Senzori optici

SENZORI OPTICI

1. INTRODUCERE.

Senzorii optici sunt astazi folositi pe scara larga in camere de luat vederi, aparate de fotografiat, jucarii inteligente, telefoane celulare, automobile. Oricare ar fi aplicatia in care sunt folositi, acestia au principalul rol de a capta o imagine prezenta in fata obiectivului. Captarea imaginii inseamna furnizarea unui semnal analogic in stricta concordanta cu iluminarea scenei vizionate. In acest sens, scena este virtual impartita intr-o grila de microscene, iar iluminarea specifica fiecare microscene va impresiona cate un senzor optic. Cu cat zona ce impresioneaza un senzor este mai mica cu atat avem nevoie de un numar mai mare de senzori care sa culeaga informatii despre intreaga scena filmata. Numarul total de senzori folositi pentru preluarea unei scene stabileste sensibilitea echipamentului.

Astazi micro-scena corespunzatoare unui senzor de imagine a ajuns extrem de mica, numarul de senzori folositi ajungand la ordinul milioanelor.

Uzual consideram ca fiecare senzor furnizeaza informatie corespunzatoare unui pixel - cea mai mica subdiviziune a unei imagini.

Dupa ce imaginea este captata este necesar ca ea sa fie prelucrata. Semnalul analogic corespunzator imaginii preluate sufera diverse operatii cum ar fi: conversii analog numerice, procesari digitale, codari, compresii, etc. Toate aceste operatii sunt in general realizate de catre mai multe tipuri de circuite integrate specializate, fabricate in diverse tehnologii. Se remarca insa pe plan mondial o inglobare a mai multor astfel de operatii intr-un acelasi chip, fapt care a condus la o reducere drastica a costurilor de fabricatie a echipamentelor

2. SCHEMA BLOC A UNUI SISTEM DE PRELUARE A IMAGINILOR

Schema bloc a unui echipament de captare si prelucrare a imaginilor este prezentata in figura 1.

In momentul de fata exista doua importante tehnologii sub care se produc senzorii optici:

- senzori optici realizati in tehnologia CCD (Charge Coupled Device);

- senzori optici realizati in tehnologia CMOS (Complementary Metal-Oxid Semiconductor).

Avantajele noilor senzori CMOS:

integrarea intr-un acelasi chip si a altor functii pe langa functia de preluare de imagini (conversia analog digitala, obtinerea semnalelor de sincronizare si de tact, obtinerea semnalelor pentru controlul si comanda senzorilor - focalizare, expunere, etc.);

posibiliatea utilizarii pe liniile de productie a acelorasi echipamente de productie ca si in cazul chipurilor CMOS

Consecinta: reducerea costurilor, a puterii disipate (creste durata de utilizare a acumulatorilor la echipamentele portabile) si reducerea dimensiunilor de gabarit ale echipamentului.

In figura 1 se poate remarca diferenta intre o camera TV realizata in tehnologia CMOS si una realizata cu tehnologia CCD, diferenta fiind nivelul de integrare a functiilor specifice.

Totusi, inca cele mai multe echipamente destinate profesionistilor folosesc senzori CCD care, realizati printr-o tehnologia ajunsa la maturitate, au performante net superioare privind:

sensibilitatea (capacitatea de a furniza semnal electric corespunzator scenei filmate chiar si pentru o iluminare foarte scazuta);

timpii indelungati de expunere (furnizarea unui semnal constant pentru o iluminare constanta un timp cat mai indelungat);

zgomot redus

eficienta ridicata (raport intre semnalul furnizat si iluminare)

Senzorii CCD prezinta cel mai ridicat factor de umplere.

Factorul de umplere este definit ca raportul intre suprafata activa a senzorului - folosita pentru preluarea imaginii (partea senzorului care este impresionata de scena filmata) si suprafata totala a senzorului.

In cazul tehnologiei CMOS, o parte din acesta suprafata este acoperita de circuitele electronice ce prelucreaza informatia furnizata de senzor.

