25/08/05Smartfonlardan tutmuş elmi alətlərə qədər görüntü sensorları bugünkü vizual texnologiyanın mərkəzindədir. Bunlar arasında CMOS sensorları gündəlik fotoşəkillərdən tutmuş qabaqcıl mikroskopiya və yarımkeçirici yoxlamaya qədər hər şeyi gücləndirən əsas gücə çevrildi.
'Tamamlayıcı Metal Oksid Yarımkeçirici' (CMOS) texnologiyası elektron arxitektura və tətbiqləri inanılmaz dərəcədə geniş olan istehsal prosesləri texnologiyaları toplusudur. Həqiqətən, CMOS texnologiyasının müasir rəqəmsal dövrün əsasını təşkil etdiyini söyləmək olar.
CMOS Sensor nədir?
CMOS görüntü sensorları (CIS) aktiv piksellərdən istifadə edir, yəni kameranın hər pikselində üç və ya daha çox tranzistorun istifadə edilməsi. CCD və EMCCD piksellərində tranzistorlar yoxdur.
Hər pikseldəki tranzistorlar bu "aktiv" pikselləri idarə etməyə, "sahə effekti" tranzistorları vasitəsilə siqnalları gücləndirməyə və onların məlumatlarına paralel olaraq daxil olmağa imkan verir. Bütün sensor və ya sensorun əhəmiyyətli bir hissəsi üçün tək oxunma yolunun yerinə, aCMOS kameraən azı bir bütöv oxu ADC sırasını, sensorun hər sütunu üçün bir (və ya daha çox) ADC daxildir. Bunların hər biri öz sütununun dəyərini eyni vaxtda oxuya bilər. Bundan əlavə, bu "aktiv piksel" sensorları CMOS rəqəmsal məntiqi ilə uyğun gəlir və potensial sensor funksionallığını artırır.
Bu keyfiyyətlər birlikdə CMOS sensorlarına sürət verir. Bununla belə, paralellikdəki bu artım sayəsində fərdi ADC-lər aşkar etdikləri siqnalları daha dəqiqliklə ölçmək üçün daha uzun vaxt apara bilirlər. Bu daha uzun çevirmə vaxtları, hətta daha yüksək piksel sayları üçün çox aşağı səs-küy əməliyyatına imkan verir. Bunun və digər yeniliklər sayəsində CMOS sensorlarının oxunan səs-küyü CCD-lərdən 5-10 dəfə aşağı olur.
Müasir elmi CMOS (sCMOS) kameraları tədqiqat tətbiqlərində aşağı səs-küy və yüksək sürətli təsvir üçün nəzərdə tutulmuş CMOS-un xüsusi alt növüdür.
CMOS Sensorları necə işləyir? (Rolling vs Global Shutter daxil olmaqla)
Tipik bir CMOS sensorunun işləməsi şəkildə göstərilmişdir və aşağıda göstərilmişdir. Nəzərə alın ki, aşağıda göstərilən əməliyyat fərqləri nəticəsində ekspozisiya vaxtı və əməliyyatı qlobal və yuvarlanan CMOS kameralar üçün fərqli olacaq.
Şəkil: CMOS sensoru üçün oxuma prosesi
QEYD: CMOS kameralar üçün oxuma prosesi mətndə müzakirə olunduğu kimi, "yayılan çekim" və "qlobal çekim" kameraları arasında fərqlənir. Hər iki halda, hər piksel aşkar edilmiş fotoelektronların sayına əsasən gərginlik yaradan bir kondansatör və gücləndirici ehtiva edir. Hər bir sıra üçün hər sütun üçün gərginliklər rəqəmsal çeviricilərə sütun analoqu ilə eyni vaxtda ölçülür.
Rolling Panjur
1. Yuxarı cərgədən (yaxud splitsensor kameralar üçün mərkəzdən) başlayaraq fırlanan CMOS sensoru üçün həmin cərgənin ekspozisiyasına başlamaq üçün cərgədən yükü təmizləyin.
2. "Xətt vaxtı" keçdikdən sonra (adətən 5-20 μs) növbəti sıraya keçin və bütün sensor ifşa olunana qədər 1-ci addımdan təkrarlayın.
3. Hər cərgə üçün yüklər ekspozisiya zamanı, o sıra öz ekspozisiya müddətini bitirənə qədər toplanır. Başlanacaq ilk sıra birinci bitir.
4. Ekspozisiya ardıcıl olaraq başa çatdıqdan sonra yükləri oxuma kondansatörünə və gücləndiriciyə köçürün.
5. Həmin cərgədəki hər bir gücləndiricidə gərginlik daha sonra ADC sütununa qoşulur və cərgədəki hər piksel üçün siqnal ölçülür.
