25/08/05Od pametnih telefona do naučnih instrumenata, senzori slike su srž današnje vizuelne tehnologije. Među njima, CMOS senzori su postali dominantna snaga, pokrećući sve, od svakodnevnih fotografija do napredne mikroskopije i inspekcije poluprovodnika.
'Komplementarna metal-oksid-poluprovodnička' (CMOS) tehnologija je elektronska arhitektura i skup tehnologija procesa izrade čija je primjena nevjerovatno široka. Zaista, CMOS tehnologija se može reći da je temelj modernog digitalnog doba.
Šta je CMOS senzor?
CMOS senzori slike (CIS) koriste aktivne piksele, što znači upotrebu tri ili više tranzistora u svakom pikselu kamere. CCD i EMCCD pikseli ne sadrže tranzistore.
Tranzistori u svakom pikselu omogućavaju paralelno upravljanje ovim „aktivnim“ pikselima, pojačavanje signala putem tranzistora sa „efektom polja“ i pristup njihovim podacima. Umjesto jedne putanje očitavanja za cijeli senzor ili značajan dio senzora,...CMOS kamerauključuje barem jedan cijeli red ADC-ova za očitavanje, jedan (ili više) ADC-ova za svaku kolonu senzora. Svaki od njih može istovremeno očitavati vrijednost svoje kolone. Nadalje, ovi senzori s 'aktivnim pikselima' kompatibilni su s CMOS digitalnom logikom, što povećava potencijalnu funkcionalnost senzora.
Zajedno, ove osobine daju CMOS senzorima njihovu brzinu. Ipak, zahvaljujući ovom povećanju paralelizma, pojedinačni ADC-ovi mogu duže mjeriti detektovane signale s većom preciznošću. Ova duža vremena konverzije omogućavaju rad s vrlo niskim šumom, čak i za veći broj piksela. Zahvaljujući ovome i drugim inovacijama, šum pri čitanju CMOS senzora obično je i do 5x - 10x niži od šuma pri čitanju CCD-ova.
Moderne naučne CMOS (sCMOS) kamere su specijalizovani podtip CMOS kamera dizajniran za snimanje sa niskim šumom i velikom brzinom u istraživačkim primjenama.
Kako funkcionišu CMOS senzori? (uključujući Rolling Shutter i Global Shutter)
Rad tipičnog CMOS senzora prikazan je na slici i opisan u nastavku. Imajte na umu da će se, kao rezultat dolje navedenih operativnih razlika, vrijeme i rad ekspozicije razlikovati za CMOS kamere s globalnim i rolling shutter senzorom.
Slika: Proces očitavanja za CMOS senzor
NAPOMENAProces očitavanja podataka za CMOS kamere razlikuje se između kamera sa 'rolling shutter' i 'global shutter' tehnologijom, kao što je objašnjeno u tekstu. U oba slučaja, svaki piksel sadrži kondenzator i pojačalo koji proizvode napon na osnovu detektovanog broja fotoelektrona. Za svaki red, naponi za svaku kolonu se mjere istovremeno pomoću analogno-digitalnih pretvarača kolone.
Rolo zatvarač
1. Za CMOS senzor sa rolling shutter tehnologijom, počevši od gornjeg reda (ili centra za kamere sa split-sensor tehnologijom), uklonite naboj iz reda da biste započeli ekspoziciju tog reda.
2. Nakon što istekne 'vrijeme linije' (obično 5-20 μs), pređite na sljedeći red i ponovite postupak od koraka 1, sve dok cijeli senzor ne bude izložen.
3. Za svaki red, naboji se akumuliraju tokom ekspozicije, sve dok taj red ne završi svoje vrijeme ekspozicije. Prvi red koji započne će prvi završiti.
4. Nakon što je ekspozicija završena za jedan red, prenesite naboje na očitavajući kondenzator i pojačalo.
5. Napon u svakom pojačalu u tom redu se zatim povezuje na ADC kolone, a signal se mjeri za svaki piksel u redu.
6. Operacija očitavanja i resetiranja će trajati 'vrijeme linije', nakon čega će sljedeći red za početak ekspozicije dostići kraj svog vremena ekspozicije, a proces će se ponoviti od koraka 4.
