25.08.2005.Od pametnih telefona do znanstvenih instrumenata, senzori slike su srž današnje vizualne tehnologije. Među njima, CMOS senzori su postali dominantna snaga, pokrećući sve, od svakodnevnih fotografija do napredne mikroskopije i inspekcije poluvodiča.
'Komplementarna metal-oksid-poluvodička' (CMOS) tehnologija je elektronička arhitektura i skup tehnologija proizvodnih procesa čija je primjena nevjerojatno široka. Doista, moglo bi se reći da CMOS tehnologija podupire moderno digitalno doba.
Što je CMOS senzor?
CMOS senzori slike (CIS) koriste aktivne piksele, što znači korištenje tri ili više tranzistora u svakom pikselu kamere. CCD i EMCCD pikseli ne sadrže tranzistore.
Tranzistori u svakom pikselu omogućuju paralelno upravljanje tim 'aktivnim' pikselima, pojačavanje signala putem tranzistora s 'efektom polja' i pristup njihovim podacima. Umjesto jednog puta očitavanja za cijeli senzor ili značajan dio senzora,CMOS kamerauključuje barem jedan cijeli red ADC-ova za očitavanje, jedan (ili više) ADC-ova za svaki stupac senzora. Svaki od njih može istovremeno očitavati vrijednost svog stupca. Nadalje, ovi senzori s 'aktivnim pikselima' kompatibilni su s CMOS digitalnom logikom, što povećava potencijalnu funkcionalnost senzora.
Zajedno, ove kvalitete daju CMOS senzorima njihovu brzinu. Ipak, zahvaljujući ovom povećanju paralelizma, pojedinačni ADC-ovi mogu dulje mjeriti svoje detektirane signale s većom točnošću. Ova dulja vremena pretvorbe omogućuju rad s vrlo niskim šumom, čak i za veći broj piksela. Zahvaljujući tome i drugim inovacijama, šum očitavanja CMOS senzora obično je čak 5x - 10x niži od šuma CCD-ova.
Moderne znanstvene CMOS (sCMOS) kamere su specijalizirani podtip CMOS-a dizajniran za snimanje s niskim šumom i velikom brzinom u istraživačkim primjenama.
Kako rade CMOS senzori? (Uključujući Rolling Shutter i Global Shutter)
Rad tipičnog CMOS senzora prikazan je na slici i opisan u nastavku. Imajte na umu da će se, zbog dolje navedenih operativnih razlika, vrijeme i rad ekspozicije razlikovati za CMOS kamere s globalnim i rolling shutterom.
Slika: Postupak očitavanja za CMOS senzor
BILJEŠKAPostupak očitavanja za CMOS kamere razlikuje se između kamera s 'rolling shutter' i 'global shutter' tehnologijom, kao što je objašnjeno u tekstu. U oba slučaja, svaki piksel sadrži kondenzator i pojačalo koji proizvode napon na temelju detektiranog broja fotoelektrona. Za svaki redak, naponi za svaki stupac mjere se istovremeno pomoću analogno-digitalnih pretvarača stupaca.
Rolo zatvarač
1. Za CMOS senzor s rolling shutterom, počevši od gornjeg reda (ili središta za kamere s podijeljenim senzorom), uklonite naboj iz reda kako biste započeli ekspoziciju tog reda.
2. Nakon što istekne 'vrijeme linije' (obično 5-20 μs), prijeđite na sljedeći red i ponovite postupak od koraka 1 dok se cijeli senzor ne osvijetli.
3. Za svaki red, naboji se akumuliraju tijekom ekspozicije, sve dok taj red ne završi svoje vrijeme ekspozicije. Prvi red koji započne završit će prvi.
4. Nakon što je ekspozicija za jedan red završena, prenesite naboje na očitavajući kondenzator i pojačalo.
5. Napon u svakom pojačalu u tom retku zatim se spaja na ADC stupca, a signal se mjeri za svaki piksel u retku.
6. Postupak očitavanja i resetiranja trajat će 'vrijeme linije', nakon čega će sljedeći red za početak ekspozicije dosegnuti kraj svog vremena ekspozicije, a postupak će se ponoviti od koraka 4.
