Уменьшение размера пикселя может увеличить производительность цифровой камеры. Однако есть компромиссы, которые необходимо учитывать при этом подходе.

В поисках все большего числа пикселей для цифровой камеры ясно, что если размер чипа остается постоянным, то «больше пикселей» означает «меньшие пиксели».

Стимулом в обеспечении минимальной кремниевой площади датчика является меньшая стоимость чипа. Для более крупного чипа также требуется больший и более дорогостоящий объектив, дополнительное пространство на печатной плате и корпус камеры большего размера. Меньшие пиксели являются ключом к созданию датчиков с более высоким разрешением в одной и той же кремниевой площади – или к уменьшению размера чипа, не влияя на разрешение.

К сожалению, есть компромиссы. В этом случае общая производительность пикселей. Независимо от используемой технологии – межстрочный перенос, кадровый или полнокадровый CCD или CMOS с пассивным или активным пикселем – меньшие пиксели ухудшают производительность.

Пиксели как ведра

Пиксель твердотельного устройства формирования изображения с его электронным пакетом часто сравнивается с ведром воды. Эта аналогия помогает не только понять принцип работы пикселей, но и объяснить влияние меньших пикселей на производительность обработки изображений.

Во-первых, ведро с большим отверстием может собирать больше воды быстрее, чем ведро с небольшим отверстием. То же самое верно для пикселей. Световая чувствительность, выражаемая как количество генерируемых электронов на люкс входящего света, прямо пропорциональна площади пикселей, подвергающихся воздействию входящего света. Изменение размера пикселя с 5,6 до 5,1 мкм снижает светочувствительность на 17 процентов.

Табл.1 Результаты уменьшения пикселей с 5,6 до 5,1 мкм

*мертвая зона 0,5 мкм

Каждый пиксель в любых типах сенсорных технологий содержит своего рода «мертвую зону», которая не чувствительна к свету. В основном, эта мертвая зона содержит изоляционные и разделительные структуры между пикселями. Микролинзы могут противодействовать этому в нескольких технологиях, но всегда не идеально. Например, между двумя микролинзами существует мертвое пространство. Изменение размера пикселя от 5,6 до 5,1 мкм в технологии с 0,5-миллиметровой мертвой зоной вокруг пикселя – 0,25 мкм, учитываемой для каждого соседнего пикселя, – снижает квантовый КПД на 2 процента.

Очевидно, что максимальное содержание воды в небольшом ведре меньше, чем у большого ведра. То же самое относится к пикселям изображения. Очень часто вся область пикселя не может хранить заряд. Например, только 90 процентов площади пикселей с покадровым переносом, полнокадровых пикселей и пассивных пикселей могут нести фотогенерируемый заряд. Эта цифра снижается до 50% при межстрочном переносе и до 30% в активных пиксельных датчиках. Это означает, что уровень насыщения очень быстро ухудшается по мере уменьшения площади пикселей. Изменение размера пикселя с 5,6 до 5,1 мкм приведет к снижению уровня насыщения на 17 процентов.

Динамический диапазон также изменяется напрямую с уровнем насыщения; поэтому он также будет напрямую сжиматься с областью пикселей. Уменьшение пикселя от 5,6 до 5,1 мкм снижает динамический диапазон на 17 процентов или около 1,6 дБ. Может показаться, что увеличение глубины ведра поможет; к сожалению, это не всегда возможно для небольших пикселей.

Это утверждение о динамическом диапазоне истинно, когда тепловой шум определяет уровень шума. На самом деле это не всегда: при повышенных температурах или длительном времени интеграции доминирует темновой ток. Зависимость шума темнового тока от сокращения размера пикселя трудно предсказать. Меньшие пиксели могут привести к меньшему темновому току, но увеличенные электрические поля в этих пикселях могут создавать темновой ток и его шум.

Wikimedia Commons

Предполагая равный уровень шума в двух размерах пикселей, тот, который имеет самую низкую светочувствительность или с наименьшей квантовой эффективностью, будет генерировать самый низкий уровень сигнала-шума. При равномерном освещении по всей площади датчика сигнал меньшего пикселя будет ниже в той же степени, что и уменьшение светочувствительности и квантовой эффективности продукта.

Уменьшение шага пикселя от 5,6 до 5,1 мкм приведет к снижению отношения сигнал-шум на 19 процентов или около 1,8 дБ.

Неоднородность пикселей обусловлена технологическими недостатками. Они становятся относительно важными, если пиксель спроектирован с меньшими размерами. Например, неравномерность будет усилена на 19 процентов, если размер пикселя сократится с 5,6 до 5,1 мкм.

Новые технологии

Заметим, что сжатие пикселей для получения более высокого разрешения от заданного размера чипа идет рука об руку с серьезным ухудшением производительности пикселей. Следует, однако, отметить, что уменьшение пикселей обычно происходит параллельно с другими улучшениями в сенсорной технологии. Это означает, что компромиссы производительности действительны только в том случае, если различные пиксели сделаны с использованием одной и той же технологии.

Исследователи прилагают большие усилия для улучшения технологии обработки, так что некоторые из негативных аспектов, о которых здесь говорится, компенсируются новыми технологическими разработками, такими как:

• Увеличение квантовой эффективности с использованием микролинз или микролинз, состоящих из двух компонентов.
• Повышение уровней насыщения за счет включения дополнительных допирующих веществ во время производства устройств формирования изображения.
• Улучшение уровня шума с помощью технологических шагов и умных схем.
• Переключение на современные технологии обработки для диффузии кремния.
• Использование новых конструкций объективов камеры для компенсации потерь в работе датчика

Тем не менее важно помнить, что независимо от того, какие улучшения могут быть сделаны, чем меньше «ведро», тем меньше оно может удержать.

На основе материала: EDU Photonics.DALSA PROFESSIONAL IMAGING