Beeldsensoren

Er zijn twee soorten beeldsensoren : CCD en CMOS.

Beide sensoren bevatten duizend tot miljoenen lichtgevoelige eilanden of pixels (picture elements).

CCD en CMOS voeren in grote mate dezelfde bewerkingen uit.

1. Licht naar lading conversie.

In de fotogevoelige zone van elke pixel wordt het licht dat door de cameralens wordt geconcentreerd, omgezet in elektronen en verzameld in een halfgeleider-“emmer”

2. Ladingaccumulatie.

Zo lang er licht valt op de pixel, groeien de elektronen in aantal in de emmer.

3. Transfer.

De geaccumuleerde lading elektronen verlaat de fotogevoelige zone

4. Lading naar spanning conversie.

De geaccumuleerde lading moet worden omgezet naar een spanning.

5. Versterking.

De lading naar spanning conversie levert een zwakke spanning op.

Versterking van het signaal is nodig voor de verdere verwerking in het camera circuit.

CCD en CMOS voeren al deze stappen uit maar verschillen in de volgorde van de uitvoering.

CCD sensoren verplaatsen de emmer met elektronenlading via een verticaal shift register, naar een horizontaal register. De elektronenlading worden als een emmerbrigade doorgegeven. (Bucket brigade).

CMOS sensoren zetten de elektronenlading eerst om in een spanning alvorens het de pixel verlaat. Elke pixel heeft een versterker. Na versterking wordt het signaal getransfereerd door microgeleiders.

Binnen in de CCD Sensor

1. Een CCD heeft duizenden tot miljoenen pixels. Elke beeldelement heeft een fotogevoelige zone (fotosensor) die het invallend licht omzet in elektronen. De fotosensor werkt als een emmer die water opvangt

2. Tussen de kolommen fotosensoren bevindt zich het verticaal register. Het verticaal shiftregister bestaat uit halfgeleider-emmers gekoppeld in een verticale lijn. Het shiftregister is een Charge Coupled Device en geeft de betekenis aan CCD.

3. Tijdens een verticale sync interval worden alle geaccumuleerde ladingen, simultaan getransfereerd naar het bijhorende shiftregister. De fotosensor, is als een dam met een stuwklep. De stuwkleppen van alle dammen worden gelijktijdig geopend. Alle opgehouden water vloeit op hetzelfde tijdstip.

4. De timing van de ladingtransfer hangt af van de framerate van de camera.

De framerate van een videobeeld is 1/50.

Elke 1/50 seconden hebben we de lading van een fotosensor nodig.

5. Elke lading schuift door naar het verticale shift register met een timing die bepaalt wordt door de horizontale (lijn) scanningsfrequentie (625 lijnen x 25 fields is  1/15625 voor PAL)

Binnen in de CMOS Sensor

Een CMOS heeft duizenden tot miljoenen pixels.

Elke pixel bestaat uit een fotosensor, een versterker en een pixel select switch.

De fotosensor zet het licht om in elektronen. De elektronen worden geaccumuleerd tot een lading zoals een emmer het water opvangt.

De lading elektronen wordt omgezet naar een spanning en versterkt voor transfer door de microgeleiders.

De microgeleiders kunnen het signaal van slechts één pixel tegelijk transporteren. Dit wordt gecontroleerd door de pixel select switch en de kolom select switch.

Hierdoor worden de pixels lijn per lijn, van links naar rechts, uitgelezen

Dwarsdoorsnede CCD

De Hole Accumulated Layer is een dopering in het silicum die er voornameijk voor zorgt dat de electronen, opgewekt door het licht, binnen blijven.

Blooming en smear behoren hierdoor tot het verleden.

De techniek vinden we al terug sinds de HAD CCD's van Sony.

HAD - Hole Accumulated Diode.

Halfgeleiders uit silicium kunnen worden onderverdeeld in N-type en P-type

N-type halfgeleiders gebruiken elektronen als transportmiddel

P-type halfgeleiders gebruiken gaten (afwezigheid van elektronen) als transportmiddel.

Elektronen hebben een negatieve elektrische lading

Gaten hebben een positieve elektrische lading

Dwarsdoorsnede CMOS