SENZORI CCD (CHARGE COUPLED DEVICE)

Principiul dupa care functioneaza senzorii CCD a fost descoperit inca din 1960 dar dispozitivele obtinute au fost initial folosite drept memorii si abia in 1970 s-a demonstrat ca pot fi folosite si pentru captarea imaginilor. Procesul de realizare a senzorilor CCD este asemanator cu cel de realizare al circuitelor integrate. Astfel, dupa o serie de operatii specifice acestei tehnologii se obtin mii de astfel de cipuri pe un disc foarte subtire din Si (siliciu), disc care formeaza asa numita tinta - principala componenta a unui echipament de preluare a imaginilor. Fiecare cip de pe tinta are functia de senzor optic, adica este sensibil la radiatia luminoasa. Atunci cand o radiatie luminoasa ajunge pe suprafata senzorului, in substratul semiconductor apar un numar de electroni liberi care sunt stocati intr-un strat de colectare special. Numarul de electroni liberi noi aparuti depinde direct proportional de intensitatea radiatiei luminoase incidente.

Preluarea unei scene aflate in fata tintei cu senzori optici dintr-un echipament de preluare a imaginilor se face in trei pasi:

- expunerea tintei la lumina provenita de la scena filmata, proces in care intensitatea luminoasa corespunzatoare fiecarui pixel al imaginii (zona din scena filmata ce impresioneaza un senzor optic) este convertita in sarcina electrica (electroni) si stocata la nivelul stratului de semiconductor care formeaza tinta;

- transferul sarcinii, proces in care sarcina acumulata la pasul anterior pentru fiecare pixel este mutata in cadrul substratului de semiconductor al tintei;

- conversia sarcinii in tensiune echivalenta, serializarea tensiunilor analogice corespunzatoare fiecarui pixel si amplificarea acestora cu un amplificator analogic de precizie;

Imaginea filmata este achizitionata atunci cand lumina corespunzatoare scenei, sub forma de fotoni este incidenta pe o arie de senzori optici. Numarul de senzori de pe tinta stabileste numarul de pixeli si deci rezolutia echipamentului de preluare a imaginilor. Energia asociata fiecarui foton este preluata de substratul de material semiconductor al tintei si provoaca aparitia unei perechi electron-gol, asa cum este prezentat in figura 2. Numarul de electroni colectati in stratul de colectare pentru fiecare pixel (senzor) este direct dependent de intensitatea luminoasa si de timpul de expunere, dar depinde, dupa o relatie neliniara, si de lungimea de unda a radiatiei incidente. Astfel, fotonii sunt absorbiti la diferite adancimi in stratul de siliciu depinzand de lungimea de unda a radiatiei. Intotdeauna vor exista deci electroni necolectati deoarece au aparut la adancimi prea mari in stratul de siliciu.

Senzorii CCD functioneaza dupa aceleasi principii de baza ca si dispozitivele MOS. Astfel, structura unui senzor CCD - MOS arata sub forma unui sandwich format dintr-un strat conductor dintr-un material metalic - ce formeaza asa-numita grila G - strat care este dispus peste un strat semiconductor (din siliciu). Intre cele doua strate exista un dielectric (oxid de siliciu).

Aplicand un potential pe electrodul metalic numit grila sau poarta (gate - G) putem schimba potentialul in interiorul substratului. Astfel, aplicand un potential pozitiv pe grila, in substrat vor fi atrasi electronii doar in zona acelei grile si se va forma o asa numita groapa de potential - well, asa cum este sugerat in figura 3.

Practic, in acea zona sunt acumulati acei electroni liberi care au aparut in urma expunerii substratului la radiatia luminoasa.

Electronii pot fi retinuti in acea groapa de potential prin formarea unor bariere de potential, la limitele gropii. Aceste bariere de potential se pot usor forma prin aplicarea pe grilele vecine a unui potential negativ, asa cum este sugerat in figura 3.

In practica, pe suprafata substratului se dispun o multime de porti G, fiecare comandata separat, putandu-se astfel configura sub fiecare poarta fie o groapa de potential, fie o bariera de potential.

Pixelii (si implicit sarcina stocata in gropile de potential) sunt dispusi matricial pe tinta, sub forma de randuri si coloane. Pentru ca informatia privind sarcina stocata corespunzatoare fiecarui pixel sa fie livrata pentru prelucrare ea trebuie preluata mai intai din aceasta matrice. Practic acest lucru se face mutand sarcina asociata pixelilor de pe un rand sau o coloana, rand dupa rand sau coloana dupa coloana catre o margine a tintei. Mutarea se poate face comandand adecvat potentialul grilelor implicate pentru a muta succesiv pozitiile gropilor de potential si a barierelor de potential.

