Современные продукты и технологии Hamamatsu: линейные и двумерные КМОП-, N-МОП- и InGaAs-датчики изображения

КМОП-датчики изображения, называемые также активными пиксельными датчиками APS CMOS (Active Pixel Sensor Complementary Metal Oxide Semiconductor), перекрывают те же области спектра, что и ПЗС-датчики, так как в них используются такие же светочувствительные элементы – фотодиоды. На этом сходство датчиков обоих типов в основном и заканчивается.

Как известно, принципиальным отличием КМОП-датчиков изображения является наличие в каждой пиксельной ячейке, кроме фотодиодов, дополнительных полупроводниковых устройств. В результате часть светочувствительной поверхности датчиков теряется, поскольку занята этими дополнительными устройствами, что, естественно, снижает общую чувствительность датчика.

Степень снижения чувствительности определяется отношением светочувствительной площади к общей площади пиксельной ячейки – этот параметр называется коэффициентом заполнения пикселя (К_зп, измеряется в %). Следует отметить, что речь идёт об однослойных полупроводниковых структурах. Этот очевидный недостаток КМОП-датчиков может быть устранён при использовании многослойной технологии, когда фотодиоды располагаются в верхнем слое полупроводника, а различные дополнительные схемы – в глубинных слоях. В отличие от КМОП, в пиксельных ячейках ПЗС-датчиков нет каких-либо дополнительных схем (К_зп=100%), поэтому их потенциальная чувствительность при прочих равных условиях выше.

Несомненным достоинством КМОП-датчиков изображения является возможность быстрого доступа к любой пиксельной ячейке по адресам XY, что позволяет увеличить скорость считывания (частоту кадров). Кроме того, это даёт возможность сканировать только определённые области изображения с более высокой скоростью. Другим важнейшим достоинством современных КМОП-датчиков изображения является их большая степень интеграции – на одном чипе, кроме APS, может быть размещено большое число аналоговых и цифровых микросхем, что значительно упрощает производство конечных устройств (видеокамер).
В пределе возможна реализация камер на чипе с выводами питания и цифровых или аналоговых сигналов изображения.

КМОП-датчики изображения Hamamatsu

Компания Hamamatsu выпускает несколько десятков типов КМОП-датчиков изображения в четырёх группах [1]:

Особенности двумерных (плоскостных) датчиков изображения рассмотрим на примере новейшего прибора S13101 (статус New, спецификация 2017 г., внешний вид представлен на рисунке 1).

Активный пиксельный КМОП-датчик изображения S13101 с разрешением SXGA (1280×1024 пикселей) характеризуется высокой чувствительностью в видимой и ближней инфракрасной областях спектра, высокой скоростью считывания (до 146 кадров в секунду) и большой степенью интеграции. Размеры светочувствительной области прибора – 9,472×7,578 мм, размеры пикселей – 7,4×7,4 мкм, при этом габариты датчика составляют 18×18×1,95 мм. Упрощённая структура прибора приведена на рисунке 2.

Основные области применения датчика, рекомендованные изготовителем: системы машинного зрения, системы управления движением (Tracking), системы наблюдения и охраны с использованием инфракрасного диапазона (Infrared Camera); системы распознавания положения и формы объектов в инфракрасном диапазоне.

Основные особенности и параметры датчика:

Активный пиксельный КМОП-датчик изображения S13102 (спецификация 2017 г.) с разрешением 640×480 пикселей имеет размер светочувствительной области 4,736×3,552 мм при тех же размерах пикселей, что и у S13101. Другие параметры прибора, отличающиеся от соответствующих параметров S13101:

В каталоге компании 2017 года представлено более 40 типов линейных (однострочных) КМОП-датчиков изображения с различным числом прямоугольных пикселей в строке. Основные области применения приборов: спектрофотометрия, системы для считывания (сканирования) изображений в различных областях спектра, аналитическое оборудование, датчики положения. Линейные КМОП-датчики изображения широко используются в спектрофотометрии (метод исследования и анализа веществ, основанный на измерении спектров поглощения в оптической области электромагнитного излучения). Следует отметить, что на практике спектрофотометрию часто отождествляют с оптической спектроскопией. Спектрофотометрия широко используется для изучения состава и строения веществ, соединений, красителей, аналитических реагентов, определения следов элементов в металлах, сплавах, исследования технических объектов, а также для качественного и количественного определения веществ в самых различных отраслях промышленности, аналитическом оборудовании и в других сферах деятельности.

Классификационные параметры линейных КМОП-датчиков изображения представлены в таблице. В графе «Категория прибора» приведены отличительные особенности КМОП-датчиков, отмеченные изготовителем, однако они не являются исчерпывающими. Например, приборы в пластиковых корпусах могут быть высокочувствительными или быстродействующими.

