Матрица Aptina MT9M413

Чувствительные элементы для скоростных цифровых видеокамер выполнены на основе КМОП-технологии. Базовым элементом системы является КМОП-матрица MT9M413 производства компании Micron Technology Inc, диагональ 19,67 мм, частота сканирования до 500 кадров в секунду при разрешении 1280 х 1024. Матрица снята с производства в 2011 году.

Характеристики КМОП-матрицы MT9M413 для скоростной видеокамеры:

• Общее количество пикселов матрицы 1280 х 1024
• Размер одного активного пиксела 12 мкм х 12 мкм TrueSNAP (shuttered-node active pixel)
• Размеры светочувствительной области: длина 15,36 мм; ширина 12,29 мм; диагональ 19,67 мм
• Разрядность аналого-цифрового преобразователя 10 бит
• Цифровые выходы: 10 параллельных 10-битных портов
• Матрица выдаёт поток данных порядка 660 Мбайт/сек (частота шины 66 МГц, 10 параллельных 10-битных портов, что даёт частоту сканирования 500 кадр/сек при максимальном разрешении)
• При сканировании отдельных строк матрицы можно значительно увеличить частоту кадров
• Возможность выбора размера области интереса при сканировании: ширина области интереса по горизонтали должна быть пропорциональна 10 пикселам
• Электронный затвор обеспечивает одновременную экспозицию всех пикселов матрицы видеокамеры. Время экспозиции для всех элементов матрицы может изменяться от 2 мксек до 33 мсек и более.
• Коэффициент заполнения матрицы (fill factor) - 40%
• Чувствительность матрицы (монохромная) - 1600 бит/люкс/сек на длине волны 550 нм; смещение АЦП 1 Вольт
• Динамический диапазон 59 дБ
• Коэффициент преобразования 13 µV/e
• Заряд насыщения 63000 электронов
• Корпус 280-пин, керамический PGA
• Потребляемая мощность: до 500 мВт при частоте 500 кадр/сек, до 150 мВт при частоте 60 кадр/сек
• Напряжение питания 3,3 В
• Рабочая температура от -5 до +60 градусов C
• Что есть на чипе матрицы: управление АЦП, мультиплексирование, калибровка АЦП
• Что должно быть вне чипа: определение размера окна и его положения, определение частоты кадров и скорости потока данных, время экспозиции (время интегрирования), смещение АЦП

Внешнее управление КМОП-матрицей MT9M413

Матрица видеокамеры содержит не только светочувствительные элементы, но также все необходимые АЦП (10-битные), а также электронику для управления и преобразования регистрируемых сигналов. Однако для её работы требуется наличие внешнего контроллера.

При работе в режиме с электронным затвором, полученные после поглощения света заряды интегрируются со всех пикселов матрицы параллельно. Затем заряды попадают в аналоговую память пиксела (один элемент аналоговой памяти приходится на один пиксел) и последовательно, строка за строкой оцифровываются и считываются. Интегрирование фотосигнала управляется двумя сигналами: PG_N и TX_N. Для очистки пикселов и для начала нового интегрирования сигнал PG_N переводится в состояние с уровнем 0. Для переноса данных с фотоприёмника в аналоговую память пиксела сигнал TX_N переводится в состояние с уровнем 0. Время между этими двумя процедурами называется временем экспозиции.

Нужно понимать, что ни один из сигналов PG_N и TX_N не очищает аналоговую память пиксела. Аналоговая память пиксела очищается только при считывании предыдущих данных (т.е. именно процесс чтения обнуляет аналоговую память) или когда сигналы PG_N и TX_N прикладываются одновременно - в этом случае очищается и фотоприёмник и аналоговая память пиксела.

Матрица MT9M413 может работать в непрерывном (simultaneous) или последовательном (sequential) режимах, в которых она может выдавать на выход непрерывный видео сигнал. В непрерывном режиме при получении серии изображений сигналы PG_N и TX_N прикладываются в то время, когда предыдущий кадр считывается с матрицы. В непрерывном режиме конец интегрирования возникает в момент считывания последней строки кадра (строка 1023) или в момент считывания последней строки области интереса. Начало интегрирования затем вычисляется исходя из желательного времени интегрирования. В последовательном режиме сигналы PG_N и TX_N прикладываются для управления временем интегрирования и только после этого происходят оцифровка и чтение. Существует ещё один режим - однокадровый (single frame or snapshot mode), в котором происходит считывание только одного кадра.

Матрица имеет колонко-параллельную структуру АЦП, что позволяет находящемуся на ней массиву из 1280 АЦП проводить одновременную оцифровку аналоговых данных с целой строки пикселов. Следующие сигналы используются для управления аналого-цифровым преобразованием и процессом чтения:

• ROW_ADDR - 10-битный адрес строки
• ROW_STRT_N - 1-битный сигнал начала чтения строки
• LD_SHIFT_N - 1-битный сигнал загрузки данных в сдвиговый регистр
• DATA_READ_EN_N - 1-битный сигнал начала чтения данных

10-битный сигнал ROW_ADDR (адрес строки) выбирает строку пикселов для чтения в каждом цикле, а сигнал ROW_STRT_N начинает процесс считывания аналоговых данных со строки пикселов. После этого происходит аналого-цифровое преобразование данных и их сохранение в регистрах АЦП. Когда эти операции завершаются, матрица посылает ответный сигнал ROW_DONE_N контроллеру. Адрес строки должен быть валидным в течение первой половины промежутка времени между сигналами ROW_STRT_N и ROW_DONE_N.

Матрица MT9M413 имеет массив элементов памяти (pipeline type array), который служит для сохранения данных после оцифровки. Эта память также позволяет считывать данные, полученные в предыдущем цикле во время преобразования (оцифровки и переноса) новых данных.

Чтение оцифрованных данных управляется сигналом LD_SHFT_N (уровень 0), который подаётся сразу после сигнала DATA_READ_EN_N. Сигнал LD_SHFT_N переносит цифровые данные из регистра АЦП в выходной регистр. Сигнал DATA_READ_EN_N используется для того, чтобы разрешить передачу оцифрованных данных из выходного регистра. Новый цикл чтения и преобразования данных следующей строки пикселов может начинаться через 2 цикла SYSCLK после установки сигнала DATA_READ_EN_N в уровень 0. Выходной регистр позволяет начать чтение цифровых данных с предыдущей строки одновременно с началом нового преобразования - в этом и состоит суть режима "pipeline mode". Это значит, что время получения данных с одной строки определяется так:

• посылают сигнал ROW_STRT_N и получают сигнал ROW_DONE_N
• сигналы LD_SHIFT_N и DATA_READ_EN_N посылают через 2 цикла SYSCLK

Режим работы "pipeline mode" означает, что всегда существует латентность длительностью 1 строка при начале операции считывания, т.е. оцифрованные данные с первой строки попадут в контроллер управления матрицей в момент завершения считывания данных со второй строки. Альтернативой этому режиму является режим "burst data operation", в котором преобразование данных новой строки пикселов начинается только после очистки выходного регистра и установки LD_SHFT_N в состояние с уровнем 1.

Диаграмма чтения одной строки:

• SYSCLK - тактовая частота 66 МГц (считывание одной строки происходит за 128 тактов)
• DATA - данные
• PG_N (PG2 и PG1) - сигнал управления фотоприёмником
• TX_N - сигнал управления аналоговой памятью пиксела

(перевод документа не завершён...)

Квантовая эффективность цветной матрицы и монохромной

Подробное описание (на английском) монохромной матрицы можно получить здесь.