Comprensión de los sensores CMOS: el estándar moderno para la mayoría de las imágenes |

Desde los teléfonos inteligentes hasta los instrumentos científicos, los sensores de imagen son la base de la tecnología visual actual. Entre ellos, los sensores CMOS se han convertido en la fuerza dominante, impulsando todo, desde la fotografía cotidiana hasta la microscopía avanzada y la inspección de semiconductores.

La tecnología CMOS (semiconductor complementario de óxido metálico) es una arquitectura electrónica y un conjunto de tecnologías de procesos de fabricación con aplicaciones increíblemente amplias. De hecho, podría decirse que la tecnología CMOS sustenta la era digital moderna.

¿Qué es un sensor CMOS?

Los sensores de imagen CMOS (CIS) utilizan píxeles activos, lo que implica el uso de tres o más transistores en cada píxel de la cámara. Los píxeles CCD y EMCCD no contienen transistores.

Los transistores en cada píxel permiten controlar estos píxeles "activos", amplificar las señales mediante transistores de "efecto de campo" y acceder a sus datos, todo en paralelo. En lugar de una única ruta de lectura para todo el sensor o una fracción significativa del mismo, se utiliza un...cámara CMOSIncluye al menos una fila completa de convertidores analógicos/digitales (ADC) de lectura, uno o más ADC por cada columna del sensor. Cada uno de estos puede leer el valor de su columna simultáneamente. Además, estos sensores de "píxeles activos" son compatibles con la lógica digital CMOS, lo que aumenta su potencial de funcionalidad.

En conjunto, estas cualidades confieren a los sensores CMOS su velocidad. Sin embargo, gracias a este mayor paralelismo, los ADC individuales pueden tardar más en medir las señales detectadas con mayor precisión. Estos tiempos de conversión más largos permiten un funcionamiento con muy bajo ruido, incluso con un mayor número de píxeles. Gracias a esta y otras innovaciones, el ruido de lectura de los sensores CMOS tiende a ser entre 5 y 10 veces menor que el de los CCD.

Las cámaras científicas CMOS (sCMOS) modernas son un subtipo especializado de CMOS diseñado para obtener imágenes de alta velocidad y bajo ruido en aplicaciones de investigación.

¿Cómo funcionan los sensores CMOS? (Incluyendo obturador global y rotatorio)

El funcionamiento de un sensor CMOS típico se muestra en la figura y se describe a continuación. Tenga en cuenta que, debido a las diferencias operativas que se indican a continuación, la sincronización y el funcionamiento de la exposición variarán entre las cámaras CMOS con obturador global y las de obturador rotatorio.

Figura: Proceso de lectura del sensor CMOS

NOTAEl proceso de lectura de las cámaras CMOS difiere entre las cámaras de obturador rodante y las de obturador global, como se explica en el texto. En ambos casos, cada píxel contiene un condensador y un amplificador que generan un voltaje basado en el recuento de fotoelectrones detectado. Para cada fila, los voltajes de cada columna se miden simultáneamente mediante convertidores analógico-digitales de columna.

Persiana enrollable

1. Para un sensor CMOS con obturador rotatorio, comenzando en la fila superior (o en el centro para cámaras con sensor dividido), limpie la carga de la fila para comenzar la exposición de esa fila.
2. Una vez transcurrido el "tiempo de línea" (normalmente entre 5 y 20 μs), pase a la siguiente fila y repita desde el paso 1, hasta que todo el sensor esté expuesto.
3. En cada fila, las cargas se acumulan durante la exposición, hasta que esa fila termina su tiempo de exposición. La primera fila que comience terminará primero.
4. Una vez finalizada la exposición durante una fila, transfiera cargas al condensador de lectura y al amplificador.
5. Luego, el voltaje de cada amplificador de esa fila se conecta al ADC de columna y se mide la señal para cada píxel de la fila.
6. La operación de lectura y reinicio tomará el "tiempo de línea" para completarse, después del cual la siguiente fila para iniciar la exposición habrá llegado al final de su tiempo de exposición y el proceso se repetirá desde el paso 4.
7. Una vez finalizada la lectura de la fila superior, siempre que la fila inferior haya comenzado a exponer el fotograma actual, la fila superior puede iniciar la exposición del siguiente fotograma (modo superpuesto). Si el tiempo de exposición es menor que el tiempo del fotograma, la fila superior debe esperar a que la fila inferior inicie la exposición. La exposición más corta posible suele ser de una línea.

