CMOS սենսորների ըմբռնումը. ժամանակակից ստանդարտ պատկերման մեծ մասի համար |

Սմարթֆոններից մինչև գիտական գործիքներ, պատկերի սենսորները այսօրվա տեսողական տեխնոլոգիաների հիմքում են։ Դրանց մեջ CMOS սենսորները դարձել են գերիշխող ուժ՝ հզորացնելով ամեն ինչ՝ սկսած առօրյա լուսանկարներից մինչև առաջադեմ մանրադիտակ և կիսահաղորդչային ստուգում։

«Լրացուցիչ մետաղական օքսիդային կիսահաղորդչային» (CMOS) տեխնոլոգիան էլեկտրոնային ճարտարապետություն է և արտադրական գործընթացների տեխնոլոգիաների ամբողջություն, որոնց կիրառությունները աներևակայելիորեն լայն են։ Իրոք, կարելի է ասել, որ CMOS տեխնոլոգիան ժամանակակից թվային դարաշրջանի հիմքն է։

Ի՞նչ է CMOS սենսորը։

CMOS պատկերի սենսորները (CIS) օգտագործում են ակտիվ պիքսելներ, ինչը նշանակում է, որ տեսախցիկի յուրաքանչյուր պիքսելում օգտագործվում են երեք կամ ավելի տրանզիստորներ: CCD և EMCCD պիքսելները չեն պարունակում տրանզիստորներ:

Յուրաքանչյուր պիքսելի տրանզիստորները հնարավորություն են տալիս զուգահեռաբար կառավարել այս «ակտիվ» պիքսելները, ուժեղացնել ազդանշանները «դաշտային էֆեկտի» տրանզիստորների միջոցով և մուտք գործել դրանց տվյալներ: Ամբողջ սենսորի կամ սենսորի զգալի մասի համար մեկ ընթերցման ուղու փոխարեն,CMOS տեսախցիկներառում է կարդացող ADC-ների առնվազն մեկ ամբողջական շարք՝ մեկ (կամ ավելի) ADC՝ սենսորի յուրաքանչյուր սյան համար։ Դրանցից յուրաքանչյուրը կարող է միաժամանակ կարդալ իր սյան արժեքը։ Ավելին, այս «ակտիվ պիքսելային» սենսորները համատեղելի են CMOS թվային տրամաբանության հետ, ինչը մեծացնում է սենսորի պոտենցիալ ֆունկցիոնալությունը։

Այս հատկանիշները միասին CMOS սենսորներին հաղորդում են իրենց արագությունը։ Այնուամենայնիվ, զուգահեռության այս աճի շնորհիվ, առանձին ADC-ները կարող են ավելի երկար ժամանակ պահանջել իրենց հայտնաբերված ազդանշանները ավելի մեծ ճշգրտությամբ չափելու համար։ Այս ավելի երկար փոխակերպման ժամանակը թույլ է տալիս շատ ցածր աղմուկի աշխատանք, նույնիսկ ավելի մեծ պիքսելների քանակի դեպքում։ Դրա և այլ նորարարությունների շնորհիվ CMOS սենսորների ընթերցման աղմուկը հակված է մինչև 5-10 անգամ ցածր լինել CCD-ների ընթերցման աղմուկից։

Ժամանակակից գիտական CMOS (sCMOS) տեսախցիկները CMOS-ի մասնագիտացված ենթատեսակ են, որոնք նախատեսված են հետազոտական կիրառություններում ցածր աղմուկի և բարձր արագության պատկերման համար։

Ինչպե՞ս են աշխատում CMOS սենսորները (ներառյալ Rolling vs Global Shutter-ը)

CMOS սենսորի բնորոշ աշխատանքը ցույց է տրված նկարում և ուրվագծված է ստորև։ Նկատի ունեցեք, որ ստորև նշված գործառնական տարբերությունների արդյունքում էքսպոզիցիայի ժամանակը և գործողությունը կտարբերվեն գլոբալ և գլանաձև փակիչով CMOS տեսախցիկների համար։

Նկար՝ CMOS սենսորի ցուցմունքի գործընթացը

ՆՇՈՒՄCMOS տեսախցիկների ընթերցման գործընթացը տարբերվում է «գլորվող փակաղակի» և «գլոբալ փակաղակի» տեսախցիկների դեպքում, ինչպես քննարկվում է տեքստում: Երկու դեպքում էլ, յուրաքանչյուր պիքսել պարունակում է կոնդենսատոր և ուժեղացուցիչ, որոնք ստեղծում են լարում՝ հիմնվելով հայտնաբերված ֆոտոէլեկտրոնների քանակի վրա: Յուրաքանչյուր շարքի համար յուրաքանչյուր սյան լարումները չափվում են միաժամանակ սյան անալոգից թվային փոխարկիչներով:

