2005/08/25Smartphoneetatik hasi eta tresna zientifikoetaraino, irudi-sentsoreak gaur egungo ikusmen-teknologiaren muinean daude. Horien artean, CMOS sentsoreak indar nagusi bihurtu dira, eguneroko argazkietatik hasi eta mikroskopia aurreraturaino eta erdieroaleen ikuskapeneraino denetarik elikatzen baitute.
'Complementary Metal Oxide Semiconductor' (CMOS) teknologia arkitektura elektroniko bat eta fabrikazio-prozesuen multzo bat da, eta aplikazio izugarri zabalak ditu. Izan ere, esan liteke CMOS teknologiak aro digital modernoaren oinarria dela.
Zer da CMOS sentsore bat?
CMOS irudi sentsoreek (CIS) pixel aktiboak erabiltzen dituzte, hau da, kameraren pixel bakoitzean hiru transistore edo gehiago erabiltzen dira. CCD eta EMCCD pixelek ez dute transistorerik.
Pixel bakoitzeko transistoreek pixel "aktibo" hauek kontrolatzea, seinaleak "eremu-efektuko" transistoreen bidez anplifikatzea eta haien datuak atzitzea ahalbidetzen dute, guztia paraleloan. Sentsore oso bat edo sentsore baten zati esanguratsu bat irakurtzeko bide bakarraren ordez,...CMOS kameraGutxienez irakurketa ADC errenkada oso bat dauka, sentsorearen zutabe bakoitzeko ADC bat (edo gehiago). Hauetako bakoitzak bere zutabearen balioa aldi berean irakur dezake. Gainera, 'pixel aktibo' sentsore hauek CMOS logika digitalarekin bateragarriak dira, sentsorearen funtzionalitate potentziala handituz.
Elkarrekin, ezaugarri hauek CMOS sentsoreei abiadura ematen diete. Hala ere, paralelismoaren igoera honi esker, banakako ADCek denbora gehiago behar dute detektatutako seinaleak zehaztasun handiagoz neurtzeko. Bihurketa-denbora luzeago hauek zarata oso txikiko funtzionamendua ahalbidetzen dute, pixel kopuru handiagoetarako ere. Honi eta beste berrikuntza batzuei esker, CMOS sentsoreen irakurketa-zarata CCDena baino 5-10 aldiz txikiagoa izan ohi da.
CMOS zientifiko modernoak (sCMOS) CMOS azpimota espezializatu bat dira, ikerketa aplikazioetan zarata gutxiko eta abiadura handiko irudiak lortzeko diseinatua.
Nola funtzionatzen dute CMOS sentsoreek? (Obturazio birakaria vs. obturazio globala barne)
CMOS sentsore tipiko baten funtzionamendua irudian erakusten da eta behean azaltzen da. Kontuan izan beheko funtzionamendu-desberdintasunen ondorioz, esposizioaren denbora eta funtzionamendua desberdinak izango direla obturadore globaleko eta obturadore birakariko CMOS kameren kasuan.
Irudia: CMOS sentsorearen irakurketa prozesua
OHARRACMOS kameren irakurketa-prozesua desberdina da 'obturadore birakari' eta 'obturadore global' kameren artean, testuan azaltzen den bezala. Edozein kasutan, pixel bakoitzak kondentsadore eta anplifikadore bat ditu, detektatutako fotoelektroi kopuruan oinarritutako tentsio bat sortzen dutenak. Errenkada bakoitzerako, zutabe bakoitzeko tentsioak aldi berean neurtzen dira zutabe analogiko-digital bihurgailuen bidez.
Obturadore birakaria
1. CMOS sentsore errodagarri baten kasuan, goiko ilaran hasita (edo erdialdetik sentsore zatituko kameretan), kendu karga ilaratik ilara horren esposizioa hasteko.
2. 'Lerro-denbora' igaro ondoren (normalean 5-20 μs), joan hurrengo errenkara eta errepikatu 1. urratsetik, sentsore osoa agerian geratu arte.
3. Lerro bakoitzeko, kargak metatzen dira esposizioan zehar, lerro horrek bere esposizio denbora amaitu arte. Lehenengo hasten den lerroak amaituko du lehenengo.
4. Lerro baterako esposizioa amaitutakoan, transferitu kargak irakurketa-kondentsadoreari eta anplifikadoreari.
5. Lerro horretako anplifikadore bakoitzeko tentsioa zutabe-ADCra konektatzen da, eta seinalea lerroko pixel bakoitzeko neurtzen da.
