25/08/05Fra smartphones til videnskabelige instrumenter er billedsensorer kernen i nutidens visuelle teknologi. Blandt disse er CMOS-sensorer blevet den dominerende kraft og driver alt fra hverdagsfotos til avanceret mikroskopi og halvlederinspektion.
'Complementary Metal Oxide Semiconductor' (CMOS)-teknologi er en elektronisk arkitektur og et sæt af fremstillingsprocesteknologier, hvis anvendelser er utroligt brede. Faktisk kan CMOS-teknologi siges at have understøttet den moderne digitale tidsalder.
Hvad er en CMOS-sensor?
CMOS-billedsensorer (CIS) bruger aktive pixels, hvilket betyder brugen af tre eller flere transistorer i hver pixel i kameraet. CCD- og EMCCD-pixels indeholder ikke transistorer.
Transistorerne i hver pixel gør det muligt at styre disse 'aktive' pixels, forstærke signaler via 'felteffekt'-transistorer og tilgå deres data, alt sammen parallelt. I stedet for en enkelt udlæsningssti for en hel sensor eller en betydelig del af en sensor, enCMOS-kamerainkluderer mindst én hel række af udlæsnings-ADC'er, én (eller flere) ADC'er for hver kolonne i sensoren. Hver af disse kan aflæse deres kolonnes værdi samtidigt. Desuden er disse 'aktive pixel'-sensorer kompatible med CMOS digital logik, hvilket øger den potentielle sensorfunktionalitet.
Sammen giver disse egenskaber CMOS-sensorer deres hastighed. Men takket være denne øgede parallelitet kan individuelle ADC'er bruge længere tid på at måle deres detekterede signaler med større nøjagtighed. Disse længere konverteringstider muliggør meget støjsvag drift, selv ved højere pixelantal. Takket være dette og andre innovationer har læsestøjen fra CMOS-sensorer en tendens til at være så meget som 5-10 gange lavere end for CCD'er.
Moderne videnskabelige CMOS-kameraer (sCMOS) er en specialiseret undertype af CMOS designet til billeddannelse med lav støj og høj hastighed i forskningsapplikationer.
Hvordan fungerer CMOS-sensorer? (Inklusive rullende vs. global lukker)
Funktionen af en typisk CMOS-sensor er vist i figuren og skitseret nedenfor. Bemærk, at som følge af de operationelle forskelle nedenfor vil timingen og betjeningen af eksponeringen variere for globale versus rullende lukker CMOS-kameraer.
BEMÆRK: Udlæsningsprocessen for CMOS-kameraer er forskellig mellem 'rolling shutter'- og 'global shutter'-kameraer, som beskrevet i teksten. I begge tilfælde indeholder hver pixel en kondensator og forstærker, der producerer en spænding baseret på det detekterede antal fotoelektroner. For hver række måles spændingerne for hver kolonne samtidigt af analog-til-digital-konvertere fra kolonner.
Rullende skodde
1. For en CMOS-sensor med rullende lukker skal du starte i den øverste række (eller midten for splitsensor-kameraer) og fjerne ladningen fra rækken for at starte eksponeringen i den række.
2. Når 'linjetiden' er udløbet (typisk 5-20 μs), gå videre til næste række og gentag fra trin 1, indtil hele sensoren er eksponeret.
3. For hver række akkumuleres ladninger under eksponeringen, indtil rækken har afsluttet sin eksponeringstid. Den første række, der starter, slutter først.
4. Når eksponeringen er færdig for en række, overføres ladninger til aflæsningskondensatoren og forstærkeren.
5. Spændingen i hver forstærker i den række forbindes derefter til kolonnens ADC, og signalet måles for hver pixel i rækken.
6. Aflæsningen og nulstillingen vil tage 'linjetiden' at fuldføre, hvorefter den næste række, der skal starte eksponeringen, vil have nået slutningen af sin eksponeringstid, og processen gentages fra trin 4.
7. Så snart udlæsningen er færdig for den øverste række, forudsat at den nederste række er begyndt at eksponere det aktuelle billede, kan den øverste række starte eksponeringen af det næste billede (overlapningstilstand). Hvis eksponeringstiden er kortere end billedtiden, skal den øverste række vente på, at den nederste række starter eksponeringen. Den kortest mulige eksponering er typisk én linjetid.
Tucsens FL 26BW kølede CMOS-kamera, med Sony IMX533-sensoren, bruger denne rullende lukkerteknologi.
Global lukker
1. For at starte optagelsen fjernes ladningen samtidig fra hele sensoren (global nulstilling af pixelbrønden).
2. Ladning akkumuleres under eksponering.
3. Ved afslutningen af eksponeringen flyttes de indsamlede ladninger til en maskeret brønd i hver pixel, hvor de kan afvente aflæsning uden at nye detekterede fotoner tælles. Nogle kameraer flytter ladninger ind i pixelkondensatoren på dette tidspunkt.
4. Når de detekterede ladninger er lagret i det maskerede område af hver pixel, kan det aktive område af pixelen begynde eksponeringen af det næste billede (overlapningstilstand).
5. Aflæsningsprocessen fra det maskerede område forløber som for rullende lukkersensorer: Én række ad gangen, fra toppen af sensoren, overføres ladninger fra den maskerede brønd til aflæsningskondensatoren og forstærkeren.
6. Spændingen i hver forstærker i den række er forbundet til kolonnens ADC, og signalet måles for hver pixel i rækken.
7. Aflæsningen og nulstillingen vil tage 'linjetiden' at fuldføre, hvorefter processen gentages for den næste række fra trin 5.
8. Når alle rækker er blevet læst, er kameraet klar til at læse det næste billede, og processen kan gentages fra trin 2 eller trin 3, hvis eksponeringstiden allerede er udløbet.