Գլանաձև փակաղակ

1. Շրջանաձև փակաղակով CMOS սենսորի դեպքում, սկսած վերին շարքից (կամ կենտրոնից՝ բաժանված սենսորով տեսախցիկների համար), մաքրեք լիցքը շարքից՝ այդ շարքի էքսպոզիցիա սկսելու համար:
2. «Գծի ժամանակը» լրանալուց հետո (սովորաբար 5-20 մկվրկ), անցեք հաջորդ շարքին և կրկնեք 1-ին քայլից, մինչև ամբողջ սենսորը մերկանա։
3. Յուրաքանչյուր շարքի համար լիցքերը կուտակվում են էքսպոզիցիայի ընթացքում, մինչև այդ շարքը չավարտի իր էքսպոզիցիայի ժամանակը։ Առաջինը սկսվող շարքը կավարտվի առաջինը։
4. Երբ էքսպոզիցիան ավարտվի մեկ շարքով, լիցքերը փոխանցեք ցուցիչ կոնդենսատորին և ուժեղացուցիչին։
5. Այդ շարքի յուրաքանչյուր ուժեղացուցիչի լարումը այնուհետև միացվում է սյան ADC-ին, և ազդանշանը չափվում է շարքի յուրաքանչյուր պիքսելի համար։
6. Կարդալու և վերագործարկման գործողությունը կպահանջի «գծի ժամանակը»՝ ավարտելու համար, որից հետո էքսպոզիցիա սկսելու հաջորդ տողը կհասնի իր էքսպոզիցիայի ժամանակի ավարտին, և գործընթացը կկրկնվի 4-րդ քայլից։
7. Հենց որ վերին շարքի ցուցմունքն ավարտվի, եթե ներքևի շարքը սկսել է էքսպոզիցիա անել ընթացիկ կադրը, վերին շարքը կարող է սկսել հաջորդ կադրի էքսպոզիցիան (համընկնման ռեժիմ): Եթե էքսպոզիցիայի ժամանակը կարճ է կադրի ժամանակից, վերին շարքը պետք է սպասի, մինչև ներքևի շարքը սկսի էքսպոզիցիա անել: Հնարավոր ամենակարճ էքսպոզիցիան սովորաբար մեկ տողի տևողությունն է:

Թուսենի FL 26BW սառեցվող CMOS տեսախցիկ, որը ներառում է Sony IMX533 սենսորը, օգտագործում է այս գլանաձև փակաղակի տեխնոլոգիան։

Գլոբալ փակիչ

Աղբյուր:GMAX3412 գլոբալ փակիչի CMOS պատկերի սենսոր

1. Ստուգումը սկսելու համար ամբողջ սենսորից միաժամանակ մաքրվում է լիցքը (պիքսելային խոռոչի ընդհանուր վերագործարկում):
2. Լիցքը կուտակվում է ազդեցության ընթացքում։
3. Էքսպոզիցիայի ավարտին հավաքված լիցքերը տեղափոխվում են յուրաքանչյուր պիքսելի ներսում գտնվող դիմակավորված խոռոչ, որտեղ դրանք կարող են սպասել ընթերցմանը՝ առանց նոր հայտնաբերված ֆոտոնների հաշվարկի: Որոշ տեսախցիկներ այս փուլում լիցքերը տեղափոխում են պիքսելային կոնդենսատորի մեջ:
4. Յուրաքանչյուր պիքսելի դիմակավորված տարածքում պահված հայտնաբերված լիցքերը թույլ են տալիս սկսել հաջորդ կադրի էքսպոզիցիաները պիքսելի ակտիվ տարածքում (համընկնման ռեժիմ):
5. Դիմակավորված տարածքից տվյալների ցուցմունքի ստացման գործընթացը ընթանում է ինչպես գլանաձև փակաղակի սենսորների դեպքում. սենսորի վերևից մեկ շարքով լիցքերը փոխանցվում են դիմակավորված խոռոչից դեպի ցուցմունքի կոնդենսատորը և ուժեղացուցիչը:
6. Այդ շարքի յուրաքանչյուր ուժեղացուցիչի լարումը միացված է սյան ADC-ին, և ազդանշանը չափվում է շարքի յուրաքանչյուր պիքսելի համար։
7. Հաշվարկման և վերագործարկման գործողությունը կպահանջի «գծի ժամանակը», որից հետո գործընթացը կկրկնվի 5-րդ քայլից հաջորդ տողի համար։
8. Երբ բոլոր տողերը կարդացվեն, տեսախցիկը պատրաստ է կարդալ հաջորդ կադրը, և գործընթացը կարող է կրկնվել 2-րդ քայլից կամ 3-րդ քայլից, եթե էքսպոզիցիայի ժամանակն արդեն անցել է։

