2005.08.25.Az okostelefonoktól a tudományos eszközökig a képérzékelők a mai vizuális technológia középpontjában állnak. Ezek közül a CMOS érzékelők váltak a domináns erővé, amelyek mindent működtetnek a mindennapi fényképektől a fejlett mikroszkópiáig és a félvezető-vizsgálatig.
A „komplementer fém-oxid félvezető” (CMOS) technológia egy olyan elektronikus architektúra és gyártási folyamatok összessége, amelynek alkalmazásai hihetetlenül széleskörűek. Valójában elmondható, hogy a CMOS technológia a modern digitális kor alapját képezi.
Mi az a CMOS érzékelő?
A CMOS képérzékelők (CIS) aktív pixeleket használnak, ami azt jelenti, hogy a kamera minden pixelében legalább három tranzisztor található. A CCD és EMCCD pixelek nem tartalmaznak tranzisztorokat.
Az egyes pixelekben található tranzisztorok lehetővé teszik ezen „aktív” pixelek vezérlését, a jelek „térvezérlésű” tranzisztorokon keresztüli erősítését és az adataikhoz való hozzáférést, mindezt párhuzamosan. Egyetlen kiolvasási útvonal helyett egy teljes érzékelőhöz vagy annak jelentős részéhez egyCMOS kameralegalább egy teljes sor kiolvasó ADC-t tartalmaz, egy (vagy több) ADC-t az érzékelő minden oszlopához. Ezek mindegyike képes egyszerre olvasni az oszlopának értékét. Továbbá ezek az „aktív pixel” érzékelők kompatibilisek a CMOS digitális logikával, növelve az érzékelő funkcionalitásának lehetőségét.
Ezek a tulajdonságok együttesen adják a CMOS érzékelők sebességét. A párhuzamosság növekedésének köszönhetően azonban az egyes ADC-k hosszabb időt vesznek igénybe a detektált jelek pontosabb mérésére. Ezek a hosszabb konverziós idők nagyon alacsony zajszintű működést tesznek lehetővé, még nagyobb pixelszám esetén is. Ennek és más újításoknak köszönhetően a CMOS érzékelők olvasási zaja akár 5-10-szer alacsonyabb is lehet, mint a CCD-ké.
A modern tudományos CMOS (sCMOS) kamerák a CMOS speciális altípusai, amelyeket alacsony zajszintű és nagy sebességű képalkotásra terveztek kutatási alkalmazásokban.
Hogyan működnek a CMOS érzékelők? (Beleértve a gördülő és a globális zárat)
Egy tipikus CMOS-érzékelő működését az ábra mutatja és az alábbiakban vázoljuk fel. Vegye figyelembe, hogy az alábbi működési különbségek miatt az expozíció időzítése és működése eltérő lesz a globális és a gördülő záras CMOS kamerák esetében.
MEGJEGYZÉS: A CMOS kamerák kiolvasási folyamata eltér a „gördülő záras” és a „globális záras” kamerák között, amint azt a szövegben is tárgyaljuk. Mindkét esetben minden pixel tartalmaz egy kondenzátort és egy erősítőt, amelyek a detektált fotoelektronok száma alapján feszültséget állítanak elő. Minden sor esetében az összes oszlop feszültségét egyidejűleg mérik az oszlop analóg-digitális átalakítói.
Redőny
1. Rolling shutteres CMOS érzékelő esetén a felső sortól (vagy osztott szenzoros kamerák esetén középtől) kezdve, törölje a töltést a sorból az adott sor expozíciójának megkezdéséhez.
2. Miután letelt a „vonalidő” (jellemzően 5-20 μs), lépjen a következő sorra, és ismételje meg az 1. lépéstől kezdve, amíg a teljes érzékelő exponálásra nem kerül.
3. Minden sor esetében a töltések felhalmozódnak az expozíció során, amíg az adott sor be nem fejezi az expozíciós idejét. Az elsőként induló sor fejeződik be először.
4. Miután befejeződött egy sor expozíciója, vigye át a töltéseket a kiolvasó kondenzátorra és az erősítőre.
5. Az adott sorban lévő egyes erősítők feszültségét ezután az oszlop ADC-jéhez csatlakoztatják, és a sorban lévő minden pixel jelét megmérik.