6. Oxunma və sıfırlama əməliyyatı tamamlamaq üçün "xətt vaxtı" alacaq, bundan sonra ekspozisiyaya başlamaq üçün növbəti sıra öz ekspozisiya vaxtının sonuna çatmış olacaq və proses 4-cü addımdan etibarən təkrarlanacaq.
7. Üst cərgənin oxunuşu tamamlanan kimi, alt cərgənin cari çərçivəni ifşa etməyə başlaması şərti ilə, yuxarı cərgə növbəti kadrın ifşasına başlaya bilər (üst-üstə düşmə rejimi). Ekspozisiya müddəti kadr vaxtından qısadırsa, yuxarı cərgə alt sıranın ekspozisiyaya başlamasını gözləməlidir. Mümkün olan ən qısa məruz qalma adətən bir xətt vaxtıdır.
Tucsenin FL 26BW Soyudulmuş CMOS Kamerası, Sony IMX533 sensorunu özündə əks etdirən bu yayma qapaq texnologiyasından istifadə edir.
Qlobal Kepenk
1. Əldə etməyə başlamaq üçün şarj eyni vaxtda bütün sensordan təmizlənir (piksel quyusunun qlobal sıfırlanması).
2. Ekspozisiya zamanı şarj yığılır.
3. Ekspozisiya sonunda toplanmış yüklər hər piksel daxilində maskalı quyuya köçürülür və burada onlar yeni aşkar edilmiş fotonlar hesablanmadan oxunmasını gözləyə bilərlər. Bəzi kameralar bu mərhələdə yükləri piksel kondansatörünə köçürür.
4. Hər pikselin maskalı sahəsində saxlanılan aşkar edilmiş yüklərlə, pikselin aktiv sahəsi növbəti kadrın ifşasına başlaya bilər (üst-üstə düşmə rejimi).
5. Maskalı sahədən oxunma prosesi fırlanan qapaq sensorlarında olduğu kimi davam edir: Hər dəfə bir sıra, sensorun yuxarı hissəsindən yüklər maskalı quyudan oxuma kondansatörünə və gücləndiriciyə ötürülür.
6. Həmin cərgədəki hər bir gücləndiricidə gərginlik ADC sütununa qoşulur və cərgədəki hər piksel üçün ölçülmüş siqnal.
7. Oxunma və sıfırlama əməliyyatı tamamlamaq üçün "xətt vaxtı" alacaq, bundan sonra proses 5-ci addımdan sonrakı cərgə üçün təkrarlanacaq.
8. Bütün sətirlər oxunduqdan sonra kamera növbəti kadrı oxumağa hazırdır və proses 2-ci addımdan və ya ifşa müddəti artıq keçibsə, 3-cü addımdan təkrarlana bilər.
Tucsenin Libra 3412M Mono sCMOS KamerasıQlobal çekim texnologiyasından istifadə edərək, hərəkət edən nümunələri aydın və sürətli şəkildə çəkməyə imkan verir.
CMOS Sensorlarının müsbət və mənfi cəhətləri
Pros
● Daha yüksək sürətlər: CMOS sensorları adətən CCD və ya EMCCD sensorlarından məlumat ötürmə qabiliyyətinə görə 1-2 dərəcə daha sürətlidir.
● Daha böyük sensorlar: Daha sürətli məlumat ötürmə qabiliyyəti daha yüksək piksel sayına və onlarla və ya yüzlərlə meqapikselə qədər daha böyük baxış sahələrinə imkan verir.
● Aşağı səs-küy: Bəzi CMOS sensorları əlavə səs-küy mənbələri əlavə edən yüklənmənin çoxalmasına ehtiyac duymadan EMCCD-lərlə rəqabət aparan 0.25e- qədər aşağı səs-küyü oxuya bilər.
● Piksel ölçüsü çevikliyi: İstehlakçı və smartfon kamerası sensorları piksel ölçülərini ~1 μm diapazona qədər endirir və piksel ölçüsündə 11 μm-ə qədər olan elmi kameralar geniş yayılmışdır və 16 μm-ə qədər mövcuddur.
● Aşağı enerji istehlakı: CMOS kameralarının aşağı güc tələbləri onları daha müxtəlif elmi və sənaye tətbiqlərində istifadə etməyə imkan verir.
● Qiymət və istifadə müddəti: Aşağı səviyyəli CMOS kameralar adətən CCD kameralara bənzəyir və ya daha aşağı qiymətə malikdir və yüksək səviyyəli CMOS kameralar EMCCD kameralarından xeyli aşağı qiymətə malikdir. Onların gözlənilən xidmət müddəti EMCCD kamerasını xeyli üstələməlidir.
Eksiler
● fırlanan panjur: Elmi CMOS kameralarının əksəriyyətində eksperimental iş axınlarına mürəkkəblik əlavə edə bilən və ya bəzi tətbiqləri istisna edə bilən sürüşmə qapağı var.