Cámara CMOS refrigerada FL 26BW de Tucsen, que incorpora el sensor Sony IMX533, utiliza esta tecnología de obturador rotatorio.

Obturador global

Fuente:Sensor de imagen CMOS con obturador global GMAX3412

1. Para comenzar la adquisición, se borra simultáneamente la carga de todo el sensor (reinicio global del pozo de píxeles).
2. La carga se acumula durante la exposición.
3. Al final de la exposición, las cargas recolectadas se trasladan a un pozo enmascarado dentro de cada píxel, donde pueden esperar la lectura sin que se cuenten los nuevos fotones detectados. Algunas cámaras trasladan las cargas al condensador del píxel en esta etapa.
4. Con las cargas detectadas almacenadas en el área enmascarada de cada píxel, el área activa del píxel puede comenzar la exposición del siguiente fotograma (modo de superposición).
5. El proceso de lectura del área enmascarada se desarrolla como en los sensores de obturador rotatorio: una fila a la vez, desde la parte superior del sensor, las cargas se transfieren desde el área enmascarada al condensador de lectura y al amplificador.
6. El voltaje en cada amplificador en esa fila se conecta al ADC de columna y la señal se mide para cada píxel de la fila.
7. La operación de lectura y reinicio tomará el "tiempo de línea" para completarse, después de lo cual el proceso se repetirá para la siguiente fila a partir del paso 5.
8. Una vez leídas todas las filas, la cámara está lista para leer el siguiente fotograma, y el proceso se puede repetir desde el paso 2, o el paso 3 si ya ha transcurrido el tiempo de exposición.

Cámara sCMOS monocromática Libra 3412M de TucsenUtiliza tecnología de obturador global, lo que permite una captura clara y rápida de muestras en movimiento.

Pros y contras de los sensores CMOS

Ventajas

● Velocidades más altas:Los sensores CMOS suelen ser entre 1 y 2 órdenes de magnitud más rápidos en cuanto al rendimiento de datos que los sensores CCD o EMCCD.
● Sensores más grandesUn mayor rendimiento de datos permite un mayor número de píxeles y campos de visión más amplios, hasta decenas o cientos de megapíxeles.
● Bajo nivel de ruido:Algunos sensores CMOS pueden tener un ruido de lectura tan bajo como 0,25e-, rivalizando con los EMCCD sin necesidad de multiplicación de carga que agregue fuentes de ruido adicionales.
● Flexibilidad de tamaño de píxelLos sensores de las cámaras de consumo y de los teléfonos inteligentes reducen el tamaño de los píxeles al rango de ~1 μm, y las cámaras científicas tienen un tamaño de píxel de hasta 11 μm, y hay disponibles de hasta 16 μm.
● Menor consumo de energíaLos bajos requisitos de energía de las cámaras CMOS permiten su uso en una variedad más amplia de aplicaciones científicas e industriales.
● Precio y vida útilLas cámaras CMOS de gama baja suelen tener un coste similar o inferior al de las cámaras CCD, y las cámaras CMOS de gama alta son mucho más económicas que las cámaras EMCCD. Su vida útil prevista debería superar con creces la de una cámara EMCCD.

