25.8.2005Älypuhelimista tieteellisiin instrumentteihin, kuvasensorit ovat nykypäivän visuaalisen teknologian ydin. Näistä CMOS-sensoreista on tullut hallitseva voima, joka ohjaa kaikkea arkipäivän valokuvista edistyneeseen mikroskopiaan ja puolijohteiden tarkastukseen.
CMOS-teknologia (Complementary Metal Oxide Semiconductor) on elektroninen arkkitehtuuri ja joukko valmistusprosessitekniikoita, joiden sovellukset ovat uskomattoman laajat. CMOS-teknologian voitaisiin todellakin sanoa olevan nykyaikaisen digitaalisen aikakauden perusta.
Mikä on CMOS-kenno?
CMOS-kuvasensorit (CIS) käyttävät aktiivisia pikseleitä, mikä tarkoittaa kolmen tai useamman transistorin käyttöä kameran jokaisessa pikselissä. CCD- ja EMCCD-pikselit eivät sisällä transistoreita.
Kunkin pikselin transistorit mahdollistavat näiden "aktiivisten" pikseleiden ohjaamisen, signaalien vahvistamisen "kenttätransistoreilla" ja niiden datan käytön, kaikki rinnakkain. Yhden lukureitin sijaan koko anturille tai merkittävälle osalle anturista, aCMOS-kamerasisältää vähintään yhden kokonaisen rivin lukevia AD-muuntimia, yhden (tai useamman) AD-muuntimen anturin jokaista saraketta kohden. Jokainen näistä voi lukea sarakkeensa arvon samanaikaisesti. Lisäksi nämä "aktiivisen pikselin" anturit ovat yhteensopivia CMOS-digitaalilogiikan kanssa, mikä lisää anturin potentiaalista toiminnallisuutta.
Yhdessä nämä ominaisuudet antavat CMOS-kennoille niiden nopeuden. Tämän rinnakkaisuuden lisääntymisen ansiosta yksittäiset ADC-muuntimet pystyvät kuitenkin mittaamaan havaittuja signaalejaan pidemmällä ja tarkemmalla aikavälillä. Nämä pidemmät muunnosajat mahdollistavat erittäin hiljaisen toiminnan jopa suuremmilla pikselimäärillä. Tämän ja muiden innovaatioiden ansiosta CMOS-kennojen lukukohina on jopa 5–10 kertaa pienempi kuin CCD-kennoilla.
Nykyaikaiset tieteelliset CMOS-kamerat (sCMOS) ovat erikoistunut CMOS-alatyyppi, joka on suunniteltu vähäkohinaiseen ja nopeaan kuvantamiseen tutkimussovelluksissa.
Miten CMOS-kennot toimivat? (Mukaan lukien liikkuva suljin vs. globaali suljin)
Tyypillisen CMOS-kennon toiminta on esitetty kuvassa ja esitetty alla. Huomaa, että alla olevien toiminnallisten erojen vuoksi valotuksen ajoitus ja toiminta eroavat toisistaan globaalien ja rullaavien sulkimien CMOS-kameroiden välillä.
HUOMAUTUS: CMOS-kameroiden lukuprosessi eroaa 'vierivällä sulkimella' ja 'globaalilla sulkimella' varustetuissa kameroissa, kuten tekstissä käsitellään. Kummassakin tapauksessa jokainen pikseli sisältää kondensaattorin ja vahvistimen, jotka tuottavat jännitteen havaittujen fotoelektronien lukumäärän perusteella. Jokaisella rivillä jokaisen sarakkeen jännitteet mitataan samanaikaisesti sarakkeiden analogia-digitaalimuuntimilla.
Rullaava suljin
1. Aloita rullaavan sulkimen CMOS-kennon valotus poistamalla varaus riviltä ylimmältä riviltä (tai keskeltä jaetun kennon kameroissa).
2. Kun 'viiva-aika' on kulunut (yleensä 5–20 μs), siirry seuraavalle riville ja toista vaihetta 1, kunnes koko anturi on valotettu.
3. Jokaiselle riville kertyy varauksia valotuksen aikana, kunnes rivin valotusaika on päättynyt. Ensimmäisenä alkava rivi päättyy ensin.
4. Kun rivin valotus on valmis, siirrä varaukset lukukondensaattoriin ja vahvistimeen.
5. Kunkin rivin vahvistimen jännite kytketään sitten sarakkeen AD-muuntimeen ja signaali mitataan jokaiselle rivin pikselille.