● Daha yüksək tünd cərəyant: Əksər CMOS kameralar CCD və EMCCD sensorlarına nisbətən daha yüksək qaranlıq cərəyana malikdir, bəzən uzun ekspozisiyalarda (> 1 saniyə) əhəmiyyətli səs-küy yaradır.
CMOS Sensorlarının Bu Gün İstifadə Olduğu Yerlər
Çox yönlü olması sayəsində CMOS sensorları geniş tətbiqlərdə tapılır:
● İstehlak Elektronikası: Smartfonlar, veb-kameralar, DSLR-lər, hərəkət kameraları.
● Həyat Elmləri: CMOS sensorlarının gücümikroskop kameralarıflüoresan görüntüləmə və tibbi diaqnostikada istifadə olunur.
● Astronomiya: Teleskoplar və kosmik təsvir cihazları tez-tez yüksək ayırdetmə və aşağı səs-küy üçün elmi CMOS (sCMOS) istifadə edir.
● Sənaye Müfəttişliyi: Avtomatlaşdırılmış optik yoxlama (AOI), robototexnika vəyarımkeçiricilərin yoxlanılması üçün kameralarsürət və dəqiqlik üçün CMOS sensorlarına etibar edin.
● Avtomobil: Təkmil Sürücü Yardım Sistemləri (ADAS), arxa görüntü və park kameraları.
● Nəzarət və Təhlükəsizlik: Aşağı işıq və hərəkət aşkarlama sistemləri.
Onların sürəti və qənaətcilliyi CMOS-u həm yüksək həcmli kommersiya istifadəsi, həm də xüsusi elmi iş üçün əsas həll yolu edir.
Niyə CMOS İndi Müasir Standartdır?
CCD-dən CMOS-a keçid bir gecədə baş vermədi, lakin bu qaçılmaz idi. CMOS-un indi təsvir sənayesinin təməl daşı olmasının səbəbi budur:
● İstehsal Üstünlüyü: Standart yarımkeçirici istehsal xətləri üzərində qurulub, dəyəri azaldır və miqyaslılığı yaxşılaşdırır.
● Performans Qazancları: Rolling və qlobal çekim seçimləri, təkmilləşdirilmiş aşağı işığa həssaslıq və daha yüksək kadr sürətləri.
● İnteqrasiya və İntellekt: CMOS sensorları indi çipdə AI emalını, kənar hesablamaları və real vaxt analizini dəstəkləyir.
● İnnovasiya: Yığılmış CMOS, kvanta təsvir sensorları və əyri sensorlar kimi inkişaf etməkdə olan sensor növləri CMOS platformalarında qurulur.
Smartfonlardan tutmuşelmi kameralar, CMOS uyğunlaşa bilən, güclü və gələcəyə hazır olduğunu sübut etdi.
Nəticə
CMOS sensorları performans, səmərəlilik və qiymət balansı sayəsində əksər görüntüləmə tətbiqləri üçün müasir standarta çevrilmişdir. İstər gündəlik xatirələri ələ keçirmək, istərsə də yüksək sürətli elmi təhlillər aparmaq olsun, CMOS texnologiyası günümüzün vizual dünyasının əsasını təşkil edir.
Qlobal bağlama CMOS və sCMOS kimi yeniliklər texnologiyanın imkanlarını genişləndirməyə davam etdikcə, onun üstünlüyü gələcək illər üçün də davam edəcək.
Tez-tez verilən suallar
Yuvarlanan panjur ilə qlobal çekim arasındakı fərq nədir?
Sürətlə hərəkət edən obyektləri çəkərkən hərəkət artefaktlarına (məsələn, əyrilik və ya yırğalanma) səbəb ola bilən fırlanan qapaq şəkil məlumatını sətir-sətir oxuyur.
Qlobal çekim bütün çərçivəni eyni vaxtda çəkir, hərəkət zamanı təhrifi aradan qaldırır. Maşın görmə və elmi təcrübələr kimi yüksək sürətli təsvir tətbiqləri üçün idealdır.
Rolling Shutter CMOS Overlap Mode nədir?
Yuvarlanan CMOS kameralar üçün üst-üstə düşmə rejimində növbəti kadrın ifşası cari kadr tam tamamlanmamışdan əvvəl başlaya bilər ki, bu da daha yüksək kadr sürətlərinə imkan verir. Bu, hər bir cərgənin ekspozisiyası və oxunuşu zamanla mərmərləndiyi üçün mümkündür.
Bu rejim, yüksək sürətli yoxlama və ya real vaxt izləmə kimi maksimum kadr sürəti və ötürmə qabiliyyətinin kritik olduğu tətbiqlərdə faydalıdır. Bununla belə, vaxt və sinxronizasiyanın mürəkkəbliyini bir qədər artıra bilər.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Bütün hüquqlar qorunur. İstinad edərkən mənbəni qeyd edin:www.tucsen.com
