25. 8. 2005Od chytrých telefonů až po vědecké přístroje jsou obrazové senzory srdcem dnešní vizuální technologie. Mezi nimi se CMOS senzory staly dominantní silou a pohánějí vše od každodenních fotografií až po pokročilou mikroskopii a kontrolu polovodičů.
Technologie „komplementárních polovodičů kov-oxid“ (CMOS) je elektronická architektura a soubor technologií výrobních procesů, jejichž aplikace jsou neuvěřitelně široké. Dalo by se říci, že technologie CMOS je základem moderního digitálního věku.
Co je to CMOS senzor?
Obrazové snímače CMOS (CIS) používají aktivní pixely, což znamená použití tří nebo více tranzistorů v každém pixelu kamery. Pixely CCD a EMCCD tranzistory neobsahují.
Tranzistory v každém pixelu umožňují paralelní řízení těchto „aktivních“ pixelů, zesilování signálů pomocí tranzistorů s „polním efektem“ a přístup k jejich datům. Místo jediné čtecí cesty pro celý senzor nebo jeho významnou část,...CMOS kamerazahrnuje alespoň jednu celou řadu čtecích ADC, jeden (nebo více) ADC pro každý sloupec senzoru. Každý z nich může číst hodnotu svého sloupce současně. Tyto senzory s „aktivními pixely“ jsou navíc kompatibilní s digitální logikou CMOS, což zvyšuje potenciální funkčnost senzoru.
Tyto vlastnosti dohromady dávají CMOS senzorům jejich rychlost. Díky tomuto zvýšení paralelismu však mohou jednotlivé ADC měřit detekované signály déle a s větší přesností. Tyto delší doby převodu umožňují provoz s velmi nízkým šumem, a to i při vyšším počtu pixelů. Díky tomu a dalším inovacím bývá čtecí šum CMOS senzorů až 5x–10x nižší než u CCD.
Moderní vědecké CMOS (sCMOS) kamery jsou specializovaným podtypem CMOS určeným pro nízkošumové a vysokorychlostní zobrazování ve výzkumných aplikacích.
Jak fungují CMOS senzory? (Včetně rolovací vs. globální závěrky)
Funkce typického CMOS snímače je znázorněna na obrázku a níže. V důsledku níže uvedených provozních rozdílů se bude načasování a provoz expozice lišit u CMOS kamer s globální a rolující závěrkou.
POZNÁMKA: Proces čtení dat u CMOS kamer se liší u kamer s „rolující závěrkou“ a „globální závěrkou“, jak je popsáno v textu. V obou případech každý pixel obsahuje kondenzátor a zesilovač, které produkují napětí na základě detekovaného počtu fotoelektronů. Pro každý řádek jsou napětí pro každý sloupec měřena současně analogově-digitálními převodníky sloupců.
Rolovací závěrka
1. U snímače CMOS s rolovací závěrkou počínaje horním řádkem (nebo středem u kamer s děleným senzorem) vymažte náboj z řádku, čímž zahájíte expozici v daném řádku.
2. Po uplynutí „doby linky“ (obvykle 5–20 μs) přejděte na další řádek a opakujte od kroku 1, dokud nebude exponován celý senzor.
3. V každém řádku se během expozice hromadí náboje, dokud daný řádek nedokončí svou expoziční dobu. Řada, která začne jako první, skončí jako první.
4. Jakmile je expozice pro danou řadu dokončena, přeneste náboje do odečítacího kondenzátoru a zesilovače.
5. Napětí v každém zesilovači v daném řádku je poté připojeno ke sloupcovému ADC a signál je měřen pro každý pixel v řádku.
6. Operace načítání a resetování bude trvat „čas řádku“, po kterém další řádek pro zahájení expozice dosáhne konce svého času expozice a proces se opakuje od kroku 4.
7. Jakmile je načítání dat pro horní řádek dokončeno a za předpokladu, že spodní řádek zahájil expozici aktuálního snímku, může horní řádek spustit expozici dalšího snímku (režim překrývání). Pokud je expoziční čas kratší než čas snímku, musí horní řádek počkat, až spodní řádek spustí expozici. Nejkratší možná expozice je obvykle čas jednoho řádku.
Chlazená CMOS kamera Tucsen FL 26BW, vybavený snímačem Sony IMX533, využívá tuto technologii rolovací závěrky.
Globální závěrka
1. Pro zahájení snímání se současně vymaže náboj z celého senzoru (globální reset pixelové jamky).
2. Náboj se během expozice hromadí.
3. Na konci expozice jsou nashromážděné náboje přesunuty do maskované jamky v každém pixelu, kde mohou čekat na načtení, aniž by byly počítány nově detekované fotony. Některé fotoaparáty v této fázi přesouvají náboje do pixelového kondenzátoru.
4. Po uložení detekovaných nábojů v maskované oblasti každého pixelu může aktivní oblast pixelu zahájit expozici dalšího snímku (režim překrytí).
5. Proces odečtu z maskované oblasti probíhá stejně jako u senzorů s roletovým mechanismem: Řada po řadě, z horní části senzoru, se náboje přenášejí z maskované jamky do odečítacího kondenzátoru a zesilovače.
6. Napětí v každém zesilovači v daném řádku je připojeno ke sloupcovému ADC a signál se měří pro každý pixel v řádku.
7. Operace načítání a resetování bude trvat „čas řádku“, načež se proces opakuje pro další řádek od kroku 5.
8. Jakmile jsou přečteny všechny řádky, je fotoaparát připraven načíst další snímek a proces lze opakovat od kroku 2 nebo kroku 3, pokud již uplynul expoziční čas.