7. Čim se očitavanje za gornji red završi, pod uslovom da je donji red započeo ekspoziciju trenutnog kadra, gornji red može započeti ekspoziciju sljedećeg kadra (režim preklapanja). Ako je vrijeme ekspozicije kraće od vremena kadra, gornji red mora čekati da donji red započne ekspoziciju. Najkraća moguća ekspozicija je obično vrijeme jedne linije.
Tucsenova FL 26BW hlađena CMOS kamera, sa Sony IMX533 senzorom, koristi ovu tehnologiju rolling shuttera.
Globalni zatvarač
1. Da bi se započelo snimanje, naboj se istovremeno briše iz cijelog senzora (globalno resetiranje pikselnog bunara).
2. Naelektrisanje se akumulira tokom ekspozicije.
3. Na kraju ekspozicije, prikupljena naboja se premještaju u maskirani prostor unutar svakog piksela, gdje mogu čekati očitavanje bez brojanja novo detektovanih fotona. Neke kamere u ovoj fazi premještaju naboje u piksel kondenzator.
4. Sa detektovanim nabojima pohranjenim u maskiranom području svakog piksela, aktivno područje piksela može započeti ekspoziciju sljedećeg kadra (režim preklapanja).
5. Proces očitavanja iz maskiranog područja odvija se kao kod senzora sa rolo zatvaračem: Red po red, s vrha senzora, naboji se prenose iz maskiranog prostora na kondenzator i pojačalo za očitavanje.
6. Napon u svakom pojačalu u tom redu je povezan sa ADC-om kolone, a signal se mjeri za svaki piksel u redu.
7. Operacija očitavanja i resetiranja će trajati 'vremenski okvir', nakon čega će se proces ponoviti za sljedeći red iz koraka 5.
8. Nakon što su pročitani svi redovi, kamera je spremna za čitanje sljedećeg kadra, a proces se može ponoviti od koraka 2 ili koraka 3 ako je vrijeme ekspozicije već prošlo.
Tucsenova Libra 3412M mono sCMOS kamerakoristi tehnologiju globalnog zatvarača, omogućavajući jasno i brzo snimanje uzoraka u pokretu.
Prednosti i mane CMOS senzora
Prednosti
● Veće brzineCMOS senzori su obično 1 do 2 reda veličine brži u protoku podataka od CCD ili EMCCD senzora.
● Veći senzoriBrži protok podataka omogućava veći broj piksela i veća vidna polja, do desetina ili stotina megapiksela.
● Niska razina bukeNeki CMOS senzori mogu imati šum pri čitanju i do 0,25e-, što je konkurentno EMCCD senzorima bez potrebe za množenjem naboja koje dodaje dodatne izvore šuma.
● Fleksibilnost veličine pikselaSenzori kamera potrošača i pametnih telefona smanjuju veličinu piksela do raspona od ~1 μm, a uobičajene su naučne kamere veličine piksela do 11 μm, a dostupne su i do 16 μm.
● Manja potrošnja energijeNiske potrebe za energijom CMOS kamera omogućavaju im upotrebu u širem spektru naučnih i industrijskih primjena.
● Cijena i vijek trajanjaCMOS kamere niže klase obično su slične ili jeftinije od CCD kamera, a CMOS kamere više klase su mnogo jeftinije od EMCCD kamera. Njihov očekivani vijek trajanja trebao bi znatno premašiti vijek trajanja EMCCD kamere.
Nedostaci
● Rolo zatvaračVećina naučnih CMOS kamera ima rotirajuće zatvarače, što može dodati složenost eksperimentalnim radnim procesima ili isključiti neke primjene.
● Viša tamna strujat: Većina CMOS kamera ima mnogo veću tamnu struju od CCD i EMCCD senzora, što ponekad uzrokuje značajan šum pri dugim ekspozicijama (> 1 sekunda).
