25/08/05Fan smartphones oant wittenskiplike ynstruminten, ôfbyldingssensors binne it hert fan 'e fisuele technology fan hjoed. Under dizze binne CMOS-sensors de dominante krêft wurden, dy't alles oandriuwe, fan deistige foto's oant avansearre mikroskopie en healgeleiderynspeksje.
'Complementary Metal Oxide Semiconductor' (CMOS) technology is in elektroanyske arsjitektuer en set fan fabrikaazjeprosestechnologyen wêrfan de tapassingen ûnbidich breed binne. Yndied kin sein wurde dat CMOS-technology de basis is fan it moderne digitale tiidrek.
Wat is in CMOS-sensor?
CMOS-ôfbyldingssensors (CIS) brûke aktive piksels, wat betsjut it gebrûk fan trije of mear transistors yn elke piksel fan 'e kamera. CCD- en EMCCD-piksels befetsje gjin transistors.
De transistors yn elke piksel meitsje it mooglik om dizze 'aktive' piksels te kontrolearjen, sinjalen te fersterkjen fia 'fjildeffekt'-transistors, en tagong te krijen ta har gegevens, allegear parallel. Yn plak fan ien útlêspaad foar in hiele sensor of in wichtige fraksje fan in sensor, inCMOS-kameraomfettet teminsten ien folsleine rige útlês-ADC's, ien (of mear) ADC's foar elke kolom fan 'e sensor. Elk fan dizzen kin de wearde fan har kolom tagelyk lêze. Fierder binne dizze 'aktive piksel'-sensoren kompatibel mei CMOS digitale logika, wêrtroch't de potinsjele sensorfunksjonaliteit fergruttet.
Tegearre jouwe dizze kwaliteiten CMOS-sensoren harren snelheid. Dochs, tanksij dizze tanimming fan parallellisme, kinne yndividuele ADC's langer duorje om har detektearre sinjalen mei mear krektens te mjitten. Dizze langere konverzjetiden meitsje in operaasje mei heul leech rûs mooglik, sels foar hegere pikseltellingen. Mei tank oan dit, en oare ynnovaasjes, is de lêsrûs fan CMOS-sensoren faak wol 5x - 10x leger as dy fan CCD's.
Moderne wittenskiplike CMOS (sCMOS) kamera's binne in spesjalisearre subtype fan CMOS ûntworpen foar ôfbylding mei lege rûs en hege snelheid yn ûndersyksapplikaasjes.
Hoe wurkje CMOS-sensoren? (Ynklusyf Rolling vs Global Shutter)
De wurking fan in typyske CMOS-sensor wurdt werjûn yn 'e ôfbylding en hjirûnder sketst. Tink derom dat as gefolch fan 'e operasjonele ferskillen hjirûnder, de timing en wurking fan eksposysje sille ferskille foar globale versus rolling shutter CMOS-kamera's.
Ofbylding: Útlêsproses foar CMOS-sensor
NOATIt útlêsproses foar CMOS-kamera's ferskilt tusken 'rolling shutter'- en 'global shutter'-kamera's, lykas besprutsen yn 'e tekst. Yn beide gefallen befettet elke piksel in kondensator en fersterker dy't in spanning produsearje op basis fan it detektearre oantal fotoelektronen. Foar elke rige wurde de spanningen foar elke kolom tagelyk metten troch kolom-analogo-nei-digitale omsetters.
Rôljende sluter
1. Foar in CMOS-sensor mei rôljende sluter, begjinnend by de boppeste rige (of it sintrum foar splitsensor-kamera's), ferwiderje de lading fan 'e rige om de bleatstelling fan dy rige te begjinnen.
2. Nei't de 'linetiid' ferrûn is (meastal 5-20 μs), gean nei de folgjende rige en werhelje fan stap 1, oant de hiele sensor bleatsteld wurdt.
3. Foar elke rige sammelje ladingen har op tidens de bleatstelling, oant dy rige syn bleatstellingstiid foltôge hat. De earste rige dy't begjint sil earst einigje.
4. Sadree't de bleatstelling foar in rige klear is, oerdrage ladingen nei de útlêskondensator en fersterker.
5. De spanning yn elke fersterker yn dy rige wurdt dan ferbûn mei de kolom ADC, en it sinjaal wurdt metten foar elke piksel yn 'e rige.
