25/08/05Desde os teléfonos intelixentes ata os instrumentos científicos, os sensores de imaxe están no corazón da tecnoloxía visual actual. Entre eles, os sensores CMOS convertéronse na forza dominante, impulsando todo, desde fotos cotiás ata microscopía avanzada e inspección de semicondutores.
A tecnoloxía de "semicondutores de óxido metálico complementarios" (CMOS) é unha arquitectura electrónica e un conxunto de tecnoloxías de procesos de fabricación cuxas aplicacións son incriblemente amplas. De feito, podería dicirse que a tecnoloxía CMOS sustenta a era dixital moderna.
Que é un sensor CMOS?
Os sensores de imaxe CMOS (CIS) empregan píxeles activos, o que significa que se empregan tres ou máis transistores en cada píxel da cámara. Os píxeles CCD e EMCCD non conteñen transistores.
Os transistores de cada píxel permiten controlar estes píxeles "activos", amplificar os sinais mediante transistores de "efecto de campo" e acceder aos seus datos, todo en paralelo. En lugar dunha única ruta de lectura para un sensor completo ou unha fracción significativa dun sensor, uncámara CMOSinclúe polo menos unha fila completa de ADC de lectura, un (ou máis) ADC para cada columna do sensor. Cada un destes pode ler o valor da súa columna simultaneamente. Ademais, estes sensores de "píxel activo" son compatibles coa lóxica dixital CMOS, o que aumenta a funcionalidade potencial do sensor.
Xuntas, estas calidades confírenlles aos sensores CMOS a súa velocidade. Con todo, grazas a este aumento do paralelismo, os ADC individuais poden tardar máis en medir os sinais detectados con maior precisión. Estes tempos de conversión máis longos permiten un funcionamento con moi pouco ruído, mesmo para un maior número de píxeles. Grazas a isto e a outras innovacións, o ruído de lectura dos sensores CMOS tende a ser ata 5 ou 10 veces menor que o dos CCD.
As cámaras CMOS científicas modernas (sCMOS) son un subtipo especializado de CMOS deseñado para obter imaxes de baixo ruído e alta velocidade en aplicacións de investigación.
Como funcionan os sensores CMOS? (Incluíndo o obturador rodante fronte ao obturador global)
O funcionamento dun sensor CMOS típico móstrase na figura e descríbese a continuación. Teña en conta que, como resultado das diferenzas operativas seguintes, o tempo e o funcionamento da exposición serán diferentes para as cámaras CMOS de obturador global fronte ás de obturador rodante.
Figura: Proceso de lectura para o sensor CMOS
NOTAO proceso de lectura para as cámaras CMOS difire entre as cámaras de "obturador rodante" e as de "obturador global", como se explica no texto. En ambos os casos, cada píxel contén un condensador e un amplificador que producen unha tensión baseada na conta de fotoelectróns detectados. Para cada fila, as tensións para cada columna mídense simultaneamente mediante conversores analóxico-dixitais de columna.
Obturador rodante
1. Para un sensor CMOS de obturador rodante, comezando pola fila superior (ou polo centro para cámaras con sensor dividido), elimine a carga da fila para comezar a exposición desa fila.
2. Unha vez transcorrido o "tempo de liña" (normalmente de 5 a 20 μs), pase á seguinte fila e repita desde o paso 1 ata que todo o sensor estea exposto.
3. Para cada fila, as cargas acumúlanse durante a exposición, ata que esa fila remate o seu tempo de exposición. A primeira fila en comezar rematará primeiro.
4. Unha vez rematada a exposición para unha fila, transfira as cargas ao condensador de lectura e ao amplificador.
5. A voltaxe en cada amplificador desa fila conéctase entón ao ADC de columna e o sinal mídese para cada píxel da fila.
6. A operación de lectura e reinicio tardará o "tempo de liña" en completarse, tras o cal a seguinte fila para iniciar a exposición alcanzará o final do seu tempo de exposición e o proceso repetirase desde o paso 4.
7. En canto se complete a lectura da fila superior, sempre que a fila inferior comece a expoñer o fotograma actual, a fila superior pode comezar a exposición do seguinte fotograma (modo de superposición). Se o tempo de exposición é máis curto que o tempo do fotograma, a fila superior debe esperar a que a fila inferior comece a exposición. A exposición máis curta posible adoita ser unha liña de tempo.
Cámara CMOS refrigerada FL 26BW de Tucsen, que incorpora o sensor Sony IMX533, emprega esta tecnoloxía de obturador rodante.
Obturador global
1. Para comezar a adquisición, a carga elimínase simultaneamente de todo o sensor (reinicio global do pozo de píxeles).
2. A carga acumúlase durante a exposición.
3. Ao final da exposición, as cargas recollidas móvense a un pozo enmascarado dentro de cada píxel, onde poden esperar a lectura sen que se conten os novos fotóns detectados. Algunhas cámaras moven as cargas ao condensador de píxeles nesta fase.
4. Coas cargas detectadas almacenadas na área enmascarada de cada píxel, a área activa do píxel pode comezar a exposición do seguinte fotograma (modo de superposición).
5. O proceso de lectura desde a área enmascarada prodúcese como para os sensores de obturador rodante: unha fila á vez, desde a parte superior do sensor, as cargas transfírense desde o pozo enmascarado ao condensador de lectura e ao amplificador.
6. A tensión en cada amplificador desa fila conéctase ao ADC de columna e o sinal mídese para cada píxel da fila.
7. A operación de lectura e reinicio tardará o "tempo de liña" en completarse, tras o cal o proceso repetirase para a seguinte fila do paso 5.
8. Unha vez lidas todas as filas, a cámara está lista para ler o seguinte fotograma e o proceso pódese repetir desde o paso 2 ou desde o paso 3 se xa transcorreu o tempo de exposición.
