25/08/05Des dels telèfons intel·ligents fins als instruments científics, els sensors d'imatge són el cor de la tecnologia visual actual. Entre aquests, els sensors CMOS s'han convertit en la força dominant, impulsant tot, des de fotos quotidianes fins a microscòpia avançada i inspecció de semiconductors.
La tecnologia CMOS (semiconductor d'òxid metàl·lic complementari) és una arquitectura electrònica i un conjunt de tecnologies de processos de fabricació les aplicacions de les quals són increïblement àmplies. De fet, es podria dir que la tecnologia CMOS és la base de l'era digital moderna.
Què és un sensor CMOS?
Els sensors d'imatge CMOS (CIS) utilitzen píxels actius, és a dir, l'ús de tres o més transistors a cada píxel de la càmera. Els píxels CCD i EMCCD no contenen transistors.
Els transistors de cada píxel permeten controlar aquests píxels "actius", amplificar els senyals mitjançant transistors "d'efecte de camp" i accedir a les seves dades, tot en paral·lel. En lloc d'una única ruta de lectura per a tot un sensor o una fracció significativa d'un sensor, unCàmera CMOSinclou almenys una fila sencera de convertidors A/D de lectura, un (o més) convertidors A/D per a cada columna del sensor. Cadascun d'aquests pot llegir el valor de la seva columna simultàniament. A més, aquests sensors de "píxel actiu" són compatibles amb la lògica digital CMOS, cosa que augmenta la funcionalitat potencial del sensor.
Juntes, aquestes qualitats donen als sensors CMOS la seva velocitat. Tot i això, gràcies a aquest augment del paral·lelisme, els ADC individuals poden trigar més a mesurar els senyals detectats amb més precisió. Aquests temps de conversió més llargs permeten un funcionament amb molt baix soroll, fins i tot per a un nombre més elevat de píxels. Gràcies a això i a altres innovacions, el soroll de lectura dels sensors CMOS tendeix a ser fins a 5 o 10 vegades inferior al dels CCD.
Les càmeres CMOS científiques modernes (sCMOS) són un subtipus especialitzat de CMOS dissenyat per a imatges de baix soroll i alta velocitat en aplicacions de recerca.
Com funcionen els sensors CMOS? (Incloent-hi l'obturador rotatiu i l'obturador global)
El funcionament d'un sensor CMOS típic es mostra a la figura i s'esbossa a continuació. Cal tenir en compte que, com a resultat de les diferències operatives següents, el temps i el funcionament de l'exposició seran diferents per a les càmeres CMOS d'obturador global i les d'obturador rotatiu.
Figura: Procés de lectura per al sensor CMOS
NOTAEl procés de lectura per a les càmeres CMOS difereix entre les càmeres amb "obturador rodant" i les amb "obturador global", tal com es descriu al text. En qualsevol cas, cada píxel conté un condensador i un amplificador que produeixen un voltatge basat en el recompte de fotoelectrons detectats. Per a cada fila, els voltatges de cada columna es mesuren simultàniament mitjançant convertidors analògic-digitals de columna.
Obturador enrotllable
1. Per a un sensor CMOS amb obturador giratori, començant per la fila superior (o el centre per a càmeres amb sensor dividit), elimineu la càrrega de la fila per començar l'exposició d'aquesta fila.
2. Un cop transcorregut el "temps de línia" (normalment de 5 a 20 μs), passeu a la fila següent i repetiu des del pas 1 fins que tot el sensor estigui exposat.
3. Per a cada fila, les càrregues s'acumulen durant l'exposició, fins que aquesta fila ha acabat el seu temps d'exposició. La primera fila que comenci acabarà primer.
4. Un cop finalitzada l'exposició per a una fila, transferiu les càrregues al condensador de lectura i a l'amplificador.
5. El voltatge de cada amplificador d'aquesta fila es connecta al convertidor analogic-digital (ADC) de columna i el senyal es mesura per a cada píxel de la fila.
