25/08/05Από τα smartphones μέχρι τα επιστημονικά όργανα, οι αισθητήρες εικόνας βρίσκονται στην καρδιά της σημερινής οπτικής τεχνολογίας. Μεταξύ αυτών, οι αισθητήρες CMOS έχουν γίνει η κυρίαρχη δύναμη, τροφοδοτώντας τα πάντα, από τις καθημερινές φωτογραφίες μέχρι την προηγμένη μικροσκοπία και την επιθεώρηση ημιαγωγών.
Η τεχνολογία «συμπληρωματικών ημιαγωγών μεταλλικού οξειδίου» (CMOS) είναι μια ηλεκτρονική αρχιτεκτονική και ένα σύνολο τεχνολογιών διαδικασιών κατασκευής, των οποίων οι εφαρμογές είναι απίστευτα ευρείες. Πράγματι, η τεχνολογία CMOS θα μπορούσε να θεωρηθεί ότι στηρίζει τη σύγχρονη ψηφιακή εποχή.
Τι είναι ένας αισθητήρας CMOS;
Οι αισθητήρες εικόνας CMOS (CIS) χρησιμοποιούν ενεργά pixel, που σημαίνει ότι χρησιμοποιούν τρία ή περισσότερα τρανζίστορ σε κάθε pixel της κάμερας. Τα pixel CCD και EMCCD δεν περιέχουν τρανζίστορ.
Τα τρανζίστορ σε κάθε εικονοστοιχείο επιτρέπουν τον έλεγχο αυτών των «ενεργών» εικονοστοιχείων, την ενίσχυση των σημάτων μέσω τρανζίστορ «φαινομένου πεδίου» και την πρόσβαση στα δεδομένα τους, όλα παράλληλα. Αντί για μία μόνο διαδρομή ανάγνωσης για έναν ολόκληρο αισθητήρα ή ένα σημαντικό κλάσμα ενός αισθητήρα, έναΚάμερα CMOSπεριλαμβάνει τουλάχιστον μία ολόκληρη σειρά ADC ανάγνωσης, έναν (ή περισσότερους) ADC για κάθε στήλη του αισθητήρα. Κάθε ένας από αυτούς μπορεί να διαβάσει την τιμή της στήλης του ταυτόχρονα. Επιπλέον, αυτοί οι αισθητήρες «ενεργών εικονοστοιχείων» είναι συμβατοί με την ψηφιακή λογική CMOS, αυξάνοντας τις δυνατότητες λειτουργικότητας του αισθητήρα.
Μαζί, αυτές οι ιδιότητες δίνουν στους αισθητήρες CMOS την ταχύτητά τους. Ωστόσο, χάρη σε αυτήν την αύξηση της παραλληλίας, τα μεμονωμένα ADC είναι σε θέση να χρειάζονται περισσότερο χρόνο για να μετρήσουν τα ανιχνευόμενα σήματα με μεγαλύτερη ακρίβεια. Αυτοί οι μεγαλύτεροι χρόνοι μετατροπής επιτρέπουν λειτουργία με πολύ χαμηλό θόρυβο, ακόμη και για μεγαλύτερο αριθμό pixel. Χάρη σε αυτό, και σε άλλες καινοτομίες, ο θόρυβος ανάγνωσης των αισθητήρων CMOS τείνει να είναι έως και 5x - 10x χαμηλότερος από αυτόν των CCD.
Οι σύγχρονες επιστημονικές κάμερες CMOS (sCMOS) είναι ένας εξειδικευμένος υποτύπος CMOS που έχει σχεδιαστεί για απεικόνιση χαμηλού θορύβου και υψηλής ταχύτητας σε ερευνητικές εφαρμογές.
Πώς λειτουργούν οι αισθητήρες CMOS; (Συμπεριλαμβανομένου του Rolling vs Global Shutter)
Η λειτουργία ενός τυπικού αισθητήρα CMOS φαίνεται στο σχήμα και περιγράφεται παρακάτω. Σημειώστε ότι, ως αποτέλεσμα των λειτουργικών διαφορών που αναφέρονται παρακάτω, ο χρόνος και η λειτουργία της έκθεσης θα διαφέρουν για τις κάμερες CMOS με ολικό κλείστρο έναντι των καμερών CMOS με κυλιόμενο κλείστρο.
ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Η διαδικασία ανάγνωσης για τις κάμερες CMOS διαφέρει μεταξύ των καμερών «rolling shutter» και «global shutter», όπως αναλύεται στο κείμενο. Και στις δύο περιπτώσεις, κάθε pixel περιέχει έναν πυκνωτή και έναν ενισχυτή που παράγουν μια τάση με βάση τον αριθμό των φωτοηλεκτρονίων που ανιχνεύονται. Για κάθε σειρά, οι τάσεις για κάθε στήλη μετρώνται ταυτόχρονα από αναλογικούς σε ψηφιακούς μετατροπείς στήλης.