Tucsens Libra 3412M Mono sCMOS-kameraanvender global lukkerteknologi, der muliggør klar og hurtig optagelse af bevægelige prøver.
Fordele og ulemper ved CMOS-sensorer
Fordele
● Højere hastighederCMOS-sensorer er typisk 1 til 2 størrelsesordener hurtigere i datagennemstrømning end CCD- eller EMCCD-sensorer.
● Større sensorerHurtigere datagennemstrømning muliggør højere pixelantal og større synsfelter, op til tiere eller hundreder af megapixels.
● Lav støjNogle CMOS-sensorer kan have læsestøj så lav som 0,25e-, hvilket konkurrerer med EMCCD'er uden behov for ladningsmultiplikation, der tilføjer yderligere støjkilder.
● Fleksibilitet i pixelstørrelseForbruger- og smartphone-kamerasensorer reducerer pixelstørrelser ned til ~1 μm, og videnskabelige kameraer med en pixelstørrelse på op til 11 μm er almindelige, og op til 16 μm er tilgængelige.
● Lavere strømforbrugCMOS-kameraers lave strømforbrug gør dem tilgængelige i en bredere vifte af videnskabelige og industrielle anvendelser.
● Pris og levetidCMOS-kameraer i den billigste ende er typisk de samme som CCD-kameraer eller billigere, og CMOS-kameraer i den højeste ende er meget billigere end EMCCD-kameraer. Deres forventede levetid bør langt overstige et EMCCD-kameras levetid.
Ulemper
● Rullende skoddeDe fleste videnskabelige CMOS-kameraer har en rullende lukker, hvilket kan gøre eksperimentelle arbejdsgange mere komplekse eller udelukke visse anvendelser.
● Højere mørk strømt: De fleste CMOS-kameraer har en meget højere mørkestrøm end CCD- og EMCCD-sensorer, hvilket nogle gange introducerer betydelig støj ved lange eksponeringer (> 1 sekund).
Hvor CMOS-sensorer bruges i dag
Takket være deres alsidighed findes CMOS-sensorer i en bred vifte af anvendelser:
● ForbrugerelektronikSmartphones, webkameraer, spejlreflekskameraer, actionkameraer.
● BiovidenskabCMOS-sensorers strømforsyningmikroskopikameraeranvendes i fluorescensbilleddannelse og medicinsk diagnostik.
● AstronomiTeleskoper og rumbilleddannelsesenheder bruger ofte videnskabeligt CMOS (sCMOS) for at opnå høj opløsning og lav støj.
● Industriel inspektionAutomatiseret optisk inspektion (AOI), robotteknologi ogkameraer til halvlederinspektionStol på CMOS-sensorer for hastighed og nøjagtighed.
● BilindustrienAvancerede førerassistentsystemer (ADAS), bakkameraer og parkeringskameraer.
● Overvågning og sikkerhedSystemer til registrering af svagt lys og bevægelse.
Deres hastighed og omkostningseffektivitet gør CMOS til den foretrukne løsning til både kommerciel brug i store mængder og specialiseret videnskabeligt arbejde.
Hvorfor CMOS nu er den moderne standard
Skiftet fra CCD til CMOS skete ikke natten over, men det var uundgåeligt. Her er hvorfor CMOS nu er hjørnestenen i billedbranchen:
● ProduktionsfordelBygget på standard halvlederproduktionslinjer, hvilket reducerer omkostninger og forbedrer skalerbarhed.
● YdelsesforbedringerMuligheder for rullende og global lukkertid, forbedret følsomhed ved svagt lys og højere billedhastigheder.
● Integration og intelligensCMOS-sensorer understøtter nu indbygget AI-behandling, edge computing og realtidsanalyse.
● InnovationNye sensortyper som stablet CMOS, kvantebilledsensorer og buede sensorer er bygget på CMOS-platforme.
Fra smartphones tilvidenskabelige kameraer, CMOS har vist sig at være tilpasningsdygtig, kraftfuld og fremtidsklar.
Konklusion
CMOS-sensorer har udviklet sig til den moderne standard for de fleste billeddannelsesapplikationer takket være deres balance mellem ydeevne, effektivitet og pris. Uanset om det drejer sig om at indfange hverdagsminder eller udføre videnskabelig analyse med høj hastighed, danner CMOS-teknologi fundamentet for nutidens visuelle verden.
Efterhånden som innovationer som global shutter CMOS og sCMOS fortsætter med at udvide teknologiens muligheder, forventes dens dominans at fortsætte i de kommende år.
Ofte stillede spørgsmål
Hvad er forskellen på en rullende lukker og en global lukker?
En rullende lukker udlæser billeddata linje for linje, hvilket kan forårsage bevægelsesartefakter (f.eks. skævhed eller vaklende bevægelser) ved optagelse af motiver i hurtig bevægelse.
En global lukker optager hele billedet samtidigt og eliminerer forvrængning fra bevægelse. Den er ideel til højhastighedsbilleddannelsesapplikationer som maskinsyn og videnskabelige eksperimenter.
Hvad er Rolling Shutter CMOS Overlap-tilstand?
For CMOS-kameraer med rullende lukker kan eksponeringen af det næste billede i overlapningstilstand begynde, før det nuværende er helt færdigt, hvilket giver mulighed for højere billedhastigheder. Dette er muligt, fordi eksponeringen og aflæsningen for hver række er forskudt i tid.
Denne tilstand er nyttig i applikationer, hvor maksimal billedhastighed og gennemløb er kritisk, såsom ved højhastighedsinspektion eller sporing i realtid. Den kan dog øge kompleksiteten af timing og synkronisering en smule.