6. It útlêzen en weromsette sil de 'linetiid' duorje om te foltôgjen, wêrnei't de folgjende rige dy't de bleatstelling begjint it ein fan syn bleatstellingstiid berikt hat, en it proses wurdt werhelle fan stap 4 ôf.
7. Sadree't it útlêzen foar de boppeste rige foltôge is, mits de ûnderste rige begûn is mei it bleatstellen fan it hjoeddeiske frame, kin de boppeste rige begjinne mei de bleatstelling fan it folgjende frame (oerlaapmodus). As de bleatstellingstiid koarter is as de frametiid, moat de boppeste rige wachtsje oant de ûnderste rige begjint mei de bleatstelling. De koartste mooglike bleatstelling is typysk ien rigeltiid.
Tucsen's FL 26BW koelde CMOS-kamera, mei de Sony IMX533-sensor, brûkt dizze rolling shutter-technology.
Globale sluter
1. Om de akwisysje te begjinnen, wurdt de lading tagelyk fan 'e hiele sensor wiske (globale reset fan 'e pikselput).
2. Lading sammelet him op tidens bleatstelling.
3. Oan 'e ein fan 'e bleatstelling wurde sammele ladingen nei in maskere put binnen elke piksel ferpleatst, dêr't se kinne wachtsje op útlêzen sûnder dat nije detektearre fotonen teld wurde. Guon kamera's ferpleatse ladingen yn dit stadium nei de pikselkondensator.
4. Mei de detektearre ladingen opslein yn it maskere gebiet fan elke piksel, kin it aktive gebiet fan 'e piksel begjinne mei de bleatstelling fan it folgjende frame (oerlaapmodus).
5. It proses fan útlêzen fanút it maskere gebiet giet lykas foar rôljende slutersensoren: Ien rige tagelyk, fan 'e boppekant fan' e sensor, wurde ladingen oerdroegen fan 'e maskere put nei de útlêskondensator en fersterker.
6. De spanning yn elke fersterker yn dy rige is ferbûn mei de kolom ADC, en it sinjaal wurdt metten foar elke piksel yn 'e rige.
7. It útlêzen en weromsette sil de 'linetiid' duorje om te foltôgjen, wêrnei't it proses him werhelle sil foar de folgjende rige fan stap 5 ôf.
8. As alle rigen lêzen binne, is de kamera klear om it folgjende frame te lêzen, en it proses kin werhelle wurde fan stap 2 ôf, of stap 3 as de eksposysjetiid al ferrûn is.
Tucsen's Libra 3412M Mono sCMOS-kamerabrûkt wrâldwide slutertechnology, wêrtroch't bewegende samples dúdlik en fluch fêstlein wurde kinne.
Foar- en neidielen fan CMOS-sensoren
Foardielen
● Hegere snelhedenCMOS-sensoren binne typysk 1 oant 2 oarders fan grutte rapper yn gegevenstrochfier as CCD- of EMCCD-sensoren.
● Gruttere sensorenFluggere datatrochfier makket hegere pikseltellingen en gruttere sichtfjilden mooglik, oant tsientallen of hûnderten megapixels.
● Leech lûdGuon CMOS-sensoren kinne lêsrûs hawwe fan mar 0.25e-, wat konkurrearret mei EMCCD's sûnder dat ladingfermannichfâldiging nedich is dy't ekstra rûsboarnen tafoeget.
● Fleksibiliteit fan pikselgrutteKamerasensors foar konsuminten en smartphones ferminderje pikselgrutte nei it berik fan ~1 μm, en wittenskiplike kamera's oant 11 μm yn pikselgrutte binne gewoan, en oant 16 μm binne beskikber.
● Leger enerzjyferbrûkDe lege enerzjybehoeften fan CMOS-kamera's meitsje se geskikt foar gebrûk yn in breder ferskaat oan wittenskiplike en yndustriële tapassingen.
● Priis en libbensdoerLow-end CMOS-kamera's binne typysk fergelykber mei of goedkeaper as CCD-kamera's, en high-end CMOS-kamera's binne folle goedkeaper as EMCCD-kamera's. Harren ferwachte libbensdoer moat dy fan in EMCCD-kamera folle langer duorje.
Neidielen
● RolslutingDe mearderheid fan wittenskiplike CMOS-kamera's hawwe in rôljende sluter, dy't kompleksiteit tafoegje kin oan eksperimintele workflows of guon tapassingen útslute kin.