Ρολό παντζουριού
1. Για έναν αισθητήρα CMOS με κυλιόμενο κλείστρο, ξεκινώντας από την επάνω σειρά (ή το κέντρο για κάμερες splitsensor), διαγράψτε το φορτίο από τη σειρά για να ξεκινήσετε την έκθεση αυτής της σειράς.
2. Αφού παρέλθει ο «χρόνος γραμμής» (συνήθως 5-20 μs), προχωρήστε στην επόμενη σειρά και επαναλάβετε από το βήμα 1, μέχρι να εκτεθεί ολόκληρος ο αισθητήρας.
3. Για κάθε σειρά, συσσωρεύονται φορτία κατά τη διάρκεια της έκθεσης, μέχρι να ολοκληρωθεί ο χρόνος έκθεσής της. Η πρώτη σειρά που θα ξεκινήσει θα τελειώσει πρώτη.
4. Μόλις ολοκληρωθεί η έκθεση για μια σειρά, μεταφέρετε τα φορτία στον πυκνωτή ανάγνωσης και στον ενισχυτή.
5. Η τάση σε κάθε ενισχυτή σε αυτήν τη σειρά συνδέεται στη συνέχεια με τον ADC της στήλης και το σήμα μετριέται για κάθε εικονοστοιχείο στη σειρά.
6. Η λειτουργία ανάγνωσης και επαναφοράς θα χρειαστεί τον «χρόνο γραμμής» για να ολοκληρωθεί, μετά τον οποίο η επόμενη σειρά για την έναρξη της έκθεσης θα έχει φτάσει στο τέλος του χρόνου έκθεσής της και η διαδικασία θα επαναληφθεί από το βήμα 4.
7. Μόλις ολοκληρωθεί η ανάγνωση για την επάνω σειρά, εφόσον η κάτω σειρά έχει ξεκινήσει την έκθεση του τρέχοντος καρέ, η επάνω σειρά μπορεί να ξεκινήσει την έκθεση του επόμενου καρέ (λειτουργία επικάλυψης). Εάν ο χρόνος έκθεσης είναι μικρότερος από τον χρόνο καρέ, η επάνω σειρά πρέπει να περιμένει να ξεκινήσει η κάτω σειρά την έκθεση. Η συντομότερη δυνατή έκθεση είναι συνήθως ο χρόνος μίας γραμμής.
Ψυγόμενη κάμερα CMOS FL 26BW της Tucsen, που διαθέτει τον αισθητήρα Sony IMX533, χρησιμοποιεί αυτήν την τεχνολογία ρολού κλείστρου.
Παγκόσμιο κλείστρο
1. Για να ξεκινήσει η λήψη, η φόρτιση διαγράφεται ταυτόχρονα από ολόκληρο τον αισθητήρα (καθολική επαναφορά του pixel well).
2. Το φορτίο συσσωρεύεται κατά την έκθεση.
3. Στο τέλος της έκθεσης, τα συλλεγμένα φορτία μετακινούνται σε μια καλυμμένη κοιλότητα μέσα σε κάθε εικονοστοιχείο, όπου μπορούν να περιμένουν την ανάγνωσή τους χωρίς να καταμετρηθούν τα νέα φωτόνια που ανιχνεύθηκαν. Ορισμένες κάμερες μετακινούν φορτία στον πυκνωτή εικονοστοιχείων σε αυτό το στάδιο.
4. Με τα ανιχνευμένα φορτία αποθηκευμένα στην περιοχή με μάσκα κάθε εικονοστοιχείου, η ενεργή περιοχή του εικονοστοιχείου μπορεί να ξεκινήσει την έκθεση του επόμενου καρέ (λειτουργία επικάλυψης).
5. Η διαδικασία ανάγνωσης από την περιοχή με μάσκα προχωρά όπως και για τους αισθητήρες ρολού: Μία σειρά κάθε φορά, από την κορυφή του αισθητήρα, τα φορτία μεταφέρονται από το φρεάτιο με μάσκα στον πυκνωτή ανάγνωσης και τον ενισχυτή.
6. Η τάση σε κάθε ενισχυτή σε αυτήν τη σειρά συνδέεται με τον ADC της στήλης και το σήμα μετριέται για κάθε εικονοστοιχείο στη σειρά.
7. Η διαδικασία ανάγνωσης και επαναφοράς θα διαρκέσει όσο χρόνο χρειάζεται για να ολοκληρωθεί η γραμμή, οπότε η διαδικασία θα επαναληφθεί για την επόμενη σειρά από το βήμα 5.