Все КМОП-датчики изображения Hamamatsu, представленные в таблице, кроме видимой области спектра, перекрывают часть ближней инфракрасной области (длины волн 740–1000 нм), а часть приборов – ближнюю (300–400 нм) и среднюю (200–300 нм) ультрафиолетовые области спектра. Горизонтальное разрешение приборов – от 64 до 4096 пикселей, причём размеры пикселей прямоугольной формы варьируются в широких пределах от 7 до 127 мкм по горизонтали и от 7 до 2500 мкм по вертикали. Рассмотрим особенности некоторых современных приборов, представленных в таблице, более подробно.

Серия S12198 (статус New, спецификация 2017 г., внешний вид представлен на рисунке 4) – активные пиксельные КМОП-датчики изображения с малой неравномерностью спектральной характеристики в ближней и средней ультрафиолетовых областях спектра. Горизонтальные светочувствительные области датчиков состоят из 512 (S12198-512-01) и 1024 (S12198-1024-01) пиксельных ячеек размерами 25×500 мкм, ориентированных вертикально.

Структура приборов представлена на рисунке 5. В каждую пиксельную ячейку датчиков интегрированы фотодиод, усилитель заряда и устройство выборки хранения (УВХ), коммутация ячеек осуществляется импульсами генератора синхроимпульсов. Выходной аналоговый сигнал снимается с вывода 9 (Video) микросхемы, с вывода 10 (EOS) снимается сигнал окончания сканирования строки. Приборы выполнены в керамических корпусах с кварцевым защитным стеклом. Основные особенности и параметры приборов:

Серии S8377/S8378 (спецификация 2017 г., внешний вид представлен на рисунке 6) – активные пиксельные КМОП-датчики изображения с числом пикселей 128/256/512 и размерами 50×500 мкм (S8377) и с числом пикселей 256/512/1024 и размерами 25×500 мкм (S8378) обеспечивают регистрацию и считывание изображений в широком спектральном диапазоне от 200 до 1000 нм.

Приборы выполнены в 8-выводных керамических корпусах с кварцевыми защитными стёклами и совместимы по выводам (габариты исполнений различны). В приборы интегрированы генераторы синхроимпульсов с внешним управлением, максимальная тактовая частота – 500 кГц, фоточувствительность датчиков при высоком значении К_у – 22 В/лк·с, при низком значении К_у – 4,4 В/лк·с.

Серия S11637 (спецификация 2017 г., внешний вид представлен на рисунке 7) – активные пиксельные КМОП-датчики изображения с функцией электронного затвора и коммутируемым коэффициентом усиления с разрешением 1024 пикселя (S11637-1024Q) и 2048 пикселей (S11637-2048Q), упрощённая структура приборов приведена на рисунке 8. Датчики отличаются высокой скоростью считывания при максимальной тактовой частоте 10 МГц и высокой фоточувствительностью (153 В/лк·с при высоком К_у). Приборы серии выполнены в керамических корпусах с кварцевым защитным стеклом без антибликового покрытия.

В каталоге компании 2017 года представлено четыре КМОП-датчика рентгеновского диапазона: приборы S10830, S10831 поставляются в виде отдельных микросхем (см. рис. 9), а S10834, S10835 – в виде модулей, включающих сами датчики и обеспечивающих их лёгкую установку в рентгеновские системы (см. рис. 10).

Сами датчики представляют собой плоскостные активные пиксельные КМОП-датчики изображения с установленными на них сцинтилляционными пластинами, чувствительными к рентгеновскому излучению. Структура прибора S10830 приведена на рисунке 11.

Прибор S10831 отличается бо¢льшим разрешением (1300×1700 пикселей). Основные области применения датчиков: рентгеновские системы диагностики для стоматологии и других медицинских приложений, системы неразрушающего контроля в промышленности. Основные особенности приборов S10830/S10834 (в скобках – отличающиеся параметры S10831/S10835):

N-МОП-датчики изображения Hamamatsu

Компания Hamamatsu является одним из ведущих мировых производителей датчиков изображения, выполненных по технологии N-МОП (NMOS). Такие приборы работают в тех же областях спектра, что и сопоставимые по параметрам КМОП-датчики, однако существенным преимуществом N-МОП-датчиков является их способность линейной работы с более высокими уровнями ультрафиолетового излучения, что очень важно для ряда спектрофотометрических приложений. Размеры пикселей линейных N-МОП-датчиков изображения Hamamatsu достаточно велики, от 25×500 до 50×2500 мкм, что обеспечивает и более высокую чувствительность. В ассортименте компании представлено несколько десятков линейных N-МОП-датчиков изображения с разрешением от 128 до 2048 пикселей.

В каталоге компании 2017 года представлены следующие серии N-МОП-датчиков изображения: S3901…S3904, S3921…S3924 (спецификация 2017 г., внешний вид приведён на рисунке 12), S5930/S5931, S8380/S8381.

