Capiscendu i sensori CMOS: U standard mudernu per a maiò parte di l'imaghjini |

Da i smartphones à i strumenti scientifichi, i sensori d'imagine sò à u core di a tecnulugia visuale d'oghje. Frà questi, i sensori CMOS sò diventati a forza dominante, alimentendu tuttu, da e foto di ogni ghjornu à a microscopia avanzata è l'ispezione di semiconduttori.

A tecnulugia "Complementary Metal Oxide Semiconductor" (CMOS) hè un'architettura elettronica è un inseme di tecnulugie di prucessi di fabricazione chì e so applicazioni sò incredibilmente larghe. In fatti, si puderebbe dì chì a tecnulugia CMOS hè a basa di l'era digitale muderna.

Chì ghjè un sensore CMOS?

I sensori d'imagine CMOS (CIS) utilizanu pixel attivi, vale à dì l'usu di trè o più transistor in ogni pixel di a camera. I pixel CCD è EMCCD ùn cuntenenu micca transistor.

I transistor in ogni pixel permettenu di cuntrullà sti pixel "attivi", di amplificare i signali per mezu di transistor "à effettu di campu" è di accede à i so dati, tuttu in parallelu. Invece di un unicu percorsu di lettura per un sensore interu o una frazione significativa di un sensore, unCamera CMOSinclude almenu una fila sana di ADC di lettura, unu (o più) ADC per ogni colonna di u sensore. Ognunu di questi pò leghje u valore di a so colonna simultaneamente. Inoltre, questi sensori di "pixel attivi" sò cumpatibili cù a logica digitale CMOS, aumentendu a funzionalità potenziale di u sensore.

Inseme, ste qualità danu à i sensori CMOS a so velocità. Eppuru, grazia à questu aumentu di parallelismu, i singoli ADC sò capaci di piglià più tempu per misurà i so signali rilevati cù più precisione. Quessi tempi di cunversione più lunghi permettenu un funziunamentu à rumore assai bassu, ancu per un numeru di pixel più altu. Grazie à questu, è à altre innovazioni, u rumore di lettura di i sensori CMOS tende à esse finu à 5x - 10x inferiore à quellu di i CCD.

E camere CMOS scientifiche muderne (sCMOS) sò un sottotipu specializatu di CMOS cuncepitu per l'imaghjini à bassu rumore è à alta velocità in applicazioni di ricerca.

Cumu funzionanu i sensori CMOS? (Cumprese l'otturatore rotante vs. globale)

U funziunamentu di un sensore CMOS tipicu hè mostratu in a figura è descrittu quì sottu. Nutate bè chì, per via di e differenze operative quì sottu, u tempu è u funziunamentu di l'esposizione saranu diffirenti per e camere CMOS à otturatore glubale versus rolling shutter.

Figura: Prucessu di lettura per u sensore CMOS

NOTAU prucessu di lettura per e camere CMOS hè diversu trà e camere "rolling shutter" è "global shutter", cum'è discrittu in u testu. In ogni casu, ogni pixel cuntene un condensatore è un amplificatore chì producenu una tensione basata annantu à u numeru di fotoelettroni rilevati. Per ogni riga, e tensioni per ogni colonna sò misurate simultaneamente da cunvertitori analogichi-digitali di colonna.

Serranda rotante

1. Per un sensore CMOS à otturatore rotante, cuminciendu da a fila superiore (o da u centru per e camere à sensore split), sguassate a carica da a fila per inizià l'esposizione di quella fila.
2. Dopu chì u "tempu di linea" hè scadutu (tipicamente 5-20 μs), passate à a riga dopu è ripetite da u passu 1, finu à chì tuttu u sensore sia espostu.
3. Per ogni fila, e cariche s'accumulanu durante l'esposizione, finu à chì quella fila hà finitu u so tempu d'esposizione. A prima fila à cumincià finirà prima.
4. Una volta chì l'esposizione hè finita per una fila, trasferisce e cariche à u condensatore di lettura è à l'amplificatore.
5. A tensione in ogni amplificatore in quella fila hè tandu cunnessa à l'ADC di colonna, è u signale hè misuratu per ogni pixel in a fila.
6. L'operazione di lettura è di reset piglierà u "tempu di linea" per compie, dopu à quale a prossima riga per inizià l'esposizione averà righjuntu a fine di u so tempu di esposizione, è u prucessu ripetutu da u passu 4.
7. Appena a lettura hè cumpleta per a fila superiore, basta chì a fila inferiore abbia cuminciatu à espone u quadru attuale, a fila superiore pò cumincià l'esposizione di u prossimu quadru (modalità di sovrapposizione). Sè u tempu di esposizione hè più cortu di u tempu di u quadru, a fila superiore deve aspittà chì a fila inferiore cummenci l'esposizione. L'esposizione più corta pussibule hè tipicamente un tempu di linea.

