25/08/05Ад смартфонаў да навуковых прыбораў, датчыкі выявы з'яўляюцца асновай сучасных візуальных тэхналогій. Сярод іх CMOS-датчыкі сталі дамінуючай сілай, забяспечваючы ўсё: ад паўсядзённых фатаграфій да складанай мікраскапіі і кантролю паўправаднікоў.
Тэхналогія «камплементарных металааксідна-паўправадніковых прылад» (КМАП) — гэта электронная архітэктура і набор тэхналогій вытворчых працэсаў, прымяненне якіх неверагодна шырокае. І сапраўды, можна сказаць, што КМАП-тэхналогія ляжыць у аснове сучаснай лічбавай эпохі.
Што такое CMOS-датчык?
CMOS-датчыкі выявы (CIS) выкарыстоўваюць актыўныя пікселі, гэта значыць выкарыстанне трох ці больш транзістараў у кожным пікселі камеры. Пікселі CCD і EMCCD не ўтрымліваюць транзістараў.
Транзістары ў кожным пікселі дазваляюць кіраваць гэтымі «актыўнымі» пікселямі, узмацняць сігналы праз «палявыя» транзістары і атрымліваць доступ да іх дадзеных — усё паралельна. Замест аднаго шляху счытвання для ўсяго датчыка або значнай яго часткі,...CMOS-камерауключае як мінімум адзін цэлы радок АЦП счытвання, адзін (ці больш) АЦП для кожнага слупка датчыка. Кожны з іх можа адначасова счытваць значэнне свайго слупка. Акрамя таго, гэтыя датчыкі з «актыўнымі пікселямі» сумяшчальныя з лічбавай логікай CMOS, што павялічвае патэнцыйную функцыянальнасць датчыка.
Разам гэтыя якасці забяспечваюць хуткасць працы CMOS-датчыкаў. Аднак, дзякуючы павелічэнню паралелізму, асобныя АЦП могуць вымяраць выяўленыя сігналы даўжэй і дакладней. Гэты больш працяглы час пераўтварэння дазваляе працаваць з вельмі нізкім узроўнем шуму, нават пры большай колькасці пікселяў. Дзякуючы гэтаму і іншым інавацыям, шум чытання CMOS-датчыкаў звычайна ў 5-10 разоў ніжэйшы, чым у CCD-датчыкаў.
Сучасныя навуковыя CMOS-камеры (sCMOS) — гэта спецыялізаваны падтып CMOS, прызначаны для нізкашумнай і хуткаснай візуалізацыі ў даследчых мэтах.
Як працуюць CMOS-датчыкі? (У тым ліку рухомы і глабальны затвор)
Прынцып працы тыповага CMOS-датчыка паказаны на малюнку і апісаны ніжэй. Звярніце ўвагу, што з-за адрозненняў у працы, паказаных ніжэй, час і рэжым экспазіцыі будуць адрознівацца для CMOS-камер з глабальным і рухомым затворам.
ЗАЎВАГА: Працэс зчытвання дадзеных для CMOS-камер адрозніваецца ў камерах з «рухомым затворам» і «глабальным затворам», як абмяркоўвалася ў тэксце. У абодвух выпадках кожны піксель змяшчае кандэнсатар і ўзмацняльнік, якія ствараюць напружанне на аснове выяўленай колькасці фотаэлектронаў. Для кожнага радка напружанне для кожнага слупка вымяраецца адначасова аналага-лічбавымі пераўтваральнікамі слупка.
Рулонны затвор
1. Для CMOS-датчыка з рухомым затворам, пачынаючы з верхняга радка (або цэнтра для камер з падзеленым датчыкам), зніміце зарад з радка, каб пачаць экспазіцыю гэтага радка.
2. Пасля заканчэння «часу лініі» (звычайна 5-20 мкс) перайдзіце да наступнага радка і паўтарайце дзеянні, пачынаючы з кроку 1, пакуль не будзе адкрыты ўвесь датчык.
3. Для кожнага радка зарады назапашваюцца падчас экспазіцыі, пакуль не скончыцца час экспазіцыі гэтага радка. Першы радок, які пачнецца, скончыцца першым.
4. Пасля завяршэння экспазіцыі для радка перанясіце зарады на кандэнсатар счытвання і ўзмацняльнік.
5. Напружанне ў кожным узмацняльніку ў гэтым радку затым падключаецца да слупковага АЦП, і сігнал вымяраецца для кожнага пікселя ў радку.
6. Аперацыя зчытвання і скіду зойме «час лініі», пасля чаго наступны радок для пачатку экспазіцыі дасягне канца свайго часу экспазіцыі, і працэс паўторыцца з кроку 4.