6. A kiolvasási és visszaállítási művelet a „soridő” alatt fejeződik be, ezután a következő sor, amelyik megkezdi az expozíciót, eléri az expozíciós idejének végét, és a folyamat a 4. lépéstől megismétlődik.
7. Amint a felső sor kiolvasása befejeződött, feltéve, hogy az alsó sor elkezdte az aktuális képkocka expozícióját, a felső sor elkezdheti a következő képkocka expozícióját (átfedéses mód). Ha az expozíciós idő rövidebb, mint a képkockaidő, a felső sornak várnia kell az alsó sor expozíciójának megkezdésére. A lehető legrövidebb expozíció jellemzően egy soros idő.
Tucsen FL 26BW hűtött CMOS kamerája, amely a Sony IMX533 érzékelővel rendelkezik, ezt a gördülő zár technológiát használja.
Globális zár
1. Az adatgyűjtés megkezdéséhez a teljes érzékelőről egyidejűleg törlődik a töltés (a pixelüreg globális visszaállítása).
2. Expozíció közben töltés halmozódik fel.
3. Az expozíció végén az összegyűjtött töltéseket az egyes pixeleken belüli maszkolt kútba helyezik, ahol az új detektált fotonok számlálása nélkül várhatják a kiolvasást. Egyes kamerák ebben a szakaszban töltéseket juttatnak a pixelkondenzátorba.
4. Miután az egyes pixelek maszkolt területén tárolódnak a detektált töltések, a pixel aktív területén elkezdődhet a következő képkocka expozíciója (átfedéses mód).
5. A maszkolt területről történő kiolvasás folyamata a gördülő redőnyös érzékelőkhöz hasonlóan történik: Soronként, az érzékelő tetejétől kiindulva, a töltések a maszkolt kútból a kiolvasó kondenzátorba és az erősítőbe kerülnek.
6. Az adott sorban lévő egyes erősítők feszültségét az oszlop ADC-jéhez csatlakoztatjuk, és a sorban lévő minden pixel jelét megmérjük.
7. A kiolvasási és visszaállítási művelet a „soridő” alatt fejeződik be, majd a folyamat megismétlődik a következő sorral az 5. lépéstől kezdve.
8. Miután az összes sor beolvasása megtörtént, a kamera készen áll a következő képkocka beolvasására, és a folyamat megismételhető a 2. lépéstől, vagy a 3. lépéstől, ha az expozíciós idő már letelt.
Tucsen Libra 3412M Mono sCMOS kamerájaglobális zártechnológiát használ, amely lehetővé teszi a mozgó minták tiszta és gyors rögzítését.
A CMOS érzékelők előnyei és hátrányai
Előnyök
● Nagyobb sebességA CMOS érzékelők jellemzően 1-2 nagyságrenddel gyorsabbak az adatátvitelben, mint a CCD vagy EMCCD érzékelők.
● Nagyobb érzékelőkA gyorsabb adatátvitel nagyobb pixelszámot és nagyobb látómezőt tesz lehetővé, akár több tíz vagy több száz megapixelt is.
● Alacsony zajszintEgyes CMOS érzékelők akár 0,25e⁻ olvasási zajt is elérhetnek, ami vetekszik az EMCCD-kkel anélkül, hogy töltésszorzásra lenne szükség, ami további zajforrásokat adna hozzá.
● Pixelméret rugalmasságA fogyasztói és okostelefon-kamerák érzékelői a pixelméretet ~1 μm-es tartományba csökkentik, a tudományos kamerák pedig akár 11 μm-es pixelméretűek is gyakoriak, és akár 16 μm-es méret is elérhető.
● Alacsonyabb energiafogyasztásA CMOS kamerák alacsony energiaigénye lehetővé teszi számukra a tudományos és ipari alkalmazások szélesebb körében való felhasználásukat.
● Ár és élettartamAz alsó kategóriás CMOS kamerák ára jellemzően hasonló vagy alacsonyabb, mint a CCD kameráké, míg a felső kategóriás CMOS kamerák ára sokkal alacsonyabb, mint az EMCCD kameráké. Várható élettartamuk jelentősen meghaladja az EMCCD kamerákét.
Hátrányok
● RedőnyA tudományos CMOS kamerák többsége gördülő zárral rendelkezik, ami bonyolultabbá teheti a kísérleti munkafolyamatokat, vagy kizárhat bizonyos alkalmazásokat.