Tucsen-ի Libra 3412M մոնո sCMOS տեսախցիկօգտագործում է գլոբալ փակիչի տեխնոլոգիա, որը հնարավորություն է տալիս շարժվող նմուշների հստակ և արագ ֆիքսում։

CMOS սենսորների դրական և բացասական կողմերը

Առավելություններ

● Ավելի բարձր արագություններCMOS սենսորները սովորաբար 1-ից 2 կարգով ավելի արագ են տվյալների թողունակությամբ, քան CCD կամ EMCCD սենսորները։
● Ավելի մեծ սենսորներԱվելի արագ տվյալների փոխանցման թողունակությունը հնարավորություն է տալիս ստանալ ավելի մեծ պիքսելների քանակ և ավելի լայն տեսադաշտեր՝ մինչև տասնյակ կամ հարյուրավոր մեգապիքսելներ։
● Ցածր աղմուկՈրոշ CMOS սենսորներ կարող են ունենալ մինչև 0.25e- ցածր կարդացվող աղմուկ, ինչը մրցակցում է EMCCD-ների հետ՝ առանց լիցքի բազմապատկման անհրաժեշտության, որն ավելացնում է լրացուցիչ աղմուկի աղբյուրներ։
● Պիքսելների չափի ճկունությունՍպառողական և սմարթֆոնների տեսախցիկների սենսորները պիքսելների չափերը նվազեցնում են մինչև ~1 մկմ միջակայքը, իսկ տարածված են մինչև 11 մկմ պիքսելային չափի գիտական տեսախցիկներ, իսկ հասանելի են մինչև 16 մկմ։
● Ավելի ցածր էներգիայի սպառումCMOS տեսախցիկների ցածր էներգիայի պահանջները թույլ են տալիս դրանք օգտագործել գիտական և արդյունաբերական կիրառությունների ավելի լայն շրջանակում։
● Գին և ժամկետՑածրակարգ CMOS տեսախցիկները սովորաբար նման են կամ ավելի ցածր գնով են, քան CCD տեսախցիկները, իսկ բարձրակարգ CMOS տեսախցիկները շատ ավելի ցածր գնով են, քան EMCCD տեսախցիկները: Դրանց սպասվող ծառայության ժամկետը պետք է զգալիորեն գերազանցի EMCCD տեսախցիկի ծառայության ժամկետը:

Դեմ կողմերը

● Գլանաձև փակաղակԳիտական CMOS տեսախցիկների մեծ մասն ունի գլանաձև փակաղակ, որը կարող է բարդություն հաղորդել փորձարարական աշխատանքային հոսքերին կամ բացառել որոշ կիրառություններ։
● Ավելի բարձր մութ հոսանքt: CMOS տեսախցիկների մեծ մասն ունի շատ ավելի բարձր մութ հոսանք, քան CCD և EMCCD սենսորները, երբեմն զգալի աղմուկ առաջացնելով երկար էքսպոզիցիաների ժամանակ (> 1 վայրկյան):

Որտեղ են այսօր օգտագործվում CMOS սենսորները

Իրենց բազմակողմանիության շնորհիվ CMOS սենսորները հանդիպում են լայն կիրառություններում՝

● Սպառողական էլեկտրոնիկաՍմարթֆոններ, վեբ տեսախցիկներ, թվային ֆոտոխցիկներ, էքշն տեսախցիկներ։
● Կենսաբանական գիտություններCMOS սենսորների հզորությունմանրադիտակային տեսախցիկներօգտագործվում է ֆլուորեսցենտային պատկերման և բժշկական ախտորոշման մեջ։

● ԱստղագիտությունԱստղադիտակներն ու տիեզերական պատկերման սարքերը հաճախ օգտագործում են գիտական CMOS (sCMOS)՝ բարձր լուծաչափի և ցածր աղմուկի համար։
● Արդյունաբերական ստուգումԱվտոմատացված օպտիկական ստուգում (AOI), ռոբոտաշինություն ևկիսահաղորդչային ստուգման համար նախատեսված տեսախցիկներարագության և ճշգրտության համար ապավինել CMOS սենսորներին։

● ԱