25/08/05От смартфони до научни инструменти, сензорите за изображения са в основата на днешните визуални технологии. Сред тях CMOS сензорите са се превърнали в доминираща сила, захранвайки всичко - от ежедневни снимки до усъвършенствана микроскопия и инспекция на полупроводници.
Технологията „Допълнителни металоксидни полупроводници“ (CMOS) е електронна архитектура и набор от технологии за производствени процеси, чиито приложения са изключително широки. Всъщност може да се каже, че CMOS технологията е в основата на съвременната дигитална ера.
Какво е CMOS сензор?
CMOS сензорите за изображения (CIS) използват активни пиксели, което означава използването на три или повече транзистора във всеки пиксел на камерата. CCD и EMCCD пикселите не съдържат транзистори.
Транзисторите във всеки пиксел позволяват тези „активни“ пиксели да бъдат контролирани, сигналите да бъдат усилвани чрез „полеви“ транзистори и техните данни да бъдат достъпвани паралелно. Вместо един единствен път за отчитане за целия сензор или значителна част от сензора, aCMOS камеравключва поне един цял ред от ADC за отчитане, един (или повече) ADC за всяка колона на сензора. Всеки от тях може да отчита стойността на своята колона едновременно. Освен това, тези сензори с „активен пиксел“ са съвместими с CMOS цифрова логика, което увеличава потенциалната функционалност на сензора.
Заедно тези качества осигуряват на CMOS сензорите тяхната скорост. И все пак, благодарение на това увеличение на паралелизма, отделните аналогово-цифрови преобразуватели (АЦП) са в състояние да измерят детектираните сигнали за по-голяма точност за повече време. Тези по-дълги времена за преобразуване позволяват работа с много нисък шум, дори при по-голям брой пиксели. Благодарение на това и на други иновации, шумът при четене на CMOS сензорите е до 5 – 10 пъти по-нисък от този на CCD сензорите.
Съвременните научни CMOS (sCMOS) камери са специализиран подтип CMOS, проектиран за нискошумово и високоскоростно изобразяване в изследователски приложения.
Как работят CMOS сензорите? (Включително Rolling Shutter срещу Global Shutter)
Работата на типичен CMOS сензор е показана на фигурата и е описана по-долу. Обърнете внимание, че в резултат на оперативните разлики по-долу, времето и работата на експозицията ще се различават за CMOS камерите с глобален и ролинг затвор.
Фигура: Процес на отчитане на данни за CMOS сензор
ЗАБЕЛЕЖКАПроцесът на отчитане за CMOS камери се различава между камерите с „ролинг затвор“ и камерите с „глобален затвор“, както е обсъдено в текста. И в двата случая всеки пиксел съдържа кондензатор и усилвател, които произвеждат напрежение въз основа на броя на откритите фотоелектрони. За всеки ред напреженията за всяка колона се измерват едновременно от аналогово-цифрови преобразуватели на колоните.
Ролетна щора
1. За CMOS сензор с подвижен затвор, започвайки от горния ред (или центъра за камери с разделен сензор), изчистете заряда от реда, за да започнете експозицията на този ред.
2. След като изтече „времето на линията“ (обикновено 5-20 μs), преминете към следващия ред и повторете от стъпка 1, докато целият сензор се експонира.
3. За всеки ред се натрупват заряди по време на експозицията, докато този ред не завърши времето си на експозиция. Първият ред, който започне, ще завърши пръв.
4. След като експозицията приключи за един ред, прехвърлете зарядите към кондензатора за отчитане и усилвателя.
5. Напрежението във всеки усилвател в този ред се свързва към аналогово-цифровия преобразувател (ADC) на колоната и сигналът се измерва за всеки пиксел в реда.
6. Операцията по отчитане и нулиране ще отнеме „времето на линията“, след което следващият ред за започване на експозицията ще е достигнал края на времето си на експозиция и процесът ще се повтори от стъпка 4.
7. Веднага щом отчитането на горния ред приключи, при условие че долният ред е започнал да експонира текущия кадър, горният ред може да започне експозицията на следващия кадър (режим на припокриване). Ако времето за експозиция е по-кратко от времето на кадъра, горният ред трябва да изчака долният ред да започне експозицията. Най-кратката възможна експозиция обикновено е време за един ред.
Охлажданата CMOS камера FL 26BW на Tucsen, включващ сензора Sony IMX533, използва тази технология на ролинг затвора.
Глобален затвор
1. За да започне събирането на данни, зарядът се изчиства едновременно от целия сензор (глобално нулиране на пикселната ямка).
2. Зарядът се натрупва по време на експозиция.
3. В края на експозицията, събраните заряди се преместват в маскиран кладенец във всеки пиксел, където могат да изчакат отчитане, без да се броят новооткритите фотони. Някои камери преместват заряди в пикселния кондензатор на този етап.
4. След като засечените заряди се съхраняват в маскираната област на всеки пиксел, активната област на пиксела може да започне експозицията на следващия кадър (режим на припокриване).
5. Процесът на отчитане от маскираната област протича както при сензорите с подвижен затвор: Ред по ред, от горната част на сензора, зарядите се прехвърлят от маскираната шахта към кондензатора за отчитане и усилвателя.
6. Напрежението във всеки усилвател в този ред е свързано към аналогово-цифровия преобразувател на колоната и сигналът се измерва за всеки пиксел в реда.
7. Операцията по отчитане и нулиране ще отнеме „времето на линията“, след което процесът ще се повтори за следващия ред от стъпка 5.