7. Čim je očitavanje gornjeg reda završeno, pod uvjetom da je donji red započeo ekspoziciju trenutnog kadra, gornji red može započeti ekspoziciju sljedećeg kadra (način preklapanja). Ako je vrijeme ekspozicije kraće od vremena kadra, gornji red mora pričekati da donji red započne ekspoziciju. Najkraća moguća ekspozicija obično je vrijeme jednog retka.
Tucsenova FL 26BW hlađena CMOS kamera, sa Sonyjevim senzorom IMX533, koristi ovu tehnologiju rolling shuttera.
Globalni zatvarač
1. Za početak akvizicije, naboj se istovremeno briše s cijelog senzora (globalno resetiranje pikselne jame).
2. Naboj se akumulira tijekom izlaganja.
3. Na kraju ekspozicije, prikupljeni naboji se premještaju u maskirani bunar unutar svakog piksela, gdje mogu čekati očitavanje bez brojanja novo detektiranih fotona. Neke kamere u ovoj fazi premještaju naboje u pikselni kondenzator.
4. S detektiranim nabojima pohranjenim u maskiranom području svakog piksela, aktivno područje piksela može započeti ekspoziciju sljedećeg kadra (način preklapanja).
5. Proces očitavanja iz maskiranog područja odvija se kao i kod senzora rolo zatvarača: Red po red, s vrha senzora, naboji se prenose iz maskiranog bušotine na kondenzator za očitavanje i pojačalo.
6. Napon u svakom pojačalu u tom retku spojen je na ADC stupca, a signal se mjeri za svaki piksel u retku.
7. Operacija očitavanja i resetiranja trajat će 'vrijeme linije', nakon čega će se postupak ponoviti za sljedeći redak od koraka 5.
8. Nakon što su pročitani svi retci, kamera je spremna za čitanje sljedećeg kadra, a postupak se može ponoviti od koraka 2 ili koraka 3 ako je vrijeme ekspozicije već isteklo.
Tucsenova Libra 3412M mono sCMOS kamerakoristi tehnologiju globalnog zatvarača, omogućujući jasno i brzo snimanje uzoraka u pokretu.
Prednosti i nedostaci CMOS senzora
Prednosti
● Veće brzineCMOS senzori su obično 1 do 2 reda veličine brži u protoku podataka od CCD ili EMCCD senzora.
● Veći senzoriBrži protok podataka omogućuje veći broj piksela i veća vidna polja, do desetaka ili stotina megapiksela.
● Niska razina bukeNeki CMOS senzori mogu imati šum očitavanja nizak i do 0,25e-, što je konkurentno EMCCD senzorima bez potrebe za množenjem naboja koje dodaje dodatne izvore šuma.
● Fleksibilnost veličine pikselaSenzori kamera potrošača i pametnih telefona smanjuju veličinu piksela na otprilike 1 μm, a znanstvene kamere s veličinom piksela do 11 μm su uobičajene, a dostupne su i do 16 μm.
● Manja potrošnja energijeNiske energetske potrebe CMOS kamera omogućuju im korištenje u širem rasponu znanstvenih i industrijskih primjena.
● Cijena i vijek trajanjaCMOS kamere niže klase obično su slične ili jeftinije od CCD kamera, a CMOS kamere više klase su puno jeftinije od EMCCD kamera. Njihov očekivani vijek trajanja trebao bi znatno premašiti vijek trajanja EMCCD kamere.
Nedostaci
● Rolo zatvaračVećina znanstvenih CMOS kamera ima rotirajući zatvarač, što može dodati složenost eksperimentalnim tijekovima rada ili isključiti neke primjene.
● Viša tamna strujat: Većina CMOS kamera ima puno veću tamnu struju od CCD i EMCCD senzora, što ponekad uzrokuje značajan šum pri dugim ekspozicijama (> 1 sekunda).