Tucsenova monochromatická CMOS kamera Libra 3412Mvyužívá technologii globální závěrky, která umožňuje jasné a rychlé zachycení pohybujících se vzorků.
Výhody a nevýhody CMOS senzorů
Výhody
● Vyšší rychlostiCMOS senzory jsou obvykle o 1 až 2 řády rychlejší v datové propustnosti než CCD nebo EMCCD senzory.
● Větší senzoryRychlejší datová propustnost umožňuje vyšší počet pixelů a větší zorné pole, až desítky nebo stovky megapixelů.
● Nízká hlučnostNěkteré CMOS senzory mohou mít šum při čtení až 0,25e-, což soupeří s EMCCD, aniž by bylo nutné násobit náboj, což by přidávalo další zdroje šumu.
● Flexibilita velikosti pixelůSnímače fotoaparátů pro spotřebitele a chytré telefony snižují velikost pixelů na přibližně 1 μm a vědecké fotoaparáty s velikostí pixelů až 11 μm jsou běžné a dostupné až do 16 μm.
● Nižší spotřeba energieNízké nároky na energii CMOS kamer umožňují jejich použití v širší škále vědeckých a průmyslových aplikací.
● Cena a životnostNízkonákladové CMOS kamery jsou obvykle cenově podobné nebo levnější než CCD kamery a špičkové CMOS kamery jsou mnohem levnější než EMCCD kamery. Jejich očekávaná životnost by měla výrazně překročit životnost EMCCD kamery.
Nevýhody
● Rolovací uzávěrVětšina vědeckých CMOS kamer má rolovací závěrku, která může zvýšit složitost experimentálních pracovních postupů nebo znemožnit některé aplikace.
● Vyšší temný proudt: Většina CMOS kamer má mnohem vyšší temný proud než CCD a EMCCD senzory, což někdy při dlouhých expozicích (> 1 sekunda) způsobuje značný šum.
Kde se dnes používají CMOS senzory
Díky své všestrannosti se CMOS senzory nacházejí v široké škále aplikací:
● Spotřební elektronikaChytré telefony, webkamery, digitální zrcadlovky, akční kamery.
● Biologické vědyNapájení CMOS senzorůmikroskopické kamerypoužívá se ve fluorescenčním zobrazování a lékařské diagnostice.
● AstronomieDalekohledy a zařízení pro zobrazování vesmíru často používají vědecké CMOS (sCMOS) technologie pro vysoké rozlišení a nízký šum.
● Průmyslová inspekceAutomatizovaná optická inspekce (AOI), robotika akamery pro kontrolu polovodičůspoléhejte se na CMOS senzory pro rychlost a přesnost.
● Automobilový průmyslPokročilé asistenční systémy pro řidiče (ADAS), zadní a parkovací kamery.
● Dohled a zabezpečeníSystémy pro detekci slabého osvětlení a pohybu.
Díky své rychlosti a cenové efektivitě jsou CMOS ideálním řešením jak pro velkoobjemové komerční využití, tak pro specializovanou vědeckou práci.
Proč je CMOS nyní moderním standardem
Přechod z CCD na CMOS se nestal přes noc, ale byl nevyhnutelný. Zde je důvod, proč je CMOS nyní základním kamenem zobrazovacího průmyslu:
● Výhoda výrobyPostaveno na standardních linkách pro výrobu polovodičů, což snižuje náklady a zlepšuje škálovatelnost.
● Zvýšení výkonuMožnosti rolovací a globální závěrky, vylepšená citlivost za slabého osvětlení a vyšší snímková frekvence.
● Integrace a inteligenceCMOS senzory nyní podporují zpracování dat pomocí umělé inteligence na čipu, edge computing a analýzu v reálném čase.
● InovaceNově vznikající typy senzorů, jako jsou vrstvené CMOS, kvantové obrazové senzory a zakřivené senzory, jsou postaveny na platformách CMOS.
Od chytrých telefonů až povědecké kameryCMOS se ukázal jako přizpůsobivý, výkonný a připravený na budoucnost.
Závěr
Díky své rovnováze mezi výkonem, efektivitou a cenou se CMOS senzory vyvinuly v moderní standard pro většinu zobrazovacích aplikací. Ať už jde o zachycení každodenních vzpomínek nebo provádění vysokorychlostní vědecké analýzy, technologie CMOS poskytuje základ dnešního vizuálního světa.
Vzhledem k tomu, že inovace, jako jsou CMOS s globální závěrkou a sCMOS, nadále rozšiřují možnosti této technologie, je pravděpodobné, že její dominance bude pokračovat i v nadcházejících letech.
Často kladené otázky
Jaký je rozdíl mezi rolovací závěrkou a globální závěrkou?
Rolovací závěrka načítá obrazová data řádek po řádku, což může při snímání rychle se pohybujících objektů způsobovat pohybové artefakty (např. zkosení nebo chvění).
Globální závěrka zachytí celý záběr současně, čímž eliminuje zkreslení způsobené pohybem. Je ideální pro vysokorychlostní zobrazovací aplikace, jako je strojové vidění a vědecké experimenty.
Co je režim překrývání CMOS s postupným spouštěním?
U CMOS kamer s postupným spouštěním závěrky může v režimu překrývání expozice dalšího snímku začít dříve, než je aktuální snímek zcela dokončen, což umožňuje vyšší snímkovou frekvenci. To je možné, protože expozice a odečet každého řádku jsou časově rozloženy.
Tento režim je užitečný v aplikacích, kde je maximální snímková frekvence a propustnost kritická, například při vysokorychlostní kontrole nebo sledování v reálném čase. Může však mírně zvýšit složitost časování a synchronizace.