Contras

● Persiana enrollable:La mayoría de las cámaras CMOS científicas tienen un obturador giratorio, lo que puede agregar complejidad a los flujos de trabajo experimentales o descartar algunas aplicaciones.
● Mayor corriente oscurat: La mayoría de las cámaras CMOS tienen una corriente oscura mucho mayor que los sensores CCD y EMCCD, lo que a veces introduce un ruido significativo en exposiciones prolongadas (> 1 segundo).

Dónde se utilizan hoy los sensores CMOS

Gracias a su versatilidad, los sensores CMOS se encuentran en una amplia gama de aplicaciones:

● Electrónica de consumo:Teléfonos inteligentes, cámaras web, DSLR, cámaras de acción.
● Ciencias de la vida:Potencia de los sensores CMOScámaras de microscopíaSe utiliza en imágenes de fluorescencia y diagnósticos médicos.

● Astronomía:Los telescopios y los dispositivos de imágenes espaciales a menudo utilizan CMOS científico (sCMOS) para lograr alta resolución y bajo ruido.
● Inspección Industrial:Inspección óptica automatizada (AOI), robótica ycámaras para inspección de semiconductoresConfíe en los sensores CMOS para obtener velocidad y precisión.

● Automotriz:Sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS), cámaras de visión trasera y de estacionamiento.
● Vigilancia y seguridad:Sistemas de detección de movimiento y poca luz.

Su velocidad y rentabilidad hacen de CMOS la solución ideal tanto para uso comercial de gran volumen como para trabajo científico especializado.

¿Por qué CMOS es ahora el estándar moderno?

La transición del CCD al CMOS no se produjo de la noche a la mañana, pero era inevitable. He aquí por qué el CMOS es ahora la piedra angular de la industria de la imagen:

● Ventaja de fabricación:Construido sobre líneas de fabricación de semiconductores estándar, reduciendo costos y mejorando la escalabilidad.
● Mejoras en el rendimiento:Opciones de obturador global y giratorio, sensibilidad mejorada con poca luz y velocidades de cuadro más altas.
● Integración e inteligencia:Los sensores CMOS ahora admiten procesamiento de IA en chip, computación de borde y análisis en tiempo real.
● InnovaciónLos tipos de sensores emergentes, como los CMOS apilados, los sensores de imagen cuántica y los sensores curvos, se basan en plataformas CMOS.

Desde teléfonos inteligentes hastacámaras científicasCMOS ha demostrado ser adaptable, potente y preparado para el futuro.

Conclusión

Los sensores CMOS se han convertido en el estándar moderno para la mayoría de las aplicaciones de imagen, gracias a su equilibrio entre rendimiento, eficiencia y coste. Ya sea para capturar recuerdos cotidianos o para realizar análisis científicos de alta velocidad, la tecnología CMOS sienta las bases del mundo visual actual.

A medida que innovaciones como el obturador global CMOS y sCMOS continúan expandiendo las capacidades de la tecnología, su dominio continuará durante los próximos años.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la diferencia entre un obturador enrollable y un obturador global?

Un obturador giratorio lee los datos de la imagen línea por línea, lo que puede causar artefactos de movimiento (por ejemplo, inclinación o tambaleo) al capturar sujetos que se mueven rápidamente.

Un obturador global captura todo el fotograma simultáneamente, eliminando la distorsión del movimiento. Es ideal para aplicaciones de imágenes de alta velocidad, como visión artificial y experimentos científicos.

¿Qué es el modo de superposición CMOS con obturador rodante?

En las cámaras CMOS con obturador rotatorio, en modo de superposición, la exposición del siguiente fotograma puede comenzar antes de que el actual se complete, lo que permite velocidades de fotogramas más altas. Esto es posible porque la exposición y la lectura de cada fila están escalonadas en el tiempo.

Este modo es útil en aplicaciones donde la velocidad de fotogramas y el rendimiento son cruciales, como en la inspección a alta velocidad o el seguimiento en tiempo real. Sin embargo, puede aumentar ligeramente la complejidad de la temporización y la sincronización.