เซนเซอร์พิกเซลแบบแอคทีฟ

เซนเซอร์พิกเซลแบบแอคทีฟ (Active-Pixel Sensor หรือ APS) คือเซนเซอร์รับภาพที่แต่ละหน่วยพิกเซลประกอบด้วยโฟโตดีเทคเตอร์ (โดยทั่วไปคือพินไดโอด หรือ Pinned Photodiode) และทรานซิสเตอร์แบบแอคทีฟหนึ่งตัวหรือมากกว่านั้น เทคโนโลยีนี้เป็นหัวใจสำคัญของอุปกรณ์ถ่ายภาพดิจิทัลในปัจจุบัน เช่น กล้องสมาร์ทโฟน, เว็บแคม, กล้องดิจิทัลคอมแพค, กล้อง DSLR, กล้อง Mirrorless รวมถึงการสร้างภาพแบบไร้เลนส์สำหรับการวิเคราะห์เซลล์เม็ดเลือด

ประเภทของเซนเซอร์ APS

ในเซนเซอร์พิกเซลแบบแอคทีฟที่ใช้เทคโนโลยี Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) จะมีการใช้ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแบบ MOS (MOSFET) ทำหน้าที่เป็นตัวขยายสัญญาณ โดยสามารถแบ่งออกเป็นประเภทหลักได้ดังนี้:

• NMOS APS: เป็นเทคโนโลยีในยุคแรกเริ่ม
• CMOS APS: หรือที่รู้จักกันในชื่อ เซนเซอร์ CMOS ซึ่งเป็นประเภทที่แพร่หลายที่สุดในปัจจุบัน โดยถูกพัฒนาขึ้นเพื่อเป็นทางเลือกแทนเซนเซอร์แบบ Charge-Coupled Device (CCD) และสามารถทำยอดขายแซงหน้า CCD ได้ในช่วงกลางทศวรรษ 2000

คำว่า "Active Pixel Sensor" อาจถูกใช้เรียกทั้งตัวหน่วยพิกเซลเดี่ยวๆ หรือเรียกทั้งแผงเซนเซอร์รับภาพ (Image Sensor) ซึ่งในกรณีหลังมักเรียกว่า Active Pixel Sensor Imager หรือ Active-Pixel Image Sensor

ประวัติและการพัฒนา

พื้นฐานและการกำเนิด

ในปี 1969 Willard Boyle และ George E. Smith ได้ค้นพบว่าประจุไฟฟ้าสามารถถูกเก็บไว้ในตัวเก็บประจุ MOS ขนาดเล็ก ซึ่งนำไปสู่การประดิษฐ์อุปกรณ์ Charge-Coupled Device (CCD) อย่างไรก็ตาม CCD มีข้อจำกัดสำคัญคือต้องอาศัยการถ่ายโอนประจุที่สมบูรณ์แบบในระหว่างการอ่านข้อมูล ส่งผลให้มีความทนทานต่อรังสีต่ำ ประสิทธิภาพในที่แสงน้อยไม่ดี และมีความยุ่งยากในการผลิตแผงขนาดใหญ่ รวมถึงการบูรณาการกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์บนชิป

การพัฒนาสู่ระบบแอคทีฟ

ในช่วงปี 1969 ทีมวิจัยที่ RCA Laboratories นำโดย Paul K. Weimer, W.S. Pike และ G. Sadasiv ได้เสนอเซนเซอร์รับภาพแบบโซลิดสเตตที่ใช้การสแกนด้วยทรานซิสเตอร์ฟิล์มบาง (TFT) และใช้ฟิล์มนำแสงเป็นตัวตรวจจับ ต่อมาในปี 1981 Richard F. Lyon ได้สาธิตเครื่องสร้างภาพ NMOS ความละเอียดต่ำที่มีการขยายสัญญาณภายในพิกเซลเพื่อใช้ในเมาส์ออปติคัล

บทบาทของพินไดโอด (Pinned Photodiode)

องค์ประกอบสำคัญที่ทำให้เซนเซอร์ CMOS สมัยใหม่มีประสิทธิภาพคือ พินไดโอด (Pinned Photodiode หรือ PPD) ซึ่งประดิษฐ์โดย Nobukazu Teranishi, Hiromitsu Shiraki และ Yasuo Ishihara แห่งบริษัท NEC ในปี 1980 และมีการรายงานต่อสาธารณะในปี 1982 พร้อมโครงสร้างป้องกันการฟุ้งของประจุ (Anti-blooming structure) พินไดโอดช่วยลดการหน่วง (Lag) ลดสัญญาณรบกวน เพิ่มประสิทธิภาพควอนตัม และลดกระแสรั่วไหลในที่มืด (Dark current) โดยชื่อ "Pinned Photodiode" ถูกเรียกเป็นครั้งแรกโดย B.C. Burkey จาก Kodak ในปี 1984 และเริ่มนำมาใช้ในเซนเซอร์ CCD และ CMOS อย่างแพร่หลายตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา

การเปรียบเทียบระหว่างเซนเซอร์แบบ Passive และ Active

เซนเซอร์พิกเซลแบบพาสซีฟ (Passive-Pixel Sensor - PPS)

ก่อนที่จะมี APS มีการใช้เซนเซอร์แบบ Passive-Pixel Sensor (PPS) ซึ่งเป็นอาเรย์ของโฟโตไดโอดที่อ่านค่าโดยไม่มีการขยายสัญญาณ แต่ละพิกเซลประกอบด้วยโฟโตไดโอดและสวิตช์ MOSFET เท่านั้น

ข้อจำกัดของ PPS ได้แก่:

• สัญญาณรบกวนสูง: เนื่องจากไม่มีการขยายสัญญาณภายในพิกเซล ทำให้เกิดสัญญาณรบกวนจากการนำส่งข้อมูลผ่านบัส
• ความเร็วในการอ่านข้อมูลต่ำ: ไม่สามารถรองรับการอ่านข้อมูลความเร็วสูงได้
• การขยายขนาดทำได้ยาก: ในยุค 1970 เทคโนโลยีไมโครลิโธกราฟียังไม่ก้าวหน้าพอที่จะทำให้พิกเซลมีขนาดเล็กและใช้งานได้จริง

ข้อได้เปรียบของเซนเซอร์แบบแอคทีฟ (APS)

เซนเซอร์ APS แก้ไขปัญหาของ PPS โดยการติดตั้งทรานซิสเตอร์ขยายสัญญาณ (MOSFET amplifier) ไว้ในทุกๆ พิกเซล ซึ่งจะทำหน้าที่แปลงประจุไฟฟ้าที่เกิดจากแสงให้เป็นแรงดันไฟฟ้าและขยายสัญญาณทันที ช่วยลดสัญญาณรบกวนและเพิ่มความเร็วในการอ่านข้อมูลอย่างมีนัยสำคัญ