Trends bei CMOS-Bildsensoren
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Das Pixel
Um ein Maximum an Empfindlichkeit zu erzielen, muss die Fotodiode, welche das einfallende Licht in eine Spannung umwandelt, so klein wie möglich sein, sodass die parasitäre Kapazität möglichst gering ist. Darüber hinaus muss der Füllfaktor des Pixels, das heißt der Anteil der lichtempfindlichen Fläche an der Gesamtfläche des Pixels, möglichst groß sein. Beide Forderungen lassen sich mit einem speziellen P-Well-Pixel in Kombination mit einer PWell- Öffnung um die Fotodiode herum realisieren. Abgesehen von hoher Empfindlichkeit kommt es auch auf einen Pixel-Speicherkondensator an, welcher das Rauschen nicht erhöht, gut vom einfallenden Licht abgeschirmt ist und einen geringen Leckstrom aufweist. Diese Pixelarchitektur liefert sehr gute Ergebnisse hinsichtlich der Speicherung des Pixelsignals während des Auslesens. Als wichtigster Nachteil dieser Struktur ist die fehlende Korrektur des Fixed-Pattern-Rauschens im Pixel anzuführen, die somit außerhalb des Bildsensors vorgenommen werden muss.
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Immer schneller
Das Kriterium für die Geschwindigkeit eines Bildsensors ist das Produkt aus Auflösung und Frame-Rate, also die Pixelrate des Sensors. Im Bereich der anspruchsvollsten Hochgeschwindigkeitsbildsensoren kann dieser Wert nicht hoch genug sein. Auf diesem Markt sind die Kunden durchaus bereit, Kameras hoher Komplexität zu bauen, solange nur die angestrebte Vollframe-Rate erzielt wird. Bild 3 gibt das Bild einer typischen Hochgeschwindigkeitsanwendung (Crashtest) wieder.
Derart hohe Geschwindigkeiten lassen sich nur mit mehreren (bis zu 128) parallelen Analogausgängen erreichen, was wiederum eine Herausforderung für die Integration des Kamerasystems mit sich bringt. Die Architektur eines Bildsensors dieser Art ist dabei recht einfach. 6T-Pixel ergeben ein Pixel-Array, das optional in Quadranten unterteilt ist. Hinzu kommen mehrere parallele High-Speed-Busse und parallele Ausgangsverstärker zum Ansteuern der Ausgänge.
Diese Chips enthalten keine A/D-Wandler, Sequencer oder andere eingebaute Bildverarbeitungskomponenten. Die in Chipbreite angelegten analogen Busse gewährleisten, dass sämtliche parallele Ausgänge unabhängig davon genutzt werden können, wie groß das jeweils ausgelesene Teilbild in X-Richtung ist. Damit ist es möglich, die Frame- Rate durch Auslesen von Teilbildern zu erhöhen.
Geister austreiben
Ein wichtiger Aspekt im Zusammenhang mit sehr schnellen Bildsensoren dieser Art ist das Entstehen von »Geisterbildern« in X-Richtung. Ursache hierfür sind die relativ hohen RC-Konstanten der chipbreiten analogen Busse. Da es lange dauert, bis sich die Signale auf den Bussen auf 10 Bit Genauigkeit eingeschwungen haben, kann es passieren, dass ein Teil der Information des vorigen Pixels in das aktuelle Pixel durchschlägt und zu solchen Geisterbildern führt. Dieser Effekt lässt sich im Zuge der anschließenden Bildverarbeitung nur schwer korrigieren. Cypress hat deshalb für Bildsensoren dieser Bauart eine spezielle Architektur entwickelt, in welcher die Busse kurz vor jedem neuen Signal auf eine definierte Ladung gebracht werden. Dadurch ist sichergestellt, dass jegliche aus vorigen Pixeln verbliebenen Informationen gelöscht werden. Voraussetzung für diese Technik ist, dass kurze Vorlade-Impulse erzeugt werden, welche den analogen Bus zur Masse kurzschließen.