8. Μόλις διαβαστούν όλες οι γραμμές, η κάμερα είναι έτοιμη να διαβάσει το επόμενο καρέ και η διαδικασία μπορεί να επαναληφθεί από το βήμα 2 ή το βήμα 3 εάν ο χρόνος έκθεσης έχει ήδη παρέλθει.
Κάμερα sCMOS Libra 3412M Mono της Tucsenχρησιμοποιεί τεχνολογία παγκόσμιου κλείστρου, επιτρέποντας την καθαρή και γρήγορη λήψη κινούμενων δειγμάτων.
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των αισθητήρων CMOS
Πλεονεκτήματα
● Υψηλότερες ταχύτητεςΟι αισθητήρες CMOS είναι συνήθως 1 έως 2 τάξεις μεγέθους ταχύτεροι σε απόδοση δεδομένων από τους αισθητήρες CCD ή EMCCD.
● Μεγαλύτεροι αισθητήρεςΗ ταχύτερη απόδοση δεδομένων επιτρέπει μεγαλύτερο αριθμό pixel και μεγαλύτερα οπτικά πεδία, έως και δεκάδες ή εκατοντάδες megapixel.
● Χαμηλός θόρυβοςΟρισμένοι αισθητήρες CMOS μπορούν να έχουν θόρυβο ανάγνωσης έως και 0,25e-, ανταγωνιζόμενοι τους EMCCD χωρίς να χρειάζεται πολλαπλασιασμός φορτίου που προσθέτει πρόσθετες πηγές θορύβου.
● Ευελιξία μεγέθους pixelΟι αισθητήρες καμερών για καταναλωτές και smartphones μειώνουν τα μεγέθη των pixel στο εύρος ~1 μm, ενώ συνηθισμένες είναι και οι επιστημονικές κάμερες με μέγεθος pixel έως και 11 μm, ενώ διατίθενται και έως και 16 μm.
● Χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειαςΟι χαμηλές απαιτήσεις ισχύος των καμερών CMOS τις επιτρέπουν να χρησιμοποιούνται σε μια ευρύτερη ποικιλία επιστημονικών και βιομηχανικών εφαρμογών.
● Τιμή και διάρκεια ζωήςΟι κάμερες CMOS χαμηλής τεχνολογίας έχουν συνήθως παρόμοιο ή χαμηλότερο κόστος με τις κάμερες CCD, ενώ οι κάμερες CMOS υψηλής τεχνολογίας έχουν πολύ χαμηλότερο κόστος από τις κάμερες EMCCD. Η αναμενόμενη διάρκεια ζωής τους θα πρέπει να υπερβαίνει κατά πολύ αυτή μιας κάμερας EMCCD.
Μειονεκτήματα
● Ρολό κλείστρουΗ πλειονότητα των επιστημονικών καμερών CMOS διαθέτουν κυλιόμενο κλείστρο, το οποίο μπορεί να προσθέσει πολυπλοκότητα στις πειραματικές ροές εργασίας ή να αποκλείσει ορισμένες εφαρμογές.
● Υψηλότερο σκοτεινό ρεύμαt: Οι περισσότερες κάμερες CMOS έχουν πολύ υψηλότερο σκοτεινό ρεύμα από τους αισθητήρες CCD και EMCCD, μερικές φορές εισάγοντας σημαντικό θόρυβο σε μεγάλες εκθέσεις (> 1 δευτερόλεπτο).
Πού χρησιμοποιούνται σήμερα οι αισθητήρες CMOS
Χάρη στην ευελιξία τους, οι αισθητήρες CMOS βρίσκονται σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών:
● Ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης: Smartphones, webcams, DSLR, action camers.
● Βιοεπιστήμες: Ισχύς αισθητήρων CMOSκάμερες μικροσκοπίαςπου χρησιμοποιούνται στην απεικόνιση φθορισμού και στην ιατρική διαγνωστική.
● ΑστρονομίαΤα τηλεσκόπια και οι συσκευές απεικόνισης του διαστήματος χρησιμοποιούν συχνά επιστημονική CMOS (sCMOS) για υψηλή ανάλυση και χαμηλό θόρυβο.
● Βιομηχανική ΕπιθεώρησηΑυτοματοποιημένη οπτική επιθεώρηση (AOI), ρομποτική καικάμερες για επιθεώρηση ημιαγωγώνΒασίζονται σε αισθητήρες CMOS για ταχύτητα και ακρίβεια.
● ΑυτοκινητοβιομηχανίαΠροηγμένα συστήματα υποβοήθησης οδηγού (ADAS), κάμερες οπισθοπορείας και στάθμευσης.