Exista mai multe tehnici pentru aceasta mutare dar trebuie retinut faptul ca nu se poate muta doar sarcina asociata unui pixel ci sarcina asociata tuturor pixelilor de pe randul sau coloana implicata (se lucreaza cu un intreg rand au coloana).

a) Tehnica de transfer 4Ф CCD - patru faze CCD

In cadrul acestei tehnici se utilizeaza un electrod poarta de lungimea unei coloane. Daca se aplica un potential ridicat acestui electrod, sub el se formeaza o groapa de potential ce colecteaza electronii liberi iar daca se aplica un potential negativ se formeza o bariera de potential.

Pentru a defini un pixel prin aceasta tehnica se folosesc 4 astfel de electrozi - porti, asa cum este prezentat in figura 4. Pentru a forma o groapa de potential se aplica un potential pozitiv pe grilele Ф1 si Ф2 si negativ pe Ф3 si Ф4. Astfel se colecteaza electronii liberi corespunzatori pixelului P1 sub grilele Ф1 si Ф2. Daca ulterior potentialele se modifica astfel incat grila Ф1 este negativa, grila Ф2 pozitiva, grila Ф3 pozitiva si Ф4 negativa, sarcina corespunzatoare pixelului P1 este mutata sub griele Ф2 si Ф3.

In acest mod se poate deci deplasa sarcina asociata coloanelor pe directia randurilor.

b) Tehnica de transfer 3Ф CCD - trei faze CCD

Functioneaza similar cu    tehnica 4Ф CCD, cu deosebirea ca exista doar trei grile pentru un pixel iar modul de comanda si deplasarea gropilor de potential (care se latesc si apoi se ingusteaza in deplasarea lor) este prezentat in figura 5.

c) Tehnica de transfer 2Ф CCD - doua faze CCD

Functioneaza similar cu tehnica 4Ф CCD, cu deosebirea ca exista doar doua grile pentru un pixel iar aplicarea potentialului negativ pe grila corespunzatoare se face gradual (in trepte si descrescator producand o bariera de potential gradual, asa cum se poate observa in figura 6). Acest mod de comanda este necesar pentru a evita ambiguitatea legata de sensul de transfer a sarcinii de-a lungul randului. Modul de comanda si deplasarea gropilor de potential este prezentat in figura 6

Arhitectura senzorilor CCD

Din punctul de vedere al arhitecturii, senzorii CCD se impart in:

- senzori CCD - FF cu transfer complet al unui cadru (Full-Frame Transfer);

- senzori CCD - FT cu transfer al unui cadru (Frame-Transfer);

- senzori CCD - IL cu transfer intretesut (Interline).

a) Senzorii CCD - FF sunt realizati pe baza unor fotocapacitoare in care se stocheza o cantitate de sarcina proportionala cu iluminarea senzorului si au cea mai simpla arhitectura, sunt cele mai simple de fabricat si, evident, cele mai ieftine.

Arhitectura acestui senzor, prezentata in figura 7 consta dintr-o serie de fotocapacitoare dispuse intr-o matrice de linii si coloane acoperind o arie data, un registru CCD paralel, un registru CCD serie si un amplificator final.

Imaginea de preluat este proiectata pe matricea de elemente fotosensibile si fiecare element fotosensibil primeste o anumita cantitate de lumina corespunzatoare unei mici partitii a scenei filmate, stocand un numar de e-, proportional cu cantitatea de fotoni incidenti. Un obturator mecanic sau un semnal de strobare al iluminarii scenei filmate obtureaza dupa impresionare matricea de elemente fotosensibile pana cand informatia analogica stocata va fi livrata la iesirea amplificatorului. Informatia analogica de pe fiecare rand este transferata spre registrul serial, rand dupa rand, folosind oricare din metodele de transfer 2 Ф, 3 Ф, 4 Ф prezentate anterior. Registrul paralel trebuie privit ca fiind format din ansamblul randurilor matricii, fiecare rand fiind o celula a sa. Registrul paralel este comandat de un tact care muta informatia din celula in celula (dintr-un rand in urmatorul rand). Astfel, la fiecare interval de tact, cate un rand este livrat in mod paralel in registrul de serializare care apoi serializeaza informatia trimitand-o amplificatorului de iesire. Cand toate randurile au fost incarcate in registrul serial si livrate spre iesire, inseamna ca intreaga informatie despre scena filmata a fost livrata si o noua imagine poate fi preluata de catre elementele fotosensibile.

b) Senzorii CCD-FT sunt foarte asemanatori cu cei CCD-FF iar arhitectura este prezentata in figura 8. Deosebirea apare in constituirea unei arii separate in care se transfera rapid intreaga informatie analogica corespunzatoare cadrului filmat.

