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