8. След като всички редове са прочетени, камерата е готова да прочете следващия кадър и процесът може да се повтори от стъпка 2 или стъпка 3, ако времето за експозиция вече е изтекло.
Моно sCMOS камерата на Tucsen Libra 3412Mизползва технология за глобален затвор, която позволява ясно и бързо заснемане на движещи се проби.
Плюсове и минуси на CMOS сензорите
Плюсове
● По-високи скоростиCMOS сензорите обикновено са с 1 до 2 порядъка по-бързи по отношение на пропускателната способност на данните от CCD или EMCCD сензорите.
● По-големи сензориПо-бързият капацитет на данните позволява по-голям брой пиксели и по-големи зрителни полета, до десетки или стотици мегапиксели.
● Нисък шумНякои CMOS сензори могат да имат шум при четене до 0.25e-, конкурирайки се с EMCCD, без да е необходимо умножение на заряда, което добавя допълнителни източници на шум.
● Гъвкавост на размера на пикселитеСензорите за потребителски и смартфонни камери намаляват размера на пикселите до диапазона от ~1 μm, а научните камери с размер на пикселите до 11 μm са често срещани, като се предлагат и до 16 μm.
● По-ниска консумация на енергияНиските изисквания за мощност на CMOS камерите им позволяват да се използват в по-широк спектър от научни и промишлени приложения.
● Цена и експлоатационен животНискокачествените CMOS камери обикновено са със сходна или по-ниска цена от CCD камерите, а висококачествените CMOS камери са много по-евтини от EMCCD камерите. Очакваният им експлоатационен живот би трябвало значително да надвишава този на EMCCD камера.
Недостатъци
● Ролетна щораПо-голямата част от научните CMOS камери имат подвижен затвор, което може да усложни експерименталните работни процеси или да изключи някои приложения.
● По-висок тъмен токt: Повечето CMOS камери имат много по-висок тъмен ток от CCD и EMCCD сензорите, което понякога води до значителен шум при дълги експозиции (> 1 секунда).
Къде се използват CMOS сензори днес
Благодарение на своята гъвкавост, CMOS сензорите намират широко приложение:
● Потребителска електроникаСмартфони, уебкамери, DSLR, екшън камери.
● Науки за животаЗахранване на CMOS сензоримикроскопски камериизползва се във флуоресцентното изобразяване и медицинската диагностика.
● АстрономияТелескопите и устройствата за космическо изобразяване често използват научни CMOS (sCMOS) матрици за висока резолюция и нисък шум.
● Индустриална инспекцияАвтоматизирана оптична инспекция (AOI), роботика икамери за инспекция на полупроводнициразчитат на CMOS сензори за скорост и точност.
● Автомобилна индустрия: Усъвършенствани системи за подпомагане на водача (ADAS), камери за задно виждане и паркиране.
● Видеонаблюдение и сигурностСистеми за откриване на слаба светлина и движение.
Тяхната скорост и икономическа ефективност правят CMOS технологията предпочитано решение както за търговска употреба с голям обем, така и за специализирана научна работа.
Защо CMOS сега е съвременният стандарт
Преходът от CCD към CMOS не се случи за една нощ, но беше неизбежен. Ето защо CMOS сега е крайъгълният камък на индустрията за изображения:
● Производствено предимствоИзграден на стандартни линии за производство на полупроводници, което намалява разходите и подобрява мащабируемостта.
● Подобрения в производителносттаОпции за подвижен и глобален затвор, подобрена чувствителност при слаба светлина и по-висока честота на кадрите.
● Интеграция и интелигентностCMOS сензорите вече поддържат вградена AI обработка, периферни изчисления и анализ в реално време.
● ИновацииНововъзникващите типове сензори, като подредени CMOS, квантови сензори за изображения и извити сензори, са изградени върху CMOS платформи.
От смартфони донаучни камериCMOS се е доказал като адаптивен, мощен и готов за бъдещето.
Заключение
CMOS сензорите са се превърнали в съвременен стандарт за повечето приложения за обработка на изображения, благодарение на баланса си между производителност, ефективност и цена. Независимо дали заснемате ежедневни спомени или извършвате високоскоростен научен анализ, CMOS технологията осигурява основата за днешния визуален свят.
Тъй като иновации като CMOS с глобален затвор и sCMOS продължават да разширяват възможностите на технологията, нейното господство се очаква да продължи през следващите години.
Често задавани въпроси
Каква е разликата между ролетна щора и глобална щора?
Ролиращият се затвор чете данните за изображението ред по ред, което може да причини артефакти от движение (напр. изкривяване или трептене) при заснемане на бързо движещи се обекти.
Глобалният затвор заснема целия кадър едновременно, елиминирайки изкривяванията от движение. Той е идеален за приложения за високоскоростно заснемане, като машинно зрение и научни експерименти.
Какво е режим на припокриване на CMOS с подвижен затвор?
При CMOS камерите с подвижен затвор, в режим на припокриване, експозицията на следващия кадър може да започне, преди текущият да е завършил напълно, което позволява по-висока честота на кадрите. Това е възможно, защото експозицията и отчитането на всеки ред са разпределени във времето.
Този режим е полезен в приложения, където максималната честота на кадрите и пропускателна способност са критични, като например при високоскоростна инспекция или проследяване в реално време. Въпреки това, той може леко да увеличи сложността на синхронизацията и синхронизацията.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Всички права запазени. При цитиране, моля, посочете източника:www.tucsen.com