In cazul CCD-FT nu mai este nevoie de opturator sau semnal de strobare care sa conserve informatia cu privire la scena filmata pe durata transferului spre iesirea amplificatorului. De aceea aceasta metoda prezinta avantajul ca se pot prelua mult mai multe imagini intr-un acelasi interval de timp comparativ cu cazul precedent. Totusi, datorita timpului diferit de zero al transferului paralel, aceasta informatie se poate altera daca compozitia scenei se modifica putin pe durata transferului. Acesta modificare inerenta a continutului informatiei pe durata transferului afecteaza calitatea imaginii, aparand efectul de imagine patata sau mazgalita (smear image). Deoarece este necesara o suprafata dubla cu elemente fotosensibile pentru o aceeasi rezolutie, acest tip de sensor prezinta rezolutii mai mici. El poate prelua imagini cu o dinamicitate mult mai mare dar are si un cost mai ridicat.

c) In cazul senzorilor CCD-IL, se folosesc atat fotocapacitoare (sub forma de zone dreptunghiulare) cat si fotodiode (sub forma de benzi verticale) pentru fiecare pixel, asa cum este prezentat in figura 9.

Practic, in cazul senzorilor CCD-IL, structura fiecarui element fotosensibil este oarecum dublata, existand un element fotosensibil care este impresionat de scena filmata si un element insensibil la lumina (sau protejat impotriva fotonilor incidenti) care preia imediat informatia acumulata in elementul fotosensibil. Dupa transferul pixel cu pixel, informatia este livrata la iesire printr-una dintre metodele descrise anterior, iar pe durata transferului paralel/serial, o noua scena impresioneaza matricea de elemente fotosensibile. Evident metoda imbunatateste mult calitatea imaginii, minimizand efectele de mazgalire sau patarea a imaginii. Arhitectura este insa complexa, de mai mica sensibilitate (apertura senzorului este aproape injumatatita) si cost ridicat comparativ cu senzorii CCD-FF

Preluarea imaginilor in culori

Senzorii CCD sunt in esenta senzori ce redau imagini in nuante de gri. O prima metoda de obtinere a imaginilor in culori consta in utilizarea unor filtre de culoare (care lasa sa treaca doar radiatia luminoasa corespunzatoate uneia dintre cele trei culori fundamentale R (Red), G (Green) sau B (Blue). Astfel scena filmata este preluata de trei ori, de fiecare data fiind filtrata printr-unul din aceste trei filtre. Filtrele, dispuse in fata senzorilor se schimba succesiv. Evident metoda este lenta si adecvata imaginilor statice sau putin dinamice. Totusi, avantajul acestei imagini este faptul ca rezolutia poate ramane egala cu cea a imaginii alb-negru.

O a doua metoda consta in folosirea unei prisme care livreaza aceeasi imagine pe trei directii diferite catre trei tinte diferite cu senzori CCD. In fata fiecarei tinte se afla cate un filtru pentru una din cele trei culori fundamentale. Avantajul sistemului consta in conservarea rezolutiei si vitezei ca si la sistemul alb-negru insa complexitatea si evident costul cresc foarte mult.

O ultima metoda foloseste crearea de filtre de culoare direct pe chip, deasupra elementului fotosensibil, in cadrul aceluiasi proces tehnologic la care se adauga doar operatii suplimentare. Aceasta metoda este cea mai moderna si ofera cele mai bune performante. Evident, rezolutia scade de 3 ori fata de sistemul alb-negru deoarece sunt necesari trei pixeli pentru a forma informatia corespunzatoare unui pixel de culoare.

SENZORI C-MOS (COMPLEMENTARY METAL-OXIDE SEMICONDUCTOR)

Senzorii de imagine C-MOS pot fi clasificati in doua categorii:

senzori pasivi C-MOS (PPS - Passive Pixel Sensor);

senzori activi C-MOS (APS - Active Pixel Sensor).

a) Senzori de imagini C-MOS pasivi

Schema de principiu a unui astfel de senzor este prezentata in figura 10 si contine o fotodioda, ca element fotosensibil si un tranzistor C-MOS, notat TX.

Capacitatea echivalenta formata din capacitatea fotodiodei impreuna cu capacitatea grila - sursa este folosita pentru stocarea sarcinii create in substratul fotodiodei de electronii care apar datorita fotonilor incidenti. Evident ca sarcina acumulata este direct proportionala cu intensitatea luminoasa corespunzatoare acelui pixel.

