Отношение сигнал/шум (S/N ratio)

Источники возникновения шума несколько различаются для CCD-датчиков и CMOS-датчиков. В общем случае под отношением сигнал/шум понимается величина, равная отношению полезного видеосигнала к уровню шума, выраженная в дБ. Приемлемым отношением сигнал/шум считается величина не менее 50 дБ.

Датчики изображения на основе CMOS "Active-Pixel Sensor" архитектуры

Принципиальной особенностью такой архитектуры (рис.3) является наличие в каждом пикселе помимо фоточувствительного элемента (фотодиода или фотозатвора (рис.4)) активной транзисторной схемы усиления сигнала с фотодатчика, выполненной по CMOS технологии.

Структура типичного цветного CMOS-датчика показана на рис.5.

Она представляет собой кремниевую подложку, на которой расположены фотодиоды, светофильтр и микролинзы. Поток света, проникая через микролинзы, разделяется светофильтрами на синюю, зелёную и красную составляющие, а затем поступает на фотодиоды. Наличие микролинз обусловлено стремлением повысить чувствительность датчика, путем фокусировки большего числа фотонов на фотоэлементе. В CMOS-датчиках используют светофильтр (CFA - color filter array), построенный на основе модели "Bayer", изобретенной фирмой Kodak. Такая модель определяет следующее пространственное расположение цветных элементов фильтра, закрывающих фотодиоды:

GRGRGRGRGR
BGBGBGBGBG
GRGRGRGRGR
BGBGBGBGBG

Рис.5.

Здесь G - зелёный фильтр, R - красный и B - синий.

Следует отметить, что чувствительность цветных датчиков почти в три раза меньше, чем черно-белых. Поэтому в условиях малой освещенности лучше использовать черно-белые датчики изображения (например, в видеокамерах охранных систем).

Для изготовления традиционных CCD-датчиков необходима дорогостоящая производственная база и специализированные технологические процессы. В то же время изготовление датчиков изображения по CMOS-технологии позволяет использовать стандартное промышленное оборудование, которое применяется при производстве более 90% всех существующих микросхем - от процессоров до модулей памяти.

Поскольку современная CMOS-технология позволяет обеспечить высокий уровень интеграции, имеется реальная возможность выпускать однокристальные датчики изображения, обладающие всеми необходимыми функциями для создания видеокамеры на кристалле. Такое решение приводит к значительному снижению стоимости готовой системы, поскольку исключает необходимость применения дополнительных микросхем.

"Active-pixel sensor" (APS) архитектура обеспечивает очень малое энергопотребление CMOS датчиков - почти в 100 раз меньше, чем устройства на CCD-матрицах. Это достоинство особенно ощутимо в устройствах с автономным питанием - ноутбуках, сотовых телефонах, цифровых фотоаппаратах и пр. По своей сути CCD-матрицы - ёмкостные устройства, требующие высоких тактовых частот для достижения приемлемой эффективности переноса заряда, что приводит к значительным энергозатратам (до 2-5 Вт) при необходимости использовать несколько источников напряжения (от 5 до 15В). В отличие от них системы "active-pixel" работают от одного источника напряжения (5В; 3,3В или 2,8В), потребляя от 20 до 150 мВт мощности.

Датчики, изготовленные по APS-архитектуре, обладают высоким быстродействием, что позволяет успешно использовать их в системах машинного зрения и для анализа быстродвижущихся объектов. Например, датчик MT9M413C36STC (рис.6) фирмы Micron (таблица 3) обеспечивает быстродействие до 500 fps (frames per second - кадров в секунду).

Сравнительные характеристики датчиков изображения на основе CMOS "Active-Pixel Sensor" архитектуры

Фирма	Тип прибора	Оптический формат	Разрешение, пикс.	Напр. питания, В	Потребляемая мощность	Размер пикселя, мкМ	Динами ческий диапазон, дБ
Agilent	ADCS-1021	1/4" (Color)	352H x 288V	3.3	150mW @ 30 fps	7.4 x 7.4
ADCS-2021	1/3" (Color)	640H x 480V	3.3	150mW @ 15 fps	7.4 x 7.4
Micron	MT9C133W00ST	1/7" (Color)	352H x 288V	2.8	<45mW @ 30 fps, <30mW @ 15 fps; Standby: <25µW	5.6 x 5.6
MT9C011C11ST	1/5" (Color)	52H x 488V	3.3	55mW @ 30 fps	7.8 x 7.8
MT9V030C12ST	1/4" (Color)	640H x 480V	3.3	<100mW @ 30 fps	5.6 x 5.6
MT9M413C36STC	19.67mm (Color)	1,280H x 1,024V	3.3	<500 mW @ 500 fps; <150 mW @ 60 fps	12.0 x 12.0
Motorola	MCM20014	1/3"	640H x 480V	3.3	215 mW @ 40 fps	7.8 x 7.8
MCM20114	1/4"	668H x 488V	3.3	100 mW @ 30 fps	5.6 x 5.6
MCM20027	1/2"	1280H x 1024V	3.3	250 mW @ 10 fps	6.0 x 6.0
National	LM9618	1/3" (Monochrome)	648H x 488 V	3.3	120 mW	7.5 x 7.5	110dB in non linear mode
LM9627	1/3" (Color)	648H x 488V	3.3	90 mW	7.5 x 7.5
LM9648	1/2" (Color)	1032H х 1288V	3.0	150 mW @ 18 fps	6 x 6
Sharp	LZ34B1B	1/4" (Color)	655H x 493V	2.8	-	5.6 x 5.6	-
Toshiba	TCM8210MD	1/4" (Color)	660H x 492V	2.8	100 mW @ 15 fps	5.4 x 5.4	-

