CMOS イメージ センサー - ピクセル設計の基礎

今回は、CISQ の最も重要な部分であるピクセルについて話しましょう。ほぼすべての CIS 性能指標は、最終的にはピクセル設計の品質によって決定されると言えます。このように言い換えましょう。読み出し回路の設計がイメージ センサーの性能の下限を決定し、ピクセルの設計がイメージ センサーの性能の上限を決定します。
ピクセルには次のような多くの種類があります。
1. 最も一般的に使用される可視光は、3T、4T、および 5T ピクセルです。グローバル シャッター (GS、Global Shutter)、ハイ ダイナミック レンジ (HDR、HighDynamic Range) などの機能をさらに追加したい場合は、さらにトランジスタを追加する必要があります。
2. X 線はフォトンカウンティングの CTIA ベースのピクセルに使用されます。
3. イベントセンサー用の DVS ピクセル。
4. 3D イメージングに使用される SPAD ピクセルは、dToF (直接飛行時間型) として使用されることが多く、iToF (間接飛行時間型) の復調ピクセルとしてもよく使用されます。5. 別の例は、赤外線直接注入、CTIA など、ボロメータの抵抗測定のピクセルを使用します。
その他、TDI画素、CCD2/3/4相画素等があります。

大きなカテゴリに対して数十種類のピクセルを用意しています。人間が設計したピクセルをすべて列挙すると、その種類は数百、数千にもなるでしょう。したがって、これらすべてのピクセルを入力することは不可能です。世界中の CMOS イメージ センサー Q (>95%) の大部分は可視光の 2D イメージングに基づいているため、ここでは 3/4/5T ピクセルのみに焦点を当てます。さまざまな会社で働いたり、フルカスタムデザインを行う機会がある場合は、より興味深いものに触れてください。

まず、シャッターという概念を理解しましょう。シャッターは、ピクセルに入る光の量と方法を決定し、それによって画質も決まります。シャッターは機械シャッター(Mechanical Shuter)と電子シャッター(Electronic Shutter)に分けられ、電子シャッターはローリングシャッター(Roling Shuter)とグローバルシャッター(Global Shutter)に分けられます。

メカニカルシャッターは2枚のシャッター羽根で構成されています。露光前に1枚目のブレードでセンサー全体を覆い、その後ブレードを上から下に外し、露光開始後に2枚目のブレードを上から下に出すのが一般的です。、センサー全体をブロックすると、露光が終了します。これら 2 つのブレードの移動速度は非常に速く、最大時速 35 km 近くにも達します。つまり、35mmフルフレームカメラの場合、ブレードによりセンサーは約1/400秒で露光を開始または終了できるため、すべてのメカニカルシャッターは「ほぼ」グローバルシャッターであると言えます。では、メカニカルシャッターはどのようにしてより速い露光時間を実現するのでしょうか?これは比較的「単純」です。つまり、最初のブレードが完全に開いていないとき、2 番目のブレードはすでにブロックするために下降し始めています。もちろん、これには制限があり、最速は約 1/8000 秒です。より高速な速度を求める場合は、電子シャッターが必要です。

下の写真のように、電子シャッターにおけるローリングシャッターとグローバルシャッターの違いがわかります。ローリング シャッターの場合、ピクセルの各行の露光時間は、少なくともピクセルの 1 行の読み取り時間だけ離れています。たとえば、行の読み取りに 10 マイクロ秒かかり、ピクセルが 1000 行ある場合、ピクセルの最初の行とピクセルの最後の行の露光が開始され、終了時間は約 10 ミリ秒離れています。そのため、スポーツ物理学の撮影時には次のようになります。 、画像が大幅に歪みます。これに応じて、グローバル シャッターは、すべてのピクセルの露光開始時間と終了時間が同じであることを意味します。