Gdje se CMOS senzori danas koriste
Zahvaljujući svojoj svestranosti, CMOS senzori se nalaze u širokom rasponu primjena:
● Potrošačka elektronikaPametni telefoni, web kamere, DSLR fotoaparati, akcijske kamere.
● Znanosti o životuNapajanje CMOS senzoramikroskopske kamerekoristi se u fluorescentnom snimanju i medicinskoj dijagnostici.
● AstronomijaTeleskopi i uređaji za snimanje svemira često koriste znanstveni CMOS (sCMOS) za visoku rezoluciju i nisku razinu šuma.
● Industrijska inspekcijaAutomatizirana optička inspekcija (AOI), robotika ikamere za inspekciju poluvodičaoslanjaju se na CMOS senzore za brzinu i točnost.
● Automobilska industrijaNapredni sustavi pomoći vozaču (ADAS), kamere za vožnju unatrag i parkiranje.
● Nadzor i sigurnostSustavi za detekciju slabog osvjetljenja i pokreta.
Njihova brzina i isplativost čine CMOS idealnim rješenjem i za komercijalnu upotrebu velikih količina i za specijalizirani znanstveni rad.
Zašto je CMOS sada moderni standard
Prelazak s CCD-a na CMOS nije se dogodio preko noći, ali je bio neizbježan. Evo zašto je CMOS sada temelj industrije obrade slike:
● Prednost u proizvodnjiIzgrađeno na standardnim linijama za proizvodnju poluvodiča, smanjujući troškove i poboljšavajući skalabilnost.
● Poboljšanja performansiOpcije za pomicanje i globalni zatvarač, poboljšana osjetljivost pri slabom osvjetljenju i veća brzina kadrova.
● Integracija i inteligencijaCMOS senzori sada podržavaju AI obradu na čipu, rubno računanje i analizu u stvarnom vremenu.
● InovacijaNove vrste senzora poput složenih CMOS senzora, kvantnih slikovnih senzora i zakrivljenih senzora izgrađene su na CMOS platformama.
Od pametnih telefona doznanstvene kamereCMOS se pokazao prilagodljivim, moćnim i spremnim za budućnost.
Zaključak
CMOS senzori su se razvili u moderni standard za većinu aplikacija za snimanje slika, zahvaljujući svojoj ravnoteži performansi, učinkovitosti i cijene. Bilo da se radi o snimanju svakodnevnih uspomena ili provođenju brze znanstvene analize, CMOS tehnologija pruža temelj današnjeg vizualnog svijeta.
Kako inovacije poput CMOS-a s globalnim zatvaračem i sCMOS-a nastavljaju širiti mogućnosti tehnologije, njezina dominacija će se nastaviti u godinama koje dolaze.
Često postavljana pitanja
Koja je razlika između rolo zatvarača i globalnog zatvarača?
Rolling shutter očitava podatke o slici redak po redak, što može uzrokovati artefakte kretanja (npr. nakrivljenost ili podrhtavanje) prilikom snimanja brzo pokretnih subjekata.
Globalni zatvarač istovremeno snima cijeli kadar, uklanjajući izobličenja uzrokovana kretanjem. Idealan je za brze aplikacije snimanja poput strojnog vida i znanstvenih eksperimenata.
Što je način rada CMOS preklapanja s rotirajućim zatvaračem?
Kod CMOS kamera s rolling shutter tehnologijom, u načinu preklapanja, ekspozicija sljedećeg kadra može započeti prije nego što se trenutni u potpunosti završi, što omogućuje veće brzine kadrova. To je moguće jer su ekspozicija i očitavanje svakog reda vremenski raspoređeni.
Ovaj način rada je koristan u primjenama gdje su maksimalna brzina sličica u sekundi i propusnost ključni, kao što je kod brzog pregleda ili praćenja u stvarnom vremenu. Međutim, može neznatno povećati složenost određivanja vremena i sinkronizacije.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Sva prava pridržana. Prilikom citiranja, molimo navedite izvor:www.tucsen.com