6. Irakurketa eta berrezartze eragiketak 'lerro-denbora' beharko du osatzeko, eta ondoren esposizioa hasteko hurrengo errenkadak bere esposizio-denboraren amaierara iritsiko da, eta prozesua 4. urratsetik errepikatuko da.
7. Goiko ilararen irakurketa amaitu bezain laster, beheko ilarak uneko fotograma esposizioa egiten hasi bada behintzat, goiko ilarak hurrengo fotograma esposizioa has dezake (gainjartze modua). Esposizio-denbora fotograma-denbora baino laburragoa bada, goiko ilarak beheko ilarak esposizioa hasi arte itxaron behar du. Esposizio laburrena lerro-denbora bat izaten da normalean.
Tucsen-en FL 26BW hoztutako CMOS kamera, Sony IMX533 sentsorea duena, obturadore birakariaren teknologia hau erabiltzen du.
Obturadore Globala
1. Eskuratzea hasteko, karga sentsore osotik aldi berean kentzen da (pixelen putzuaren berrezarpen orokorra).
2. Karga metatzen da esposizioan zehar.
3. Esposizioaren amaieran, bildutako kargak pixel bakoitzaren barruko putzu maskaradun batera eramaten dira, eta han irakurketaren zain egon daitezke detektatutako fotoi berriak zenbatu gabe. Kamera batzuek kargak pixel kondentsadorearen barrura eramaten dituzte etapa honetan.
4. Pixel bakoitzaren maskaradun eremuan detektatutako kargak gordeta, pixelaren eremu aktiboak hurrengo fotograma esposizioa has dezake (gainjartze modua).
5. Eremu maskaratuaren irakurketa-prozesua obturadore birakariko sentsoreetan bezala gertatzen da: errenkada bana, sentsorearen goialdetik, kargak maskaratutako putzutik irakurketa-kondentsadore eta anplifikadoreraino transferitzen dira.
6. Lerro horretako anplifikadore bakoitzeko tentsioa zutabe-ADCra konektatzen da, eta seinalea lerroko pixel bakoitzerako neurtzen da.
7. Irakurketa eta berrezartze eragiketak 'lerro-denbora' beharko du osatzeko, eta ondoren prozesua 5. urratseko hurrengo errenkadarako errepikatuko da.
8. Errenkada guztiak irakurri ondoren, kamera prest dago hurrengo fotograma irakurtzeko, eta prozesua 2. urratsetik errepika daiteke, edo 3. urratsetik esposizio-denbora igaro bada.
Tucsen-en Libra 3412M Mono sCMOS kameraobturadore globalaren teknologia erabiltzen du, lagin mugikorrak argi eta azkar harrapatzeko aukera emanez.
CMOS sentsoreen alde onak eta txarrak
Alde onak
● Abiadura handiagoakCMOS sentsoreak normalean magnitude 1 edo 2 azkarragoak dira datu-transmisioan CCD edo EMCCD sentsoreak baino.
● Sentsore handiagoakDatuen transmisio azkarragoak pixel kopuru handiagoa eta ikus-eremu handiagoak ahalbidetzen ditu, hamarnaka edo ehunka megapixeleraino.
● Zarata gutxiCMOS sentsore batzuek 0,25e--ko irakurketa-zarata izan dezakete, EMCCDekin lehiatuz, zarata-iturri gehigarriak gehitzen dituen karga-biderkadura beharrik gabe.
● Pixelen tamainaren malgutasunaKontsumitzaileen eta telefono adimendunen kameren sentsoreek pixelen tamaina ~1 μm-ko tarteraino murrizten dute, eta 11 μm-ko pixel tamainako kamera zientifikoak ohikoak dira, eta 16 μm-koak ere eskuragarri.
● Energia-kontsumo txikiagoaCMOS kameren potentzia-behar txikiek aplikazio zientifiko eta industrial zabalagoetan erabiltzeko aukera ematen dute.
● Prezioa eta iraupenaCMOS kamera merkeek CCD kameren antzeko edo merkeagoak izaten dituzte normalean, eta CMOS kamera goi-mailakoak EMCCD kamerenak baino askoz merkeagoak. Haien bizitza erabilgarria EMCCD kamera batena baino askoz handiagoa izan beharko litzateke.
Alde txarrak
● Obturadore birakariaZientzialarientzako CMOS kamera gehienek obturadore birakaria dute, eta horrek konplexutasuna gehi diezaieke esperimentu-lanei edo aplikazio batzuk baztertu.
● Korronte ilun handiagoat: CMOS kamera gehienek CCD eta EMCCD sentsoreek baino iluntasun-korronte askoz handiagoa dute, eta batzuetan zarata nabarmena sartzen dute esposizio luzeetan (> 1 segundo).