6. Lukeminen ja nollaaminen vie rivin valotusajan, minkä jälkeen seuraava valotuksen aloittava rivi on saavuttanut valotusaikansa lopun ja prosessi toistetaan vaiheesta 4 alkaen.
7. Heti kun ylimmän rivin luku on valmis ja alin rivi on aloittanut nykyisen kuvan valotuksen, ylin rivi voi aloittaa seuraavan kuvan valotuksen (päällekkäisyystila). Jos valotusaika on lyhyempi kuin kuvan kesto, ylimmän rivin on odotettava alimman rivin valotuksen alkamista. Lyhin mahdollinen valotus on tyypillisesti yhden rivin aika.
Tucsenin FL 26BW -jäähdytetty CMOS-kamera, jossa on Sony IMX533 -kenno, käyttää tätä rullaavaa suljintekniikkaa.
Globaali suljin
1. Tallennuksen aloittamiseksi koko sensori tyhjennetään samanaikaisesti (pikselikaivon globaali nollaus).
2. Varaus kertyy valotuksen aikana.
3. Valotuksen lopussa kerätyt varaukset siirretään kunkin pikselin sisällä olevaan maskattuun kuoppaan, jossa ne voivat odottaa lukemista ilman, että uusia havaittuja fotoneja lasketaan. Jotkut kamerat siirtävät varauksia pikselikondensaattoriin tässä vaiheessa.
4. Kun havaitut varaukset on tallennettu kunkin pikselin maskattuun alueeseen, pikselin aktiivinen alue voi aloittaa seuraavan kuvan valotuksen (päällekkäisyystila).
5. Lukeminen peitetyltä alueelta etenee kuten rullakaihdinantureilla: Yksi rivi kerrallaan, anturin yläosasta, varaukset siirtyvät peitetystä kuopasta lukukondensaattoriin ja vahvistimeen.
6. Kunkin rivin vahvistimen jännite kytketään sarakkeen AD-muuntimeen ja signaali mitataan jokaiselta rivin pikseliltä.
7. Lukeminen ja nollaaminen vie rivin ajan, minkä jälkeen prosessi toistuu vaiheen 5 seuraavalle riville.
8. Kun kaikki rivit on luettu, kamera on valmis lukemaan seuraavan kuvan, ja prosessi voidaan toistaa vaiheesta 2 tai vaiheesta 3, jos valotusaika on jo kulunut.
Tucsenin Libra 3412M Mono sCMOS -kamerahyödyntää globaalia suljintekniikkaa, joka mahdollistaa liikkuvien näytteiden selkeän ja nopean tallentamisen.
CMOS-kennojen plussat ja miinukset
Hyvät puolet
● Suuremmat nopeudetCMOS-kennojen tiedonsiirtonopeus on tyypillisesti 1–2 kertaluokkaa nopeampi kuin CCD- tai EMCCD-kennojen.
● Suuremmat anturitNopeampi tiedonsiirto mahdollistaa suuremman pikselimäärän ja laajemmat näkökentät, jopa kymmeniä tai satoja megapikseleitä.
● HiljainenJoidenkin CMOS-kennojen lukukohina voi olla jopa 0,25e⁻, mikä kilpailee EMCCD-kennojen kanssa ilman varauksen kertolaskua, joka lisää kohinalähteitä.
● Pikselikoon joustavuusKuluttaja- ja älypuhelinten kamerasensorit pienentävät pikselikoot noin 1 μm:n kokoon, ja tieteellisissä kameroissa pikselikoko on yleistä, ja saatavilla on jopa 16 μm:n kokoisia kameroita.
● Pienempi virrankulutusCMOS-kameroiden alhainen tehontarve mahdollistaa niiden käytön monenlaisissa tieteellisissä ja teollisissa sovelluksissa.
● Hinta ja käyttöikäEdullisemmat CMOS-kamerat ovat tyypillisesti hintansa arvoisia tai halvempia kuin CCD-kamerat, ja huippuluokan CMOS-kamerat ovat paljon halvempia kuin EMCCD-kamerat. Niiden odotetun käyttöiän pitäisi olla huomattavasti pidempi kuin EMCCD-kameran.
Haittoja
● Rullaava suljinUseimmissa tieteellisissä CMOS-kameroissa on rullaava suljin, joka voi lisätä kokeellisten työnkulkujen monimutkaisuutta tai sulkea pois joitakin sovelluksia.
● Korkeampi tumma current: Useimmissa CMOS-kameroissa on paljon suurempi pimeävirta kuin CCD- ja EMCCD-kennoissa, mikä aiheuttaa joskus merkittävää kohinaa pitkillä valotusajoilla (> 1 sekunti).