7. Як толькі зчытванне верхняга радка завершана, пры ўмове, што ніжні радок пачаў экспазіцыю бягучага кадра, верхні радок можа пачаць экспазіцыю наступнага кадра (рэжым перакрыцця). Калі час экспазіцыі карацейшы за час кадра, верхні радок павінен пачакаць, пакуль ніжні радок пачне экспазіцыю. Звычайна самая кароткая магчымая экспазіцыя складае адзін радок.
Астуджаная CMOS-камера Tucsen FL 26BWз матрыцай Sony IMX533 выкарыстоўвае гэту тэхналогію рухомага затвора.
Глабальны затвор
1. Каб пачаць збор дадзеных, зарад адначасова скідаецца з усяго датчыка (глабальны скід піксельнай ямы).
2. Зарад назапашваецца падчас уздзеяння.
3. Пасля заканчэння экспазіцыі сабраныя зарады перамяшчаюцца ў замаскіраваную лунку ўнутры кожнага пікселя, дзе яны могуць чакаць счытвання без падліку новых выяўленых фатонаў. Некаторыя камеры перамяшчаюць зарады ў піксельны кандэнсатар на гэтым этапе.
4. Пасля таго, як выяўленыя зарады захоўваюцца ў замаскіраванай вобласці кожнага пікселя, актыўная вобласць пікселя можа пачаць экспазіцыю наступнага кадра (рэжым перакрыцця).
5. Працэс зчытвання з замаскіраванай вобласці адбываецца гэтак жа, як і для датчыкаў рухомага засаўкі: па радках, з верхняй часткі датчыка, зарады перадаюцца з замаскіраванай ямы на кандэнсатар і ўзмацняльнік счытвання.
6. Напружанне ў кожным узмацняльніку ў гэтым радку падключаецца да слупковага АЦП, і сігнал вымяраецца для кожнага пікселя ў радку.
7. Аперацыя зчытвання і скіду зойме «лінейны час», пасля чаго працэс паўторыцца для наступнага радка з кроку 5.
8. Пасля таго, як усе радкі будуць прачытаны, камера гатовая прачытаць наступны кадр, і працэс можна паўтарыць з кроку 2 або кроку 3, калі час экспазіцыі ўжо скончыўся.
Манаграфічная sCMOS-камера Tucsen Libra 3412Mвыкарыстоўвае тэхналогію глабальнага затвора, што дазваляе выразна і хутка здымаць рухомыя ўзоры.
Плюсы і мінусы CMOS-датчыкаў
Плюсы
● Больш высокія хуткасціCMOS-датчыкі звычайна на 1-2 парадкі хутчэйшыя па прапускной здольнасці дадзеных, чым CCD-датчыкі або EMCCD-датчыкі.
● Большыя датчыкіБольш хуткая прапускная здольнасць дадзеных дазваляе павялічыць колькасць пікселяў і пашырыць палі зроку, да дзясяткаў ці соцень мегапікселяў.
● Нізкі ўзровень шумуНекаторыя CMOS-датчыкі могуць мець шум чытання да 0,25e-, што канкуруе з EMCCD без неабходнасці памнажэння зарада, якое дадае дадатковыя крыніцы шуму.
● Гнуткасць памеру пікселяДатчыкі камер бытавой тэхнікі і смартфонаў памяншаюць памеры пікселяў да дыяпазону ~1 мкм, а навуковыя камеры з памерам пікселяў да 11 мкм з'яўляюцца распаўсюджанымі, а даступныя і да 16 мкм.
● Ніжэйшае спажыванне энергііНізкія патрабаванні да магутнасці CMOS-камер дазваляюць выкарыстоўваць іх у больш шырокім дыяпазоне навуковых і прамысловых ужыванняў.
● Кошт і тэрмін службыБюджэтныя CMOS-камеры звычайна падобныя або таннейшыя за CCD-камеры, а CMOS-камеры высокага класа значна таннейшыя за EMCCD-камеры. Іх меркаваны тэрмін службы павінен значна перавышаць тэрмін службы камеры EMCCD.
Мінусы
● Рулонны затворБольшасць навуковых CMOS-камер маюць рухомы затвор, што можа ўскладніць эксперыментальныя працоўныя працэсы або зрабіць некаторыя прымяненні немагчымымі.
● Вышэйшы цёмны токt: Большасць CMOS-камер маюць значна большы цёмны ток, чым CCD- і EMCCD-датчыкі, што часам прыводзіць да значнага шуму пры працяглых вытрымках (> 1 секунды).