Cámara sCMOS mono Libra 3412M de Tucsenutiliza tecnoloxía de obturador global, que permite unha captura clara e rápida de mostras en movemento.
Vantaxes e desvantaxes dos sensores CMOS
Vantaxes
● Velocidades máis altasOs sensores CMOS adoitan ter un rendemento de datos de 1 a 2 ordes de magnitude máis rápido que os sensores CCD ou EMCCD.
● Sensores máis grandesUn rendemento de datos máis rápido permite un maior número de píxeles e campos de visión máis amplos, de ata decenas ou centos de megapíxeles.
● Baixo nivel de ruídoAlgúns sensores CMOS poden ter un ruído de lectura tan baixo como 0,25e-, rivalizando cos EMCCD sen necesidade de multiplicación de carga que engada fontes de ruído adicionais.
● Flexibilidade do tamaño dos píxelesOs sensores das cámaras de teléfonos intelixentes e de consumo reducen os tamaños dos píxeles ata o rango de ~1 μm, e son habituais as cámaras científicas de ata 11 μm de tamaño de píxel, e hai ata 16 μm dispoñibles.
● Menor consumo de enerxíaOs baixos requisitos de enerxía das cámaras CMOS permítenlles o seu uso nunha maior variedade de aplicacións científicas e industriais.
● Prezo e duraciónAs cámaras CMOS de gama baixa adoitan ser similares ou de menor custo ás cámaras CCD, e as cámaras CMOS de gama alta son moito máis baratas que as cámaras EMCCD. A súa vida útil prevista debería superar amplamente a dunha cámara EMCCD.
Contras
● Obturador enrollableA maioría das cámaras CMOS científicas teñen un obturador rodante, o que pode engadir complexidade aos fluxos de traballo experimentais ou descartar algunhas aplicacións.
● Moeda escura máis altat: A maioría das cámaras CMOS teñen unha corrente de escuridade moito maior que os sensores CCD e EMCCD, o que ás veces introduce ruído significativo en exposicións longas (> 1 segundo).
Onde se usan hoxe os sensores CMOS
Grazas á súa versatilidade, os sensores CMOS atópanse nunha ampla gama de aplicacións:
● Electrónica de consumoTeléfonos intelixentes, cámaras web, cámaras réflex dixitais, cámaras de acción.
● Ciencias da vidaPotencia dos sensores CMOScámaras de microscopíaempregado en imaxes de fluorescencia e diagnóstico médico.
● AstronomíaOs telescopios e os dispositivos de imaxe espacial adoitan empregar CMOS científico (sCMOS) para obter alta resolución e baixo ruído.
● Inspección industrialInspección óptica automatizada (AOI), robótica ecámaras para a inspección de semicondutoresdependen de sensores CMOS para obter velocidade e precisión.
● AutomociónSistemas avanzados de asistencia á condución (ADAS), cámaras de visión traseira e de aparcamento.
● Vixilancia e seguridadeSistemas de detección de movemento e pouca luz.
A súa velocidade e rendibilidade converten o CMOS na solución ideal tanto para o uso comercial de alto volume como para o traballo científico especializado.
Por que o CMOS é agora o estándar moderno
O cambio de CCD a CMOS non se produciu da noite para a mañá, pero era inevitable. Velaquí por que o CMOS é agora a pedra angular da industria da imaxe:
● Vantaxe de fabricaciónConstruído sobre liñas estándar de fabricación de semicondutores, o que reduce custos e mellora a escalabilidade.
● Melloras de rendementoOpcións de obturador global e rodante, sensibilidade mellorada con pouca luz e taxas de fotogramas máis altas.
● Integración e intelixenciaOs sensores CMOS agora admiten o procesamento de IA no chip, a computación perimetral e a análise en tempo real.
● InnovaciónOs tipos de sensores emerxentes como os CMOS apilados, os sensores de imaxe cuántica e os sensores curvos están construídos sobre plataformas CMOS.
Desde teléfonos intelixentes atacámaras científicas, O CMOS demostrou ser adaptable, potente e preparado para o futuro.
Conclusión
Os sensores CMOS evolucionaron ata converterse no estándar moderno para a maioría das aplicacións de imaxe, grazas ao seu equilibrio entre rendemento, eficiencia e custo. Tanto se se trata de capturar recordos cotiáns como de realizar análises científicas a alta velocidade, a tecnoloxía CMOS proporciona a base do mundo visual actual.
A medida que innovacións como o CMOS de obturador global e o sCMOS continúan a ampliar as capacidades da tecnoloxía, espérase que o seu dominio continúe nos próximos anos.
Preguntas frecuentes
Cal é a diferenza entre un obturador rodante e un obturador global?
Un obturador rodante lee os datos da imaxe liña por liña, o que pode causar artefactos de movemento (por exemplo, desviación ou oscilación) ao capturar suxeitos en movemento rápido.
Un obturador global captura todo o fotograma simultaneamente, eliminando a distorsión do movemento. É ideal para aplicacións de imaxe de alta velocidade como a visión artificial e os experimentos científicos.
Que é o modo de superposición CMOS de obturador rodante?
Para as cámaras CMOS con obturador rodante, no modo de superposición, a exposición do seguinte fotograma pode comezar antes de que o actual se complete, o que permite taxas de fotogramas máis altas. Isto é posible porque a exposición e a lectura de cada fila están escalonadas no tempo.
Este modo é útil en aplicacións onde a taxa de fotogramas máxima e o rendemento son críticos, como na inspección de alta velocidade ou no seguimento en tempo real. Non obstante, pode aumentar lixeiramente a complexidade da temporización e a sincronización.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Todos os dereitos reservados. Ao citar, indique a fonte:www.tucsen.com
