25/08/05Van slimfone tot wetenskaplike instrumente, beeldsensors is die kern van vandag se visuele tegnologie. Onder hierdie het CMOS-sensors die dominante krag geword, wat alles van alledaagse foto's tot gevorderde mikroskopie en halfgeleierinspeksie aandryf.
'Aanvullende Metaaloksied Halfgeleier' (CMOS) tegnologie is 'n elektroniese argitektuur en stel vervaardigingsprosestegnologieë waarvan die toepassings ongelooflik breed is. Inderdaad, CMOS-tegnologie kan gesê word om die moderne digitale era te ondersteun.
Wat is 'n CMOS-sensor?
CMOS-beeldsensors (CIS) gebruik aktiewe pixels, wat beteken die gebruik van drie of meer transistors in elke pixel van die kamera. CCD- en EMCCD-pixels bevat nie transistors nie.
Die transistors in elke pixel maak dit moontlik om hierdie 'aktiewe' pixels te beheer, seine te versterk deur 'veldeffek'-transistors, en toegang tot hul data te verkry, alles parallel. In plaas van 'n enkele uitleespad vir 'n hele sensor of 'n beduidende fraksie van 'n sensor, 'nCMOS-kamerasluit ten minste een hele ry uitlees-ADC's in, een (of meer) ADC's vir elke kolom van die sensor. Elk van hierdie kan hul kolom se waarde gelyktydig lees. Verder is hierdie 'aktiewe pixel'-sensors versoenbaar met CMOS digitale logika, wat die potensiële sensorfunksionaliteit verhoog.
Saam gee hierdie eienskappe CMOS-sensors hul spoed. Tog, danksy hierdie toename in parallelisme, kan individuele ADC's langer neem om hul opgespoorde seine met meer akkuraatheid te meet. Hierdie langer omskakelingstye maak voorsiening vir baie lae geraaswerking, selfs vir hoër pixeltellings. Danksy hierdie, en ander innovasies, is die leesgeraas van CMOS-sensors geneig om soveel as 5x - 10x laer te wees as dié van CCD's.
Moderne wetenskaplike CMOS (sCMOS) kameras is 'n gespesialiseerde subtipe CMOS wat ontwerp is vir lae geraas- en hoëspoedbeelding in navorsingstoepassings.
Hoe werk CMOS-sensors? (Insluitend Rollende teenoor Globale Sluiter)
Die werking van 'n tipiese CMOS-sensor word in die figuur getoon en hieronder uiteengesit. Let daarop dat as gevolg van die operasionele verskille hieronder, die tydsberekening en werking van blootstelling sal verskil vir globale teenoor rolling shutter CMOS-kameras.
Figuur: Uitleesproses vir CMOS-sensor
LET WELDie uitleesproses vir CMOS-kameras verskil tussen 'rollende sluiter'- en 'globale sluiter'-kameras, soos in die teks bespreek. In beide gevalle bevat elke pixel 'n kapasitor en versterker wat 'n spanning produseer gebaseer op die waargenome foto-elektrontelling. Vir elke ry word die spannings vir elke kolom gelyktydig gemeet deur kolom-analoog-na-digitale omsetters.
Roldeur
1. Vir 'n rollende sluiter CMOS-sensor, begin by die boonste ry (of middel vir gesplete sensor-kameras), verwyder die lading van die ry om daardie ry se blootstelling te begin.
2. Nadat die 'lyntyd' verstryk het (gewoonlik 5-20 μs), beweeg na die volgende ry en herhaal vanaf stap 1, totdat die hele sensor blootgestel word.
3. Vir elke ry versamel ladings tydens die blootstelling, totdat daardie ry sy blootstellingstyd voltooi het. Die eerste ry wat begin, sal eerste eindig.
4. Sodra die blootstelling vir 'n ry voltooi is, dra ladings oor na die uitleeskondensator en versterker.
5. Die spanning in elke versterker in daardie ry word dan aan die kolom ADC gekoppel, en die sein word vir elke pixel in die ry gemeet.
