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CMOS Kameras

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<strong>CMOS</strong> <strong>Kameras</strong><br />

Jan Hegner<br />

Universität Mannheim<br />

Seminar-Vortrag WS2003/2004


2<br />

Übersicht<br />

1. Anwendungsgebiete<br />

2. <strong>CMOS</strong><br />

3. Aufbau Kamerachip<br />

4. Fotodiode<br />

5. Auslesemodi<br />

6. Layout<br />

7. Farbsensor<br />

8. CCD<br />

9. Spezialanwendungen<br />

10. Beispiel: Micron MT9M413<br />

11. Zusammenfassung<br />

12. Referenzen<br />

[1] http://download.micron.com/pdf/imaging/techbrief/TB_MI_MV13.pdf


3<br />

1. Anwendungsgebiete<br />

• Digitalkameras und Camcorder<br />

[2] http://canon.brochurelibrary.com/getFile.php?productid=7309&languageid=6


4<br />

Anwendungsgebiete<br />

• Webcams und Platinen-<strong>Kameras</strong><br />

[4] http://uk.europe.creative.com/products/product.asp?prod=479<br />

[3] http://www.vrmagic.de/files/vrmc3.pdf


5<br />

Anwendungsgebiete<br />

• Teilchendetektoren<br />

[5] http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~junger/cmos/


6<br />

2.<strong>CMOS</strong><br />

� NMOS/PMOS Transistor<br />

� NMOS: leitend bei Gate-Source-Spannung positiv<br />

� PMOS: leitend bei Gate-Source-Spannung negativ<br />

[6] Vorlesungsskript VLSI-Design


7<br />

3. Aufbau <strong>CMOS</strong> Kamera Chip<br />

[7] January 2001 issue of PHOTONICS SPECTRA © Laurin Publishing Co. Inc.<br />

[10]


8<br />

4. Fotodiode<br />

� Optische Absorption in Silizium<br />

Elektron<br />

Loch<br />

Energie der<br />

absorbierten<br />

Photonen<br />

Wärme<br />

E Bandlücke<br />

E Leitung<br />

E Valenz


9<br />

Fotodiode<br />

� Optische Absorption<br />

[13] Semiconductor Devices


10<br />

Fotodiode<br />

� Optische Absorption an einem PN-Übergang<br />

n<br />

Verarmungszone<br />

p<br />

+<br />

-


11<br />

Fotodiode<br />

� Jeder PN Übergang ist eine Foto-Diode<br />

[6] Vorlesungsskript VLSI-Design


12<br />

Fotodiode<br />

[8]


13<br />

Fotodiode<br />

[8] Vision Chips, Alireza Moini


14<br />

5. Aufbau eines Pixels<br />

• 2 Auslese Modi<br />

• Integrierender Auslese Modus<br />

• Logarithmischer Auslese Modus


15<br />

Integrierender Auslese Modus<br />

• Ladungsmessung nach festem Zyklus<br />

• Danach: Reset<br />

• A wird abhängig von Lichtintensität<br />

entladen<br />

• Wiederaufladen bei Reset<br />

[10]


16<br />

Integrierender Auslese Modus


17<br />

Integrierender Auslesemodus<br />

� Ausgangsspannung proportional zu<br />

Integrationszeit und Lichtintensität<br />

� Zelle NICHT zufällig auslesbar<br />

� Feste Zykluszeit benötigt


18<br />

Logarithmischer Auslese Modus<br />

• Ständige Messung<br />

• Spannung an A abhängig von aktueller<br />

Lichtintensität<br />

[10]


19<br />

Logarithmischer Auslese Modus


20<br />

Logarithmischer Auslese-Modus<br />

� Logarithmische Kennlinie<br />

� Zufälliger Zugriff auf Zelle möglich<br />

� Niedriges SNR<br />

� Großer dynamischer Bereich<br />

� Langsame Antwortzeit bei niedriger<br />

Lichtintensität<br />

� Flache Ausgangs-Spannung Kennlinie


21<br />

6. Layout<br />

� Layout<br />

30µm<br />

[10]


22<br />

7. Farbsensor<br />

� Bisher nur Schwarz-Weiss Sensor<br />

� Frage: Wie nehme ich Farbbild auf?<br />

1. Mikrolinsen über jedem Pixel<br />

=> Bayer Pattern<br />

2. Beam-Splitter für jeden Farbkanal<br />

=> 3 Farbsensoren (RGB)


23<br />

Farbsensor<br />

� Bayer Pattern<br />

[9] http://www.peter-cockerell.net:8080/Bayer/bayer.html


24<br />

Farbsensor<br />

�Beam Splitter: meist bei CCD<br />

[11] http://electronics.howstuffworks.com/question362.htm


25<br />

8. CCD Kamera Sensor<br />

[6] January 2001 issue of PHOTONICS SPECTRA © Laurin Publishing Co. Inc.