● Magasabb sötét current: A legtöbb CMOS kamera sokkal nagyobb sötétárammal rendelkezik, mint a CCD és EMCCD érzékelők, ami hosszú expozíciók (> 1 másodperc) esetén néha jelentős zajt okoz.
Hol használják ma a CMOS érzékelőket?
Sokoldalúságuknak köszönhetően a CMOS érzékelők számos alkalmazásban megtalálhatók:
● Szórakoztató elektronikaOkostelefonok, webkamerák, DSLR fényképezőgépek, akciókamerák.
● ÉlettudományokCMOS érzékelők teljesítményemikroszkópos kamerákFluoreszcens képalkotásban és orvosi diagnosztikában használják.
● CsillagászatA teleszkópok és az űrképalkotó eszközök gyakran használnak tudományos CMOS-t (sCMOS) a nagy felbontás és az alacsony zajszint érdekében.
● Ipari ellenőrzésAutomatizált optikai ellenőrzés (AOI), robotika éskamerák félvezetők vizsgálatáhozA CMOS érzékelőkre támaszkodhat a sebesség és a pontosság érdekében.
● AutóiparFejlett vezetéstámogató rendszerek (ADAS), tolatókamerák és parkolókamerák.
● Megfigyelés és biztonságGyenge fényviszonyok melletti és mozgásérzékelő rendszerek.
Sebességük és költséghatékonyságuk teszi a CMOS-t a legjobb megoldássá mind a nagy volumenű kereskedelmi felhasználáshoz, mind a speciális tudományos munkához.
Miért a CMOS ma a modern szabvány?
A CCD-ről a CMOS-ra való áttérés nem egyik napról a másikra történt, de elkerülhetetlen volt. Íme, miért a CMOS ma a képalkotó ipar sarokköve:
● Gyártási előnySzabványos félvezető gyártósorokon épül, ami csökkenti a költségeket és javítja a skálázhatóságot.
● TeljesítménynövekedésGördülő és globális zár opciók, továbbfejlesztett gyenge fényviszonyok közötti érzékenység és magasabb képkockasebesség.
● Integráció és intelligenciaA CMOS érzékelők mostantól támogatják a chipre integrált mesterséges intelligencia feldolgozást, a peremhálózati számítástechnikát és a valós idejű elemzést.
● InnovációAz olyan új érzékelőtípusok, mint a rétegzett CMOS, a kvantumképérzékelők és az ívelt érzékelők CMOS platformokra épülnek.
Az okostelefonoktól kezdvetudományos kamerákA CMOS alkalmazkodóképesnek, nagy teljesítményűnek és jövőbe mutatónak bizonyult.
Következtetés
A CMOS érzékelők a teljesítmény, a hatékonyság és a költség egyensúlyának köszönhetően a legtöbb képalkotási alkalmazás modern szabvánnyá váltak. Akár mindennapi emlékek megörökítéséről, akár nagy sebességű tudományos elemzések elvégzéséről van szó, a CMOS technológia a mai vizuális világ alapjait nyújtja.
Ahogy az olyan innovációk, mint a globális záras CMOS és az sCMOS, folyamatosan bővítik a technológia képességeit, dominanciája várhatóan az elkövetkező években is fennmarad.
GYIK
Mi a különbség a gördülő zár és a globális zár között?
A gördülő zár soronként olvassa ki a képadatokat, ami mozgáshibákat (pl. ferdülést vagy remegést) okozhat gyorsan mozgó témák fényképezésekor.
A globális zár a teljes képet egyszerre rögzíti, kiküszöbölve a mozgásból eredő torzítást. Ideális nagy sebességű képalkotási alkalmazásokhoz, például gépi látáshoz és tudományos kísérletekhez.
Mi a gördülő zár CMOS átfedési módja?
A gördülő záras CMOS kamerák esetében átfedéses módban a következő képkocka expozíciója már az aktuális teljes expozíciója előtt elkezdődhet, ami nagyobb képkockasebességet tesz lehetővé. Ez azért lehetséges, mert az egyes sorok expozíciója és kiolvasása időben eltolódik.
Ez a mód olyan alkalmazásokban hasznos, ahol a maximális képkockasebesség és átviteli sebesség kritikus fontosságú, például nagy sebességű ellenőrzés vagy valós idejű követés esetén. Azonban kissé növelheti az időzítés és a szinkronizálás összetettségét.