6. Die uitlees- en herstelbewerking sal die 'lyntyd' neem om te voltooi, waarna die volgende ry wat blootstelling begin, die einde van sy blootstellingstyd bereik sal het, en die proses vanaf stap 4 herhaal sal word.
7. Sodra die uitlees vir die boonste ry voltooi is, mits die onderste ry die huidige raam begin blootstel het, kan die boonste ry die blootstelling van die volgende raam begin (oorvleuelmodus). Indien die blootstellingstyd korter is as die raamtyd, moet die boonste ry wag vir die onderste ry om die blootstelling te begin. Die kortste moontlike blootstelling is tipies een lyntyd.
Tucsen se FL 26BW Verkoelde CMOS-kamera, met die Sony IMX533-sensor, gebruik hierdie rollende sluitertegnologie.
Globale Sluiter
1. Om die verkryging te begin, word lading gelyktydig van die hele sensor verwyder (globale herstel van die pixelput).
2. Lading versamel tydens blootstelling.
3. Aan die einde van die blootstelling word versamelde ladings na 'n gemaskerde put binne elke pixel verskuif, waar hulle kan wag vir uitlesing sonder dat nuwe opgespoorde fotone getel word. Sommige kameras skuif ladings in hierdie stadium na die pixelkondensator.
4. Met die opgespoorde ladings gestoor in die gemaskerde area van elke pixel, kan die aktiewe area van die pixel die blootstelling van die volgende raam begin (oorvleuelmodus).
5. Die proses van uitlees vanaf die gemaskerde area verloop soos vir rolluiksensors: Een ry op 'n slag, vanaf die bokant van die sensor, word ladings oorgedra vanaf die gemaskerde put na die uitleeskondensator en versterker.
6. Die spanning in elke versterker in daardie ry word aan die kolom ADC gekoppel, en die sein word vir elke pixel in die ry gemeet.
7. Die uitlees- en herstelbewerking sal die 'lyntyd' neem om te voltooi, waarna die proses vir die volgende ry vanaf stap 5 herhaal sal word.
8. Sodra alle rye gelees is, is die kamera gereed om die volgende raam te lees, en die proses kan vanaf stap 2 herhaal word, of stap 3 indien die blootstellingstyd reeds verstryk het.
Tucsen se Libra 3412M Mono sCMOS-kameragebruik globale sluitertegnologie, wat duidelike en vinnige vaslegging van bewegende monsters moontlik maak.
Voordele en Nadele van CMOS-sensors
Voordele
● Hoër snelhedeCMOS-sensors is tipies 1 tot 2 ordes van grootte vinniger in data-deurset as CCD- of EMCCD-sensors.
● Groter sensorsVinniger datadeurset maak hoër pixeltellings en groter gesigsvelde moontlik, tot tiene of honderde megapixels.
● Lae geraasSommige CMOS-sensors kan leesgeraas so laag as 0.25e- hê, wat met EMCCD's meeding sonder dat ladingvermenigvuldiging nodig is wat bykomende geraasbronne byvoeg.
● Buigsaamheid van pixelgrootteVerbruikers- en slimfoonkamerasensors dryf pixelgroottes tot die ~1 μm-reeks, en wetenskaplike kameras tot 11 μm in pixelgrootte is algemeen, en tot 16 μm beskikbaar.
● Laer kragverbruikDie lae kragvereistes van CMOS-kameras maak dit moontlik om hulle in 'n wyer verskeidenheid wetenskaplike en industriële toepassings te gebruik.
● Prys en leeftydLae-end CMOS-kameras is tipies soortgelyk aan of laer in koste as CCD-kameras, en hoë-end CMOS-kameras is baie laer in koste as EMCCD-kameras. Hul verwagte diensleeftyd behoort dié van 'n EMCCD-kamera ver oorskry te word.
Nadele
● RoldeurDie meerderheid wetenskaplike CMOS-kameras het 'n rollende sluiter, wat kompleksiteit tot eksperimentele werkvloei kan byvoeg of sommige toepassings kan uitsluit.