Missä CMOS-kennoja käytetään nykyään
Monipuolisuutensa ansiosta CMOS-antureita käytetään monenlaisissa sovelluksissa:
● KulutuselektroniikkaÄlypuhelimet, web-kamerat, järjestelmäkamerat, action-kamerat.
● BiotieteetCMOS-kennojen tehomikroskopiakameratkäytetään fluoresenssikuvantamisessa ja lääketieteellisessä diagnostiikassa.
● TähtitiedeTeleskoopit ja avaruuskuvauslaitteet käyttävät usein tieteellistä CMOS-kennoa (sCMOS) korkean resoluution ja alhaisen kohinan saavuttamiseksi.
● TeollisuustarkastusAutomaattinen optinen tarkastus (AOI), robotiikka jakamerat puolijohteiden tarkastusta vartenluota CMOS-kennoihin nopeuden ja tarkkuuden suhteen.
● AutoteollisuusEdistykselliset kuljettajan avustusjärjestelmät (ADAS), peruutuskamerat ja pysäköintikamerat.
● Valvonta ja turvallisuusHämäräntunnistus- ja liiketunnistusjärjestelmät.
Niiden nopeus ja kustannustehokkuus tekevät CMOS-tekniikasta ensisijaisen ratkaisun sekä laajamittaiseen kaupalliseen käyttöön että erikoistuneeseen tieteelliseen työhön.
Miksi CMOS on nyt moderni standardi
Siirtyminen CCD-kennoista CMOS-kennoihin ei tapahtunut yhdessä yössä, mutta se oli väistämätöntä. Tässä syy, miksi CMOS on nyt kuvantamisalan kulmakivi:
● ValmistusetuRakennettu standardoiduille puolijohdevalmistuslinjoille, mikä vähentää kustannuksia ja parantaa skaalautuvuutta.
● Suorituskyvyn parannukset: Rullaava ja yleinen suljin, parannettu hämäräkuvausherkkyys ja korkeampi kuvataajuus.
● Integrointi ja älykkyysCMOS-anturit tukevat nyt sirulle integroitua tekoälyprosessointia, reunalaskentaa ja reaaliaikaista analyysia.
● InnovaatioUudet anturityypit, kuten pinotut CMOS-anturit, kvanttikuva-anturit ja kaarevat anturit, rakennetaan CMOS-alustoille.
Älypuhelimistatieteelliset kameratCMOS on osoittautunut mukautuvaksi, tehokkaaksi ja tulevaisuuteen suuntautuneeksi.
Johtopäätös
CMOS-kennoista on kehittynyt moderni standardi useimmille kuvantamissovelluksille suorituskyvyn, tehokkuuden ja kustannusten tasapainon ansiosta. Olipa kyse sitten arkipäivän muistojen tallentamisesta tai nopeasta tieteellisestä analyysistä, CMOS-teknologia tarjoaa perustan nykypäivän visuaaliselle maailmalle.
Koska innovaatiot, kuten globaali suljin CMOS ja sCMOS, laajentavat teknologian mahdollisuuksia, sen hallitsevan aseman odotetaan jatkuvan tulevina vuosina.
Usein kysytyt kysymykset
Mitä eroa on rullaavalla sulkimella ja globaalilla sulkimella?
Vierivä suljin lukee kuvadatan rivi riviltä, mikä voi aiheuttaa liikehäiriöitä (esim. vinoumaa tai heilumista) nopeasti liikkuvia kohteita kuvattaessa.
Globaali suljin tallentaa koko kuvan samanaikaisesti, mikä poistaa liikkeen aiheuttamat vääristymät. Se on ihanteellinen nopeaan kuvantamiseen, kuten konenäköön ja tieteellisiin kokeisiin.
Mikä on Rolling Shutter CMOS -päällekkäisyystila?
CMOS-kameroissa, joissa on rullaava suljin, päällekkäisyystilassa seuraavan kuvan valotus voi alkaa ennen kuin nykyinen on täysin valmis, mikä mahdollistaa suuremman kuvataajuuden. Tämä on mahdollista, koska jokaisen rivin valotus ja lukema ovat porrastettuja ajallisesti.
Tämä tila on hyödyllinen sovelluksissa, joissa suurin mahdollinen kuvataajuus ja läpimenoaika ovat kriittisiä, kuten suurnopeustarkastuksissa tai reaaliaikaisessa seurannassa. Se voi kuitenkin hieman lisätä ajoituksen ja synkronoinnin monimutkaisuutta.