Структура датчиков представлена на рисунке 13, пиксельные ячейки приборов состоят из активных, холостых (Dummy) и антиблюминговых частей. В каждую активную пиксельную ячейку приборов входят фотодиод, накопительный конденсатор и ключевой N-канальный МОП-транзистор. Последовательное подключение ячеек к выходу производится импульсами регистра сдвига, управляемого внешними тактовыми импульсами и импульсами запуска сканирования.

Светочувствительные поверхности холостых фотодиодов закрыты алюминиевой плёнкой, поэтому они не чувствительны к свету. На линии холостых ячеек в моменты коммутации ключей формируются такие же короткие шумовые всплески (Spike Noise), что и на активной линии. Сигналы с линии холостых ячеек могут быть использованы для подавления шумовых всплесков с помощью внешних схем.

Ключевые антиблюминговые МОП-транзисторы могут использоваться для борьбы с оптической пересветкой (блюмингом) с помощью внешних управляющих сигналов для повышения уровня ограничения выходных сигналов фотодиодов при больших освещённостях.

Приборы выпускаются с токовым выходом (Current Output Type) и с выходом по напряжению (Voltage Output Type).

Приведём основные особенности приборов всех серий и индивидуальные отличия отдельных серий:

InGaAs-датчики изображения Hamamatsu

Датчики изображения на основе арсенида галлия-индия обладают высокой чувствительностью в ближней инфракрасной области спектра (0,74…2,5 мкм). Для наглядности на рисунке 14 приведены спектральные характеристики чувствительности кремниевых фотодиодов и различных разновидностей InGaAs-фотодиодов. Компания выпускает как линейные, так и двумерные InGaAs-датчики изображения.

Основные области применения линейных приборов: измерители температуры, приборы для многоканальной спектрофотометрии, системы неразрушающего контроля, скрининг посторонних объектов, мониторы для волоконно-оптических DWDM-систем, системы оптической когерентной томографии, анализаторы оптического спектра.

Основные области применения двумерных InGaAs-датчиков изображения: визуализация объектов в инфракрасной области спектра, тепловизоры, измерение параметров лазерного излучения, системы обнаружения скрытых изображений в ближней инфракрасной области спектра, скрининг посторонних объектов.

В каталоге компании 2017 года представлено восемь типов двумерных InGaAs-датчиков изображения с разрешением от 64×64 пикселя (G11097, G12460) до 640×512 пикселей (G13393). Одним из последних разработанных приборов этой группы является гибридный датчик изображения G13544-01 (статус New, спецификация 2017 г., внешний вид представлен на рисунке 15).

Прибор, выполненный в 28-выводном металлическом корпусе размерами 38×25 мм с защитным стеклом из сапфира с антибликовым покрытием, состоит из двух частей – интегральной КМОП-схемы считывания и матрицы InGaAs-фотодиодов с общим разрешением 192×96 пикселей размерами 9,6×4,8 мм, размер пикселей – 50×50 мкм. В прибор также интегрирован двухступенчатый термоэлектрический охладитель (элементы Пельтье).

Прибор характеризуется высокой фоточувствительностью (1,1 А/Вт на длине волны 1,75 мкм) в ближней инфракрасной области спектра с длинами волн 1,12…1,9 мкм, максимальная скорость считывания – 867 кадров в секунду в полнокадровом режиме. Простое управление обеспечивается за счёт применения встроенного генератора синхроимпульсов с внешним запуском.

Фотодиоды и другие электронные компоненты в приборе сгруппированы в четыре одинаковых блока по 48×96 пиксельных ячеек каждый, выходные видеосигналы блоков выводятся отдельно по четырём шинам Video 1…Video 4. Структура блоков приведена на рисунке 16, пунктиром на рисунке выделена одна пиксельная ячейка.

Двумерный InGaAS-датчик изображения G13393-0909W имеет наибольшее разрешение 640×512 пикселей размерами 20×20 мкм (спецификация 2017 г., внешний вид представлен на рисунке 17).

Фотодиоды и другие электронные компоненты в приборе также сгруппированы в четыре блока по 160×512 пиксельных ячеек. Отличием структуры блоков приборов от структуры, представленной на рисунке 16, является отсутствие усилителей в пиксельных ячейках и наличие дополнительных выходов видеосигналов Video_R1…Video_R2. Прибор работает в диапазоне длин волн 0,95…1,7 мкм, при этом фоточувствительность на длине волны 1,55 мкм составляет 0,8 А/Вт. Конструктивно датчик выполнен в таком же корпусе, что и прибор G13544-01, размеры светочувствительной матрицы – 12,8×10,2 мм.

В каталоге компании 2017 года представлено несколько серий линейных InGaAs-датчиков изображения: G11508, G11475…G11478 (спецификация 2017 г., внешний вид приведён на рисунке 18).

Приборы этих серий обеспечивают разрешение 256 и 512 пикселей, размеры пикселей – 50×500, 25×500, 50×250, 25×250 мкм. Основные области применения приборов: многоканальная спектрофотометрия, температурные измерения, неразрушающая инспекция объектов.

Литература

Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!