Informatia analogica astfel stocata este livrata catre un amplificator, pixel dupa pixel, prin activarea liniilor si coloanelor corespunzatoare, asa cum este prezentat in figura 11. In primele variante exista doar un singur amplificator de iesire, dar echipamentele moderne utilizeaza cate un amplificator pentru fiecare coloana si multiplexarea ulterioara a semnalelor provenite de la coloane.

In fig. 12 se poate urmari transferul informatiei analogice corespunzatoare unui pixel spre iesire. Pe durata cat randul N nu este selectat, sarcina datorata electronilor creati de fotonii incidenti se stocheza in capacitatea echivalenta a structurii conectate la randul N. Un semnal de reset deschide tranzistorul Reset pentru a descarca condensatorul de pe reactia AO. Odata ce randul N este selectat, deoarece apare o diferenta de potential corespunzatoare sarcinii stocate, un curent se va inchide prin condensatorul integrator Cint si tranzistorul selectat, compensand sarcina negativa stocata.

Curentul de incarcare este proportional cu sarcina stocata (deci cu iluminarea pixelului selectat). Aceasta informatie ajunge la Cint si apoi este livrata la iesirea circuitului unde un CNA o transforma intr-un semnal numeric. Dupa aceasta, un nou semnal RESET descarca Cint si un nou pixel poate fi selectat.

Aceasta structura ce foloseste senzori pasivi sufera de o serie de dezavantaje datorate sarcinii capacitive foarte mari.

Astfel, pe durata citirii pixelului, bus-ul de coloana este conectat permanent la capacitatea de stocare, constanta RC rezultata este mare si astfel timpul de transfer este mare, de asemenea, citirea facandu-se lent. Mai mult, semnalul livrat la iesire are o componenta de zgomot mult mai mare decat cea corespunzatoare senzorilor CCD (de 20-30 de ori mai mare).

Totusi acest tip de senzor are cel mai bun factor de umplere (fill factor).

b) Senzori de imagini C-MOS activi

Senzorii C-MOS activi sunt caracterizati de faptul ca exista la nivelul fiecarui pixel un amplificator care preia informatia privind sarcina stocata. Acesti senzori prezinta insa un factor de umplere (fill factor) de doar 50-70% fapt care conduce la scaderea sensibilitatii dar au, in acelasi timp, si un zgomot mai redus si o sarcina capacitiva (ce determina constanta RC) mica. Exista mai multe tipuri de senzori activi C-MOS, diferind de tipul elementului fotosensibil Astfel intalnim senzori cu fotodiode, cu fototranzistoare si cu fotodiode PIN (diode p+np).

Schema de principiu a unui senzor ce foloseste o fotodioda este prezentata in figura 13. In aceasta figura, tranzistorul RS este cel ce primeste comanda de selectie a randului iar tranzistorul SF (source-follower) actioneaza ca un buffer pentru a izola nodul de celelalte aflate pe aceeasi coloana.

Tranzistorul care este comandat de semnalul de reset controleaza timpul de integrare. Citirea fiecarui pixel se face tot pe fiecare coloana in parte dar in acest caz, fiecare coloana este conectata la un circuit cu dubla esantionare - CDS (Correlated Double Sampling Circuit).

Circuitul CDS culege pentru fiecare imagine filmata doua informatii de la fiecare pixel. Astfel, functionarea senzorului cuprinde doua faze importante:

1. Faza de reset - pe durata acestei faze se activeaza semnalul RESET si tranzistorul permite incarcarea capacitatii echivalente a fotodiodei cu o tensiune de reset ce este citita de circuitul CDS prin activarea semnalului RS. Scopul acestei citiri consta in dorinta de a elimina toate influentele legate de geometria diferita a pixelilor, zgomotul datorat nivelului de negru (electronii emisi chiar si in cazul scenei complet intunecate) si zgomotul 1/f al circuitului electronic (se citeste practic tensiunea inititiala de la care va incepe incarcarea)

2. Faza de citire - este faza in care fotodioda expusa la lumina si incarcata cu o sarcina corespunzatoare este descarcata la curent constant si citita in acelasi mod ca si senzorul pasiv, printr-o noua activare a semnalului RS.

Toti pixelii de pe un rand sunt resetati simultan si apoi cititi simultan, adica un intreg rand este procesat odata. Randurile sunt insa apoi procesate succesiv.