Gdje se CMOS senzori danas koriste
Zahvaljujući svojoj svestranosti, CMOS senzori se nalaze u širokom spektru primjena:
● Potrošačka elektronikaPametni telefoni, web kamere, DSLR fotoaparati, akcijske kamere.
● Biološke naukeNapajanje CMOS senzoramikroskopske kamerekoristi se u fluorescentnom snimanju i medicinskoj dijagnostici.
● AstronomijaTeleskopi i uređaji za snimanje svemira često koriste naučni CMOS (sCMOS) za visoku rezoluciju i nizak šum.
● Industrijska inspekcijaAutomatizirana optička inspekcija (AOI), robotika ikamere za inspekciju poluprovodnikaoslanjaju se na CMOS senzore za brzinu i tačnost.
● Automobilska industrijaNapredni sistemi pomoći vozaču (ADAS), kamere za vožnju unazad i parkiranje.
● Nadzor i sigurnostSistemi za detekciju slabog osvjetljenja i pokreta.
Njihova brzina i isplativost čine CMOS idealnim rješenjem kako za komercijalnu upotrebu velikih količina, tako i za specijalizirani naučni rad.
Zašto je CMOS sada moderni standard
Prelazak sa CCD-a na CMOS nije se dogodio preko noći, ali je bio neizbježan. Evo zašto je CMOS sada temelj industrije obrade slike:
● Prednost u proizvodnjiIzgrađeno na standardnim linijama za proizvodnju poluprovodnika, smanjujući troškove i poboljšavajući skalabilnost.
● Poboljšanja performansiOpcije za pomicanje i globalni zatvarač, poboljšana osjetljivost pri slabom osvjetljenju i veća brzina kadrova.
● Integracija i obavještajni podaciCMOS senzori sada podržavaju AI obradu na čipu, računarstvo na rubu mreže i analizu u realnom vremenu.
● InovacijaNove vrste senzora poput složenih CMOS senzora, kvantnih senzora slike i zakrivljenih senzora izgrađene su na CMOS platformama.
Od pametnih telefona donaučne kamereCMOS se pokazao prilagodljivim, moćnim i spremnim za budućnost.
Zaključak
CMOS senzori su evoluirali u moderni standard za većinu aplikacija za obradu slike, zahvaljujući ravnoteži performansi, efikasnosti i cijene. Bilo da se radi o snimanju svakodnevnih uspomena ili provođenju brze naučne analize, CMOS tehnologija pruža osnovu za današnji vizualni svijet.
Kako inovacije poput CMOS-a sa globalnim zatvaračem i sCMOS-a nastavljaju proširivati mogućnosti tehnologije, njena dominacija će se nastaviti u godinama koje dolaze.
Često postavljana pitanja
Koja je razlika između rolo zatvarača i globalnog zatvarača?
Rolling shutter očitava podatke o slici liniju po liniju, što može uzrokovati artefakte kretanja (npr. iskrivljenje ili podrhtavanje) prilikom snimanja brzo pokretnih subjekata.
Globalni zatvarač istovremeno snima cijeli kadar, eliminirajući izobličenja uzrokovana kretanjem. Idealan je za brze aplikacije snimanja poput mašinskog vida i naučnih eksperimenata.
Šta je CMOS režim preklapanja sa rotirajućem zaklopkom?
Kod CMOS kamera sa rolling shutter tehnologijom, u režimu preklapanja, ekspozicija sljedećeg kadra može početi prije nego što se trenutni u potpunosti završi, što omogućava veće brzine kadrova. To je moguće jer su ekspozicija i očitavanje svakog reda vremenski raspoređeni.
Ovaj način rada je koristan u aplikacijama gdje su maksimalna brzina kadrova i propusnost kritični, kao što je to slučaj kod inspekcije velikom brzinom ili praćenja u stvarnom vremenu. Međutim, može neznatno povećati složenost određivanja vremena i sinhronizacije.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Sva prava pridržana. Prilikom citiranja, molimo navedite izvor:www.tucsen.com