A camera CMOS raffreddata FL 26BW di Tucsen, chì presenta u sensore Sony IMX533, utilizza sta tecnulugia di otturatore rotante.

Otturatore Globale

Fonte:Sensore d'imagine CMOS à otturatore globale GMAX3412

1. Per principià l'acquisizione, a carica hè simultaneamente eliminata da tuttu u sensore (reset globale di u pozzu di pixel).
2. A carica s'accumula durante l'esposizione.
3. À a fine di l'esposizione, e cariche raccolte sò spostate in un pozzu mascheratu in ogni pixel, induve ponu aspittà a lettura senza chì i novi fotoni rilevati sianu cuntati. Alcune camere spostanu e cariche in u condensatore di pixel in questa fase.
4. Cù e cariche rilevate almacenate in l'area mascherata di ogni pixel, l'area attiva di u pixel pò cumincià l'esposizione di u prossimu quadru (modalità di sovrapposizione).
5. U prucessu di lettura da a zona mascherata procede cum'è per i sensori à otturatore rotante: Una fila à a volta, da a cima di u sensore, e cariche sò trasferite da u pozzu mascheratu à u condensatore di lettura è l'amplificatore.
6. A tensione in ogni amplificatore in quella fila hè cunnessa à l'ADC di colonna, è u signale hè misuratu per ogni pixel in a fila.
7. L'operazione di lettura è di reset piglierà u "tempu di linea" per compie, dopu à quale u prucessu si ripeterà per a prossima riga da u passu 5.
8. Una volta chì tutte e righe sò state lette, a camera hè pronta à leghje u prossimu quadru, è u prucessu pò esse ripetutu da u passu 2, o da u passu 3 se u tempu di esposizione hè digià scadutu.

A camera Libra 3412M Mono sCMOS di Tucsenutilizza a tecnulugia di l'otturatore globale, chì permette una cattura chjara è rapida di campioni in muvimentu.

Vantaghji è svantaghji di i sensori CMOS

Pro

● Velocità più elevateI sensori CMOS sò tipicamente da 1 à 2 ordini di grandezza più veloci in u rendimentu di dati cà i sensori CCD o EMCCD.
● Sensori più grandiUn rendimentu di dati più veloce permette un numeru di pixel più altu è campi di vista più grandi, finu à decine o centinaie di megapixel.
● Bassu rumoreCerti sensori CMOS ponu avè un rumore di lettura finu à 0,25e-, rivalendu cù l'EMCCD senza bisognu di multiplicazione di carica chì aghjusta fonti di rumore supplementari.
● Flessibilità di a dimensione di i pixelI sensori di e camere di i cunsumatori è di i smartphone riducenu e dimensioni di i pixel finu à a gamma di ~ 1 μm, è e camere scientifiche finu à 11 μm di dimensione di pixel sò cumuni, è finu à 16 μm sò dispunibili.
● Cunsumu energeticu più bassuI bassi requisiti di putenza di e camere CMOS permettenu l'usu in una più larga varietà di applicazioni scientifiche è industriali.
● Prezzu è durata di vitaE camere CMOS di bassa gamma sò tipicamente simili o di costu inferiore à e camere CCD, è e camere CMOS di alta gamma sò assai più economiche chè e camere EMCCD. A so durata di vita prevista duveria superà di gran lunga quella di una camera EMCCD.

Inconvénienti

● SarrollaA maiò parte di e camere CMOS scientifiche anu un otturatore rotante, chì pò aghjunghje cumplessità à i flussi di travagliu sperimentali o escludere alcune applicazioni.
● Curren scuru più altut: A maiò parte di e camere CMOS anu una corrente di scuru assai più alta chè i sensori CCD è EMCCD, qualchì volta introducendu un rumore significativu nantu à lunghe esposizioni (> 1 secondu).