● Hoër donkerstroomt: Die meeste CMOS-kameras het 'n baie hoër donkerstroom as CCD- en EMCCD-sensors, wat soms beduidende geraas veroorsaak tydens lang blootstellings (> 1 sekonde).
Waar CMOS-sensors vandag gebruik word
Danksy hul veelsydigheid word CMOS-sensors in 'n wye reeks toepassings aangetref:
● VerbruikerselektronikaSlimfone, webkameras, DSLR's, aksiekameras.
● LewenswetenskappeCMOS-sensors se kragmikroskopiekamerasgebruik in fluoresensiebeelding en mediese diagnostiek.
● SterrekundeTeleskope en ruimtebeeldtoestelle gebruik dikwels wetenskaplike CMOS (sCMOS) vir hoë resolusie en lae geraas.
● Industriële InspeksieOutomatiese optiese inspeksie (AOI), robotika, enkameras vir halfgeleierinspeksieVertrou op CMOS-sensors vir spoed en akkuraatheid.
● MotorvoertuieGevorderde bestuurdershulpstelsels (ADAS), truspieël- en parkeerkameras.
● Toesig en sekuriteitLae-lig- en bewegingsopsporingstelsels.
Hul spoed en koste-effektiwiteit maak CMOS die beste oplossing vir beide hoë-volume kommersiële gebruik en gespesialiseerde wetenskaplike werk.
Waarom CMOS nou die moderne standaard is
Die verskuiwing van CCD na CMOS het nie oornag gebeur nie, maar dit was onvermydelik. Hier is hoekom CMOS nou die hoeksteen van die beeldbedryf is:
● VervaardigingsvoordeelGebou op standaard halfgeleiervervaardigingslyne, wat koste verminder en skaalbaarheid verbeter.
● PrestasiewinsteRol- en globale sluiteropsies, verbeterde sensitiwiteit vir lae lig en hoër raamtempo's.
● Integrasie en IntelligensieCMOS-sensors ondersteun nou KI-verwerking op die skyfie, randrekenaars en intydse analise.
● InnovasieOpkomende sensortipes soos gestapelde CMOS, kwantabeeldsensors en geboë sensors word op CMOS-platforms gebou.
Van slimfone totwetenskaplike kameras, CMOS het bewys dat dit aanpasbaar, kragtig en toekomsgereed is.
Gevolgtrekking
CMOS-sensors het ontwikkel tot die moderne standaard vir die meeste beeldtoepassings, danksy hul balans tussen werkverrigting, doeltreffendheid en koste. Of dit nou die vaslegging van alledaagse herinneringe of die uitvoering van hoëspoed-wetenskaplike analise is, CMOS-tegnologie bied die fondament vir vandag se visuele wêreld.
Aangesien innovasies soos globale sluiter-CMOS en sCMOS die tegnologie se vermoëns steeds uitbrei, sal die oorheersing daarvan na verwagting nog jare lank voortduur.
Gereelde vrae
Wat is die verskil tussen 'n rolluikluik en 'n globale luik?
'n Rollende sluiter lees beelddata reël vir reël uit, wat bewegingsartefakte (bv. skeefheid of wiebeling) kan veroorsaak wanneer vinnig bewegende onderwerpe vasgelê word.
'n Globale sluiter neem die hele raam gelyktydig vas en elimineer vervorming van beweging. Dit is ideaal vir hoëspoed-beeldtoepassings soos masjienvisie en wetenskaplike eksperimente.
Wat is Rolling Shutter CMOS Oorvleuelmodus?
Vir rolsluiter CMOS-kameras, in oorvleuelmodus, kan die blootstelling van die volgende raam begin voordat die huidige een volledig voltooi is, wat hoër raamtempo's moontlik maak. Dit is moontlik omdat elke ry se blootstelling en uitlees in tyd verspring.
Hierdie modus is nuttig in toepassings waar maksimum raamtempo en deurset krities is, soos in hoëspoed-inspeksie of intydse dophou. Dit kan egter die kompleksiteit van tydsberekening en sinchronisasie effens verhoog.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Alle regte voorbehou. Wanneer u aanhaal, erken asseblief die bron:www.tucsen.com
