehitust kirjeldatakse selles oleva fotodetektori ja transistoride arvu järgi. Levinud on notatsioon „nT“, kus n on transistoride arv ja T on transistor. Üldiselt tähendab rohkemate transistoride arv pikslis seda, et see võimaldab suuremat funktsionaalsust või paremat kontrolli mürade üle, kuid iga lisanduva transistoriga lisandub ka ülesehitusele keerukust ja rohkem komponente tähendab ka suuremaid piksleid. 3T on kõige lihtsam lokaalse võimendusega piksli ülesehitus. Selles on fotodiood, võimendustransistor, lähtestamise transistor ja rea valimise transistor. Säritamisel sulgetakse lähtestamise transistor ning fotodioodis tekkinud laeng koguneb kondensaatorisse. Kogunenud laengust põhjustatud pinget võimendatakse võimendustransistoriga ning seejärel suletakse rea valiku transistor, millega kandub võimendatud pinge veerusiinile. Edasi registreeritakse veerusiinil olev pinge juba pikslivälise elektroonikaga. 3T ülesehituses kasutatakse tavalist pn-siirdega fotodioodi, kuid leidub ka kaetud fotodioodega CMOS-sensoreid. Kaetud fotodioodi abil saab vähendada soojuslikul toimel tekkinud laenguid ehk pimevoolu. Üks probleem, mis esineb 3T pikslitega on katikuviivis (ingl shutter lag), mis tähendab seda, et kui teha pilti mingist eredast valgusallikast ja seejärel teha kohe uuesti pilti, siis piksel ei jõua vahepeal täielikult tühjeneda ja eelmise pildi kujutis võib esineda ka järgmisel pildil. Lisaks on 3T pikslitega CMOS-sensor sunnitud töötama veereva katiku režiimis, sest peale säritust tuleb signaal pikslist kohe maha lugeda ning seejärel piksel lähtestada ehk ei ole võimalik kuidagi signaali pikslisse talletada. 4T on edasiarendus 3T ülesehitusest, millele on juurde lisatud laengu edastamise transistor, mis paikneb kaetud fotodioodi ja võimedustransistori paisu vahel. Säritamise ajal on laengu edastamise transistor suletud ehk laeng koguneb kaetudf otodioodile ja särituse lõppedes avatakse laengu edastamise transistor, millelt kandub laeng võimendustransistori paisule. Edasine toimub sarnaselt 3T ülesehitusele. Kaetud fotodioodi ja laengu edastamise transistori kasutamine võimaldab täielikult tühjendada fotodioodi ala ja seetõttu saab vähendada müra ning katikuviivist. 5T on samuti edasiarendus 4T ülesehitusest, millel on juurde lisatud globaalne lähtestamise transistor, mis on ühendatud fotodioodi külge. See võimaldab eraldi tühjendada fotodioodi, mis teeb omakorda võimalikuks globaalse katiku kasutamise ehk peale iga pikslirea lugemist ei pea enam pikslit kohe tühjendama. 5T arhitektuuri kasutatakse enamasti kõrgtaseme CMOS-sensorites, mis on mõeldud teaduslikeks mõõtmisteks (nt sCMOS). Iga pildisensori juures on oluliseks parameetriks täitetegur (ingl fill factor), mis on sisuliselt pikslis valgustundliku osa ja kogu piksli suuruste suhe. Täitetegur määrab ära, kui palju pikslile pealelangevast valgusest on kasulik valgus. Näiteks kui täitetegur oleks 50%, siis 50% kogu pealelangevast valgusest läheks kaotsi. Kuna CMOS-sensori pikslis on lisaks fotodioodile veel mitmeid teisi elektroonika komponente, siis iga komponedid lisandumisega väheneb piksli täitetegur. See on tõsi eest valgustatud pikslite puhul, sest fotodiood asub tavaliselt substraadis sügavamatel kihtidel kui muu elektroonika ja seetõttu ei pääse valgus fotodioodile ligi. Eest valgustatud pikslitel saab täitetegurit parendada, lisades selle peale mikroläätse, mis suudab koondada valgust rohkem fotodioodile. Selle probleemi vältimiseks on välja töötatud tagant valgustatavad pikslid, kus piksli alust substraadi kiht õhendades on võimalik pikslit valgustada nii öelda tagant poolt, mis tähendab, et fotodioodi ja pealelangeva valguse vahel on vähem segavaid kihte. Veel lisaks saab ka tagant valgustatud pikslile lisada mikroläätse, mis võimaldab tõsta piksli täitetegurit üle 90%. CMOS- ja CCD-sensorite üldine tööpõhimõte on