26<br />

Unterschiede <strong>CMOS</strong> & CCD<br />

<strong>CMOS</strong> Pixel Sensor<br />

Complementary Metal Oxide Semiconductor<br />

� Aktive Pixel<br />

� Standard <strong>CMOS</strong> Fertigungsprozess<br />

� Füllfaktor < 100%<br />

+ billig<br />

+ niedriger Energieverbrauch<br />

- Niedrige Qualität im Vergleich zu CCD<br />

CCD Pixel Sensor<br />

Charge Coupled Device<br />

� Passive Pixel<br />

� Spezieller CCD Fertigungsprozess<br />

� Füllfaktor = 100%<br />

+ hohe Qualität<br />

- Teuer<br />

- Hoher Energieverbrauch<br />

- Shutter benötigt


27<br />

9. Spezialanwendungen<br />

1. 10000 fps Kamera<br />

2. Teilchendetektoren


28<br />

10000 fps Kamera<br />

[12] „A 10 000 Frames/s <strong>CMOS</strong> Digital Pixel Sensor“<br />

Stuart Kleinfelder, SukHwan Lim


29<br />

10000 fps Kamera<br />

[12]


30<br />

10000fps Kamera<br />

� Aufgenommene Bilder<br />

[12]


31<br />

Teilchendetektoren<br />

•Mimosa Besonderheit: 100 % Füllrate<br />

[5]


32<br />

Teilchendetektoren<br />

� Kommerzielle <strong>CMOS</strong> Sensoren als<br />

Teilchendetektoren einsetzbar!<br />

� Geringe Kosten (0.1 Cent / Pixel )<br />

� Hohe Auflösung (1.5µm mit 20µm read-out)<br />

� Gute Eigenschaften in Magnetfeldern<br />

� Strahlungsmessung z.B. in medizin.<br />

Anwendungen


33<br />

10. Beispiel: Micron MT9M413<br />

� 1,280H x 1,024 V<br />

=1,310,720 pixels<br />

� Pixel Size: 12.0µm x 12.0µm<br />

� Sensor Imaging Area:<br />

H: 15.36mm, V: 12.29mm<br />

� Diagonal: 19.67mm<br />

� Frame Rate: 0–500+ fps @<br />

(1,280 x 1,024), >10,000fps<br />

with partial scan, [e.g. 0–4000<br />

fps @ (1,280 x 128)]<br />

[1]


34<br />

Beispiel: Micron MT9M413<br />

[1]


35<br />

Beispiel: Micron MT9M413<br />

[1]


36<br />

11. Zusammenfassung<br />

� Anwendung: <strong>Kameras</strong>, Teilchendetektoren<br />

� Fotodiode: Sperrschicht fotosensitiv,<br />

Elektronen werden freigesetzt<br />

� 2 Auslese-Modi: integrierend, logarithmisch<br />

� Farbsensor: Meist Bayer Filter


37<br />

12. Referenzen<br />

[1] Micron MT9M413 data sheet - http://download.micron.com/pdf/imaging/techbrief/TB_MI_MV13.pdf<br />

[2] Canon IXUS 400 - http://canon.brochurelibrary.com/getFile.php?productid=7309&languageid=6<br />

[3] VRmagic VrmC3 - http://www.vrmagic.de/files/vrmc3.pdf<br />

[4] Creative WebCam - http://uk.europe.creative.com/products/product.asp?prod=479<br />

[5] http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~junger/cmos/<br />

[6] Vorlesungsskript VLSI-Design<br />

[7] January 2001 issue of PHOTONICS SPECTRA © Laurin Publishing Co. Inc.<br />

[8] Vision Chips, Alireza Moini<br />

[9] http://www.peter-cockerell.net:8080/Bayer/bayer.html<br />

[10] “<strong>CMOS</strong> active pixel sensor with combined linear and logarithmic mode operation”, University of Waterloo<br />

[11] http://electronics.howstuffworks.com/question362.htm<br />

[12] „A 10 000 Frames/s <strong>CMOS</strong> Digital Pixel Sensor“, Stuart Kleinfelder, SukHwan Lim<br />

[13] Semi Condcutor Devices S.M. SZE

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