Non erabiltzen diren CMOS sentsoreak gaur egun
Beren moldakortasunari esker, CMOS sentsoreak aplikazio ugaritan aurkitzen dira:
● Kontsumo-elektronika: Smartphone-ak, webcam-ak, DSLR kamerak, ekintza kamerak.
● Bizitzaren ZientziakCMOS sentsoreen potentziamikroskopia kamerakfluoreszentzia irudigintzan eta diagnostiko medikoan erabiltzen da.
● AstronomiaTeleskopioek eta espazioko irudi-gailuek CMOS zientifikoa (sCMOS) erabiltzen dute askotan bereizmen handiko eta zarata txikiko sistema lortzeko.
● Industria IkuskapenaIkuskapen optiko automatizatua (AOI), robotika etaerdieroaleen ikuskapenerako kamerakCMOS sentsoreetan oinarritzen dira abiadura eta zehaztasuna lortzeko.
● AutomobilgintzaGidarientzako Laguntza Sistema Aurreratuak (ADAS), atzeko ikusmeneko eta aparkalekuko kamerak.
● Zaintza eta SegurtasunaArgi gutxiko eta mugimendua detektatzeko sistemak.
Haien abiadurak eta kostu-eraginkortasunak CMOS irtenbide aproposa bihurtzen dute bai bolumen handiko erabilera komertzialetarako, bai lan zientifiko espezializatuetarako.
Zergatik den CMOS estandar modernoa
CCDtik CMOSerako aldaketa ez zen gau batetik bestera gertatu, baina saihestezina zen. Hona hemen zergatik den CMOS orain irudigintzaren industriaren oinarrizko zutabea:
● Fabrikazio AbantailaErdieroaleen fabrikazio-lerro estandarretan eraikia, kostua murriztuz eta eskalagarritasuna hobetuz.
● Errendimenduaren hobekuntzakObturadore birakari eta globalaren aukerak, argi gutxiko sentikortasun hobetua eta fotograma-tasa handiagoak.
● Integrazioa eta AdimenaCMOS sentsoreek orain txipean integratutako AI prozesamendua, ertzeko konputazioa eta denbora errealeko analisia onartzen dituzte.
● BerrikuntzaCMOS pilatuak, irudi kuantikoen sentsoreak eta sentsore kurbatuak bezalako sentsore mota berriak CMOS plataformetan eraikitzen dira.
Smartphoneetatik hasi etakamera zientifikoakCMOSek moldagarria, indartsua eta etorkizunerako prest dagoela frogatu du.
Ondorioa
CMOS sentsoreak irudi-aplikazio gehienen estandar moderno bihurtu dira, errendimenduaren, eraginkortasunaren eta kostuaren arteko orekari esker. Eguneroko oroitzapenak harrapatzen edo abiadura handiko analisi zientifikoak egiten ari diren ala ez, CMOS teknologiak gaur egungo mundu bisualaren oinarria eskaintzen du.
CMOS obturadore globala eta sCMOS bezalako berrikuntzek teknologiaren gaitasunak zabaltzen jarraitzen duten heinean, bere nagusitasuna datozen urteetan ere jarraituko duela aurreikusten da.
Maiz egiten diren galderak
Zein da obturadore birakari baten eta obturadore global baten arteko aldea?
Obturadore birakariak irudi-datuak lerroz lerro irakurtzen ditu, eta horrek mugimendu-artefaktuak sor ditzake (adibidez, okertzea edo dardara) azkar mugitzen diren subjektuak harrapatzean.
Obturadore global batek fotograma osoa aldi berean hartzen du, mugimenduaren distortsioa ezabatuz. Abiadura handiko irudi-aplikazioetarako aproposa da, hala nola ikusmen artifiziala eta esperimentu zientifikoak.
Zer da Rolling Shutter CMOS gainjartze modua?
Obturadore errodagarriko CMOS kameretan, gainjartze moduan, hurrengo fotograma esposizioa unekoa guztiz amaitu baino lehen has daiteke, fotograma-tasa handiagoak ahalbidetuz. Hori posible da errenkada bakoitzaren esposizioa eta irakurketa denboran mailakatuta daudelako.
Modu hau erabilgarria da fotograma-tasa maximoa eta errendimendua funtsezkoak diren aplikazioetan, hala nola abiadura handiko ikuskapenean edo denbora errealeko jarraipenan. Hala ere, denboraren eta sinkronizazioaren konplexutasuna apur bat handitu dezake.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Eskubide guztiak erreserbatuta. Aipatzen duzunean, aipatu iturria:www.tucsen.com