üpriski sarnane ehk mõlemas toimub fotodioodiga pealelangeva valguse muundamine valguse intensiivsusele vastavaks signaaliks ning hiljem igast pikslist signaali mahalugemine, kuid kogu protseduur, mis jääb nende kahe sammu vahele on pildisensoritel väga erinev. Kõige suurem erinevus CMOS- ja CCD-sensoritel on elektrilaengu pingeksmuundamine ja saadud elektrisignaali mahalugemine pikslitest. CMOS-sensori tööpõhimõtet on juba kirjeldatud, aga CCD-sensori puhul ei ole võimalik üksikuid piksleid aadresserida ja nendest signaali maha lugeda. CCD-sensoris toimub kogu elektrilaengu pingeks muundamine ja selle võimendamine pikslimaatriksi ääres ehk elektrilaengud kantakse järgemööda ühest pikslist teise ning ääres olevatest pikslitest kantakse elektrilaeng edasi välisesse vooluringi, kus toimub signaali võimendamine ja digitaliseerimine. Erinevus on ka mõlema sensoritüübi tootmisprotsessis, mis väljendub sensorite omadustes. CMOS-sensori puudujäägid võrreldes CCD-sensoriga: Pikslis on muud elektroonikat peale valgustundliku osa, mis teeb piksli vähem valgustundlikumaks. Lisaks on CMOS-i tootmisprotsessi tõttu keeruline lisada pikslile mikroläätsesid, mis suurendavad valguse kogumise efektiivsust (vähem signaali). Igal pikslil on oma võimendus, mis tähendab, et tootmisvigade tõttu võivad pikslite võimendused varieeruda (rohkem müra). Enamasti toimub signaali mahalugemine ridahaaval, mis võib moonutada kiiresti liikuva objekti kujutist. CMOS-sensori eelised võrreldes CCD-sensoriga: CMOS tehnoloogia võimaldab saavutada väga väikest voolutarvet. Igat pikslit saab eraldi aadresseerida ja võimendus toimub piksli sees. Lisaks ei ole vaja lugeda maha tervet kaadrit, vaid saab selektiivselt valida kaadrialasid, mida lugeda (kiire mahalugemine). CMOS-sensorid ei vaja erilisi tootmisprotseduure ja kogu elektroonika saab teha ühele kiibile (odav). Küllastunud pikslitest ei leki laenguid kõrvalpikslitesse (ingl Blooming). CCD-sensorid leiavad tänapäeval kasutust enamasti teadusinstrumentides, sest nendega on võimalik teha kvaliteetsemaid mõõtmisi, kuid viimastel aastatel on esile kerkinud sCMOS-sensorid, mis on ette nähtud just teadusmõõtmisteks. Praegu osatakse valmistada sCMOS-sensoreid, mis toodavad parema kvaliteediga pilte kui CCD-sensorid. CMOS-sensorid on kasutusel peaaegu kõikides tavatarbijale mõeldud toodetes (nutitelefonid, veebikaamerad ja video-fotokaamerad). Pildisensor CCD-sensor E. R. Fossum,“Active pixel sensors: Are CCDs dinosaurs?” kogumikus Charge-Coupled Devices and Solid-state Optical Sensors III, M. M. Blouke, eds. (SPIE Proceedings Vol. 1900, 2-12, 1993). " Paolo Vasta. "CMOS Technology Brings New Opportunities for Consumer Imaging". Photonics Media (inglise). Photonics Media. Vaadatud 29.04.2020. "1960: METAL OXIDE SEMICONDUCTOR (MOS) TRANSISTOR DEMONSTRATED" (inglise). Computer History Museum. Vaadatud 29.04.2020. "1963: COMPLEMENTARY MOS CIRCUIT CONFIGURATION IS INVENTED" (inglise). Computer History Museum. Vaadatud 29.04.2020. E. R. Fossum and D. B. Hondongwa. "A review of the pinned photodiode for ccd and cmosimage sensors".IEEE Journal of the Electron Devices Society, 2(3):33–43, 2014. " "CMOS Sensors Enable Phone Cameras, HD Video" (inglise). NASA SPINOFF. Vaadatud 29.04.2020. "Imaging and Sensing Technology" (inglise). Sony Semiconductor Solutions Group. Originaali arhiivikoopia seisuga 18.05.2020. Vaadatud 29.04.2020. Coath, R & Godbeer, Adam & Wilson, Matthew & Turchetta, Renato,"Advanced Pixel Architectures for Scientific Image Sensors", 2009. G. C. Holst, T. S. Lomheim , CMOS/CCD Sensors and Camera Systems, (SPIE, Washington, 2011) "A comparision between back and front illuminated sensors" (inglise). Scientist Live. Vaadatud 1.05.2020. "Imaging Electronics 101: Understanding Camera Sensors for Machine Vision Applications" (inglise). Edmund Optics. Vaadatud 29.04.2020.