Induve i sensori CMOS sò usati oghje

Grazie à a so versatilità, i sensori CMOS si trovanu in una vasta gamma di applicazioni:

● Elettronica di cunsumuSmartphone, webcam, DSLR, action cam.
● Scienze di a Vita: Sensori CMOS di putenzacamere di microscopiaadupratu in l'imaghjini di fluorescenza è in a diagnostica medica.

● AstronomiaI telescopi è i dispusitivi d'imaghjini spaziali utilizanu spessu CMOS scientificu (sCMOS) per alta risoluzione è bassu rumore.
● Ispezione IndustrialeIspezione ottica automatizata (AOI), robotica ècamere per l'ispezione di semiconduttoriaffidatevi à i sensori CMOS per a velocità è a precisione.

● AutomotiveSistemi avanzati di assistenza à a guida (ADAS), camere di retromarcia è di parcheghju.
● Surveglianza è SicurezzaSistemi di rilevazione di muvimentu è di poca luce.

A so velocità è a so efficienza in termini di costi facenu di CMOS a suluzione ideale sia per l'usu cummerciale di grande vulume sia per u travagliu scientificu specializatu.

Perchè CMOS hè avà u standard mudernu

U cambiamentu da CCD à CMOS ùn hè micca accadutu da a notte à a mattina, ma era inevitabile. Eccu perchè CMOS hè avà a petra angulare di l'industria di l'imaghjini:

● Vantaghju di fabricazioneCustruitu nantu à linee standard di fabricazione di semiconduttori, riducendu i costi è migliurendu a scalabilità.
● Aumenti di e prestazioniOpzioni di otturatore rolling è globale, sensibilità migliorata in poca luce è frequenze di fotogrammi più elevate.
● Integrazione è IntelligenzaI sensori CMOS supportanu avà l'elaborazione di l'IA in chip, l'edge computing è l'analisi in tempu reale.
● InnuvazioneI tipi di sensori emergenti cum'è CMOS impilati, sensori d'immagine quanta è sensori curvi sò custruiti nantu à piattaforme CMOS.

Da i smartphones àcamere scientifiche, U CMOS hà dimustratu d'esse adattabile, putente è prontu per u futuru.

Cunclusione

I sensori CMOS sò evoluti in u standard mudernu per a maiò parte di l'applicazioni d'imaghjini, grazia à u so equilibriu trà prestazioni, efficienza è costu. Ch'ella sia per catturà ricordi di ogni ghjornu o per fà analisi scientifiche à alta velocità, a tecnulugia CMOS furnisce a basa per u mondu visuale d'oghje.

Mentre l'innuvazioni cum'è u CMOS à otturatore globale è u sCMOS cuntinueghjanu à allargà e capacità di a tecnulugia, a so duminazione hè prevista per cuntinuà per l'anni à vene.

FAQ

Chì ghjè a differenza trà un otturatore rotante è un otturatore globale ?

Un otturatore rotante legge i dati di l'imagine linea per linea, ciò chì pò causà artefatti di muvimentu (per esempiu, obliquità o oscillazione) quandu si catturanu sughjetti in rapidu muvimentu.

Un otturatore globale cattura tuttu u quadru simultaneamente, eliminendu a distorsione da u muvimentu. Hè ideale per applicazioni d'imaghjini à alta velocità cum'è a visione artificiale è l'esperimenti scientifichi.

Chì ghjè a modalità di sovrapposizione CMOS Rolling Shutter?

Per e camere CMOS à otturatore rotante, in modu sovrapposizione, l'esposizione di u prossimu quadru pò cumincià prima chì quellu attuale sia cumpletamente finitu, permettendu frequenze di quadru più elevate. Questu hè pussibule perchè l'esposizione è a lettura di ogni riga sò sfalsate in u tempu.

Questa modalità hè utile in applicazioni induve a frequenza massima di fotogrammi è u rendimentu sò critichi, cum'è in l'ispezione à alta velocità o u tracciamentu in tempu reale. Tuttavia, pò aumentà ligeramente a cumplessità di u timing è di a sincronizazione.