Ввиду того, что в CMOS-датчике фотоприёмник и усилитель находятся в каждом пикселе, преобразование заряда в напряжение производится внутри пикселя. Благодаря этому имеется возможность считывать информацию о состоянии каждого пикселя отдельно, задавая адрес его строки и столбца в двумерном массиве элементов. Также можно получать изображение не со всей матрицы, а только с предварительно заданного региона - "окна". Это позволяет легко выполнять операции масштабирования, увеличения изображения. Возможность задания "окна" для считывания изображения может быть полезна для сжатия изображения, обнаружения движения в кадре или отслеживания передвижения объекта.

CMOS-датчики имеют в сравнении с CCD-устройствами довольно высокий уровень шума. Это вызвано двумя основными причинами:
- разброс характеристик транзисторных схем усиления, имеющихся в каждом пикселе матрицы, приводит к различной реакции пикселей;
- наличие темнового тока утечки.

Для улучшения соотношения сигнал/шум может быть использован цифровой сигнальный процессор (DSP).

По заявлениям фирмы Micron, её датчики изображения, построенные по CMOS-APS архитектуре, имеют средний входной уровень шума, сопоставимый с высококачественными дорогими CCD-матрицами. Специальная схема подавления шумов, реализованная в её датчиках, обеспечивает превосходный динамический диапазон до 75дБ.

Другим недостатком CMOS-технологии является низкая чувствительность. Это вызвано наличием в каждом пикселе помимо светочувствительного элемента схем усиления, шумопонижения и пр. Отношение площади фоточувствительного элемента ко всей площади пикселя в процентах называется "fill factor" (коэффициент заполнения). Большинство CMOS-датчиков имеют "fill factor" не превышающий 75%. В отличие от них, у ССD-датчиков его величина достигает 100%.

В цифровом фотоаппарате EOS-1Ds фирмы Canon использован CMOS-датчик, имеющий около 11.4 миллиона пикселей (4160х2736) и размер активной области 35.8х23.8 мм с размером пикселя 8.8х8.8 мкМ (рис.7).

Благодаря созданию фирмой Sharp цветного CMOS-датчика LZ0P3817 стандартного VGA-формата (655х493 пикселя) с интегрированной фокусирующей линзой (рис.8), появилась прекрасная возможность простого изготовления миниатюрной видеокамеры.

Стоимость современных CMOS-датчиков зависит прежде всего от разрешения матрицы и составляет, например для цветного датчика ADCS-2021 фирмы Agilent всего 7$. Этот прибор содержит следующие устройства (рис.9):

· матрица фотоэлементов разрешением 640H 480V (VGA)

· встроенная схема формирования сигналов управления для матрицы фотодиодов

· 10-битный программируемый АЦП

· индивидуально программируемые усилители красного, зеленого и синего каналов

· параллельный (10-бит) и последовательный порты вывода

· управляющие регистры, программируемые по шине I2С или интерфейсу UART

· интегрированный источник опорного напряжения

Кроме того, датчик ADCS-2021 обладает набором программных возможностей:

· программирование "окна" для считывания изображения начиная с минимальной размерности 4 х4 пикселя и до максимума, когда изображение передается со всей площади матрицы

· программная возможность панорамирования специального окна (минимальной размерностью 4х 4 пикселя), которое может быть расположено в любом месте матрицы датчика

· программирование электронного затвора, управление экспозицией, частотой кадров и скоростью передачи оцифрованного изображения

· программирование горизонтальных и вертикальных сигналов синхронизации

Следует учитывать, что для получения качественного изображения, пригодного для просмотра, информацию с датчика нужно обработать. Существует ряд действий, которые необходимо выполнить с помощью внешнего специализированного устройства (например, DSP LM9704 компании National Semiconductors): устранение дефектных пикселов, корректировка баланса белого, интерполяция светофильтра (устранение мозаичности), сжатие данных для последующей передачи по стандартному интерфейсу (USB и др.).