6. L'operació de lectura i reinici trigarà el "temps de línia" a completar-se, després del qual la següent fila per iniciar l'exposició haurà arribat al final del seu temps d'exposició i el procés es repetirà des del pas 4.
7. Tan bon punt s'hagi completat la lectura de la fila superior, sempre que la fila inferior hagi començat a exposar el fotograma actual, la fila superior pot començar l'exposició del fotograma següent (mode de superposició). Si el temps d'exposició és més curt que el temps del fotograma, la fila superior ha d'esperar que la fila inferior comenci l'exposició. L'exposició més curta possible sol ser una línia de temps.
Càmera CMOS refrigerada FL 26BW de Tucsen, que incorpora el sensor Sony IMX533, utilitza aquesta tecnologia d'obturador rodant.
Obturador global
1. Per començar l'adquisició, la càrrega s'elimina simultàniament de tot el sensor (reinici global del pou de píxels).
2. La càrrega s'acumula durant l'exposició.
3. Al final de l'exposició, les càrregues recollides es mouen a un pou emmascarat dins de cada píxel, on poden esperar la lectura sense que es comptin els nous fotons detectats. Algunes càmeres mouen les càrregues al condensador de píxels en aquesta etapa.
4. Amb les càrregues detectades emmagatzemades a l'àrea emmascarada de cada píxel, l'àrea activa del píxel pot començar l'exposició del següent fotograma (mode de superposició).
5. El procés de lectura de la zona emmascarada continua com en els sensors de l'obturador rodant: fila rere fila, des de la part superior del sensor, les càrregues es transfereixen des del pou emmascarat fins al condensador de lectura i l'amplificador.
6. El voltatge de cada amplificador d'aquesta fila es connecta al convertidor analogic-digital (ADC) de columna i el senyal es mesura per a cada píxel de la fila.
7. L'operació de lectura i reinici trigarà el "temps de línia" a completar-se, i després el procés es repetirà per a la següent fila del pas 5.
8. Un cop s'han llegit totes les files, la càmera està a punt per llegir el següent fotograma i es pot repetir el procés des del pas 2 o des del pas 3 si ja ha transcorregut el temps d'exposició.
Càmera Libra 3412M Mono sCMOS de Tucsenutilitza tecnologia d'obturador global, que permet una captura clara i ràpida de mostres en moviment.
Avantatges i inconvenients dels sensors CMOS
Pros
● Velocitats més altesEls sensors CMOS solen tenir un rendiment de dades d'1 a 2 ordres de magnitud més ràpid que els sensors CCD o EMCCD.
● Sensors més gransUn rendiment de dades més ràpid permet un nombre de píxels més elevat i camps de visió més amplis, fins a desenes o centenars de megapíxels.
● Soroll baixAlguns sensors CMOS poden tenir un soroll de lectura tan baix com 0,25e-, rivalitzant amb els EMCCD sense necessitat de multiplicar la càrrega que afegeix fonts de soroll addicionals.
● Flexibilitat de la mida dels píxelsEls sensors de les càmeres dels consumidors i dels telèfons intel·ligents redueixen les mides dels píxels fins a un rang d'aproximadament 1 μm, i les càmeres científiques de fins a 11 μm de mida de píxel són habituals, i hi ha disponibles fins a 16 μm.
● Menor consum d'energiaEls baixos requisits d'energia de les càmeres CMOS permeten el seu ús en una varietat més àmplia d'aplicacions científiques i industrials.
● Preu i duradaLes càmeres CMOS de gamma baixa solen ser similars o de menor cost a les càmeres CCD, i les càmeres CMOS de gamma alta són molt més barates que les càmeres EMCCD. La seva vida útil esperada hauria de superar amb escreix la d'una càmera EMCCD.
Contres
● Obturador enrotllableLa majoria de càmeres CMOS científiques tenen un obturador rodant, cosa que pot afegir complexitat als fluxos de treball experimentals o descartar algunes aplicacions.
● Moneda fosca més altat: La majoria de càmeres CMOS tenen un corrent de foscor molt més alt que els sensors CCD i EMCCD, i de vegades introdueixen soroll significatiu en exposicions llargues (> 1 segon).
On s'utilitzen els sensors CMOS avui dia
Gràcies a la seva versatilitat, els sensors CMOS es troben en una àmplia gamma d'aplicacions:
● Electrònica de consum: Telèfons intel·ligents, càmeres web, càmeres rèflex digitals, càmeres d'acció.
● Ciències de la vidaPotència dels sensors CMOScàmeres de microscòpiautilitzat en imatges de fluorescència i diagnòstic mèdic.
● AstronomiaEls telescopis i els dispositius d'imatge espacial sovint utilitzen CMOS científic (sCMOS) per a una alta resolució i un baix soroll.
● Inspecció industrialInspecció òptica automatitzada (AOI), robòtica icàmeres per a la inspecció de semiconductorsconfien en sensors CMOS per a la velocitat i la precisió.
● AutomocióSistemes avançats d'assistència al conductor (ADAS), càmeres de visió posterior i d'aparcament.
● Vigilància i seguretatSistemes de detecció de moviment i poca llum.
La seva velocitat i rendibilitat fan del CMOS la solució ideal tant per a ús comercial d'alt volum com per a treballs científics especialitzats.
Per què el CMOS és ara l'estàndard modern
El canvi de CCD a CMOS no va succeir de la nit al dia, però era inevitable. Aquí teniu per què el CMOS és ara la pedra angular de la indústria de la imatge:
● Avantatge de fabricacióConstruït sobre línies de fabricació de semiconductors estàndard, reduint costos i millorant l'escalabilitat.
● Millores de rendimentOpcions d'obturador global i rodant, sensibilitat millorada amb poca llum i freqüència d'imatges més alta.
● Integració i intel·ligènciaEls sensors CMOS ara admeten el processament d'IA integrat en un xip, la computació perimetral i l'anàlisi en temps real.
● InnovacióEls tipus de sensors emergents com els CMOS apilats, els sensors d'imatge quàntica i els sensors corbats es basen en plataformes CMOS.
Des dels telèfons intel·ligents fins acàmeres científiques, El CMOS ha demostrat ser adaptable, potent i preparat per al futur.
Conclusió
Els sensors CMOS han evolucionat fins a convertir-se en l'estàndard modern per a la majoria d'aplicacions d'imatge, gràcies al seu equilibri entre rendiment, eficiència i cost. Tant si es tracta de capturar records quotidians com de dur a terme anàlisis científiques d'alta velocitat, la tecnologia CMOS proporciona la base del món visual actual.
A mesura que innovacions com el CMOS d'obturador global i el sCMOS continuen ampliant les capacitats de la tecnologia, es preveu que el seu domini continuï durant els propers anys.
Preguntes freqüents
Quina diferència hi ha entre un obturador rodant i un obturador global?
Un obturador rodant llegeix les dades de la imatge línia per línia, cosa que pot causar artefactes de moviment (per exemple, biaix o oscil·lació) en capturar subjectes en moviment ràpid.
Un obturador global captura tot el fotograma simultàniament, eliminant la distorsió del moviment. És ideal per a aplicacions d'imatges d'alta velocitat com la visió artificial i els experiments científics.
Què és el mode de superposició CMOS de l'obturador giratori?
Per a les càmeres CMOS amb obturador giratori, en mode de superposició, l'exposició del següent fotograma pot començar abans que l'actual s'hagi completat completament, cosa que permet freqüències de fotogrames més altes. Això és possible perquè l'exposició i la lectura de cada fila estan esglaonades en el temps.
Aquest mode és útil en aplicacions on la velocitat màxima de fotogrames i el rendiment són crítics, com ara en la inspecció d'alta velocitat o el seguiment en temps real. Tanmateix, pot augmentar lleugerament la complexitat de la sincronització i la sincronització.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Tots els drets reservats. Quan citeu, si us plau, indiqueu la font:www.tucsen.com