● Hegere tsjustere streamt: De measte CMOS-kamera's hawwe in folle hegere tsjusterstroom as CCD- en EMCCD-sensoren, wêrtroch't soms wichtige rûs ûntstiet by lange eksposysjes (> 1 sekonde).
Wêr't CMOS-sensoren hjoed de dei brûkt wurde
Troch har alsidichheid wurde CMOS-sensoren fûn yn in breed skala oan tapassingen:
● Konsuminte-elektroanikaSmartphones, webcams, DSLR's, aksjekamera's.
● LibbenswittenskippenCMOS-sensorkrêftmikroskopiekamera'sbrûkt yn fluoreszinsjeôfbylding en medyske diagnostyk.
● AstronomieTeleskopen en romteôfbyldingsapparaten brûke faak wittenskiplike CMOS (sCMOS) foar hege resolúsje en lege rûs.
● Yndustriële ynspeksjeAutomatisearre optyske ynspeksje (AOI), robotika, enkamera's foar ynspeksje fan healgeleidersfertrouwe op CMOS-sensoren foar snelheid en krektens.
● AutomotiveAvansearre bestjoerdersassistinsjesystemen (ADAS), efterútsjoch- en parkearkamera's.
● Tafersjoch en feiligensSystemen foar leech ljocht en bewegingsdeteksje.
Harren snelheid en kosten-effisjinsje meitsje CMOS de go-to-oplossing foar sawol kommersjeel gebrûk mei hege folume as spesjalisearre wittenskiplik wurk.
Wêrom CMOS no de moderne standert is
De ferskowing fan CCD nei CMOS barde net fan de iene op de oare dei, mar it wie ûnûntkomber. Hjir is wêrom't CMOS no de hoekstien fan 'e ôfbyldingsyndustry is:
● ProduksjefoardielBoud op standert healgeleiderfabrikaazjelinen, wêrtroch kosten wurde fermindere en de skalberberens ferbettere wurdt.
● Prestaasjewinsten: Rôljende en globale sluteropsjes, ferbettere gefoelichheid foar leech ljocht en hegere frameraten.
● Yntegraasje en yntelliginsjeCMOS-sensoren stypje no on-chip AI-ferwurking, edge computing en real-time analyse.
● YnnovaasjeOpkommende sensortypen lykas stapelde CMOS, kwanta-ôfbyldingssensors en bûgde sensoren binne boud op CMOS-platfoarms.
Fan smartphones oantwittenskiplike kamera's, CMOS hat bewiisd oanpasber, krêftich en takomstklear te wêzen.
Konklúzje
CMOS-sensoren binne evoluearre ta de moderne standert foar de measte ôfbyldingstapassingen, tanksij har lykwicht tusken prestaasjes, effisjinsje en kosten. Oft it no giet om it fêstlizzen fan deistige oantinkens of it útfieren fan hege-snelheid wittenskiplike analyze, CMOS-technology biedt de basis foar de fisuele wrâld fan hjoed.
Omdat ynnovaasjes lykas global shutter CMOS en sCMOS de mooglikheden fan 'e technology bliuwe útwreidzjen, sil de dominânsje dêrfan de kommende jierren oanhâlde.
FAQ's
Wat is it ferskil tusken in rôljende sluter en in globale sluter?
In rôljende sluter lêst ôfbyldingsgegevens rigel foar rigel út, wat bewegingsartefakten (bygelyks skew of wobble) feroarsaakje kin by it fêstlizzen fan fluch bewegende ûnderwerpen.
In globale sluter fangt it hiele frame tagelyk, wêrtroch ferfoarming troch beweging eliminearre wurdt. It is ideaal foar hege-snelheid ôfbyldingstapassingen lykas masinefisy en wittenskiplike eksperiminten.
Wat is Rolling Shutter CMOS Overlap Mode?
Foar rolling shutter CMOS-kamera's kin yn oerlaapmodus de bleatstelling fan it folgjende frame begjinne foardat it hjoeddeiske frame folslein foltôge is, wêrtroch hegere frameraten mooglik binne. Dit is mooglik om't de bleatstelling en útlêzing fan elke rige yn 'e tiid ferspraat binne.
Dizze modus is nuttich yn tapassingen dêr't maksimale framesnelheid en trochfier kritysk binne, lykas by hege-snelheidsynspeksje of real-time tracking. It kin lykwols de kompleksiteit fan timing en syngronisaasje wat ferheegje.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Alle rjochten foarbehâlden. By it sitearjen, neam asjebleaft de boarne:www.tucsen.com