Дзе CMOS-датчыкі выкарыстоўваюцца сёння
Дзякуючы сваёй універсальнасці, CMOS-датчыкі знаходзяць шырокае прымяненне ў:
● Бытавая электронікаСмартфоны, вэб-камеры, люстраныя фотаапараты, экшн-камеры.
● Навукі аб жыцціХарчаванне CMOS-датчыкаўмікраскапічныя камерывыкарыстоўваецца ў флуарэсцэнтнай візуалізацыі і медыцынскай дыягностыцы.
● АстраноміяТэлескопы і прылады касмічнай візуалізацыі часта выкарыстоўваюць навуковыя CMOS-матрыцы (sCMOS) для атрымання высокай раздзяляльнай здольнасці і нізкага ўзроўню шуму.
● Прамысловая інспекцыяАўтаматызаваная аптычная праверка (AOI), робататэхніка ікамеры для кантролю паўправаднікоўспадзявацца на CMOS-датчыкі для хуткасці і дакладнасці.
● Аўтамабільная прамысловасць: Пашыраныя сістэмы дапамогі кіроўцу (ADAS), камеры задняга віду і паркоўкі.
● Відэаназіранне і бяспекаСістэмы выяўлення руху і нізкай асветленасці.
Дзякуючы хуткасці і эканамічнай эфектыўнасці, CMOS-тэхналогіі з'яўляюцца найлепшым рашэннем як для камерцыйнага выкарыстання ў вялікіх аб'ёмах, так і для спецыялізаванай навуковай працы.
Чаму CMOS цяпер з'яўляецца сучасным стандартам
Пераход ад CCD да CMOS не адбыўся за адну ноч, але быў непазбежным. Вось чаму CMOS цяпер з'яўляецца краевугольным каменем індустрыі візуалізацыі:
● Вытворчая перавагаПабудаваны на стандартных лініях па вытворчасці паўправаднікоў, што зніжае кошт і паляпшае маштабаванасць.
● Паляпшэнне прадукцыйнасціПараметры рухомага і глабальнага затвора, палепшаная адчувальнасць пры слабым асвятленні і больш высокая частата кадраў.
● Інтэграцыя і інтэлектCMOS-датчыкі цяпер падтрымліваюць убудаваную апрацоўку штучнага інтэлекту, перыферыйныя вылічэнні і аналіз у рэжыме рэальнага часу.
● ІнавацыіНовыя тыпы датчыкаў, такія як шматслаёвыя CMOS-датчыкі, квантавыя датчыкі выявы і выгнутыя датчыкі, пабудаваны на CMOS-платформах.
Ад смартфонаў данавуковыя камерыCMOS даказаў сваю адаптыўнасць, магутнасць і гатоўнасць да будучыні.
Выснова
Дзякуючы свайму балансу прадукцыйнасці, эфектыўнасці і кошту, CMOS-датчыкі сталі сучасным стандартам для большасці задач апрацоўкі выяваў. Незалежна ад таго, ці здымаеце вы паўсядзённыя ўспаміны, ці праводзіце высакахуткасны навуковы аналіз, CMOS-тэхналогія забяспечвае аснову для сучаснага візуальнага свету.
Паколькі такія інавацыі, як CMOS з глабальным затворам і sCMOS, працягваюць пашыраць магчымасці тэхналогіі, яе дамінаванне, верагодна, захаваецца яшчэ доўгія гады.
Часта задаваныя пытанні
У чым розніца паміж рулонным затворам і глабальным затворам?
Рухомы затвор зчытвае дадзеныя выявы радок за радком, што можа выклікаць артэфакты руху (напрыклад, перакос або ваганні) пры здымцы хутка рухаючыхся аб'ектаў.
Глабальны затвор захоплівае ўвесь кадр адначасова, ліквідуючы скажэнні ад руху. Ён ідэальна падыходзіць для хуткаснай візуалізацыі, напрыклад, для машыннага зроку і навуковых эксперыментаў.
Што такое рэжым перакрыцця CMOS з рухомым затворам?
У CMOS-камерах з рухомым затворам у рэжыме перакрыцця экспазіцыя наступнага кадра можа пачацца да таго, як бягучы цалкам завершыцца, што дазваляе дасягнуць больш высокай частаты кадраў. Гэта магчыма таму, што экспазіцыя і зчытванне кожнага радка зрушаныя па часе.
Гэты рэжым карысны ў тых выпадках, калі максімальная частата кадраў і прапускная здольнасць маюць вырашальнае значэнне, напрыклад, пры хуткаснай праверцы або адсочванні ў рэжыме рэальнага часу. Аднак ён можа некалькі павялічыць складанасць вызначэння часу і сінхранізацыі.