● Επιτήρηση & ΑσφάλειαΣυστήματα ανίχνευσης χαμηλού φωτισμού και κίνησης.
Η ταχύτητα και η οικονομική αποδοτικότητά τους καθιστούν το CMOS την ιδανική λύση τόσο για εμπορική χρήση μεγάλου όγκου όσο και για εξειδικευμένη επιστημονική εργασία.
Γιατί το CMOS είναι πλέον το σύγχρονο πρότυπο
Η μετάβαση από το CCD στο CMOS δεν έγινε από τη μια μέρα στην άλλη, αλλά ήταν αναπόφευκτη. Να γιατί το CMOS αποτελεί πλέον τον ακρογωνιαίο λίθο της βιομηχανίας απεικόνισης:
● Πλεονέκτημα Παραγωγής: Κατασκευασμένο σε τυπικές γραμμές κατασκευής ημιαγωγών, μειώνοντας το κόστος και βελτιώνοντας την επεκτασιμότητα.
● Βελτιώσεις απόδοσηςΕπιλογές κυλιόμενου και γενικού κλείστρου, βελτιωμένη ευαισθησία σε χαμηλό φωτισμό και υψηλότεροι ρυθμοί καρέ.
● Ενσωμάτωση & ΕυφυΐαΟι αισθητήρες CMOS υποστηρίζουν πλέον ενσωματωμένη επεξεργασία τεχνητής νοημοσύνης (AI), υπολογιστική ακμής (edge computing) και ανάλυση σε πραγματικό χρόνο.
● ΚαινοτομίαΟι αναδυόμενοι τύποι αισθητήρων όπως το στοιβαγμένο CMOS, οι αισθητήρες κβάντα εικόνας και οι κυρτοί αισθητήρες κατασκευάζονται σε πλατφόρμες CMOS.
Από smartphones έωςεπιστημονικές κάμερεςΤο CMOS έχει αποδειχθεί προσαρμόσιμο, ισχυρό και έτοιμο για το μέλλον.
Σύναψη
Οι αισθητήρες CMOS έχουν εξελιχθεί στο σύγχρονο πρότυπο για τις περισσότερες εφαρμογές απεικόνισης, χάρη στην ισορροπία απόδοσης, αποδοτικότητας και κόστους που προσφέρουν. Είτε πρόκειται για την καταγραφή καθημερινών αναμνήσεων είτε για τη διεξαγωγή επιστημονικής ανάλυσης υψηλής ταχύτητας, η τεχνολογία CMOS παρέχει τη βάση για τον σημερινό οπτικό κόσμο.
Καθώς καινοτομίες όπως το global shutter CMOS και το sCMOS συνεχίζουν να επεκτείνουν τις δυνατότητες της τεχνολογίας, η κυριαρχία της αναμένεται να συνεχιστεί για τα επόμενα χρόνια.
Συχνές ερωτήσεις
Ποια είναι η διαφορά μεταξύ ενός ρολού και ενός γενικού κλείστρου;
Ένα κυλιόμενο κλείστρο διαβάζει τα δεδομένα εικόνας γραμμή προς γραμμή, κάτι που μπορεί να προκαλέσει αντικείμενα κίνησης (π.χ., ασυμμετρία ή ταλάντωση) κατά τη λήψη θεμάτων που κινούνται γρήγορα.
Ένα καθολικό κλείστρο καταγράφει ολόκληρο το κάδρο ταυτόχρονα, εξαλείφοντας την παραμόρφωση από την κίνηση. Είναι ιδανικό για εφαρμογές απεικόνισης υψηλής ταχύτητας, όπως η μηχανική όραση και τα επιστημονικά πειράματα.
Τι είναι η λειτουργία επικάλυψης CMOS με ρολό κλείστρου;
Για τις κάμερες CMOS με ρολό κλείστρου, σε λειτουργία επικάλυψης, η έκθεση του επόμενου καρέ μπορεί να ξεκινήσει πριν ολοκληρωθεί πλήρως το τρέχον, επιτρέποντας υψηλότερους ρυθμούς καρέ. Αυτό είναι δυνατό επειδή η έκθεση και η ένδειξη κάθε σειράς είναι κλιμακωτές χρονικά.
Αυτή η λειτουργία είναι χρήσιμη σε εφαρμογές όπου ο μέγιστος ρυθμός καρέ και η μέγιστη απόδοση είναι κρίσιμα, όπως στην επιθεώρηση υψηλής ταχύτητας ή στην παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο. Ωστόσο, μπορεί να αυξήσει ελαφρώς την πολυπλοκότητα του χρονισμού και του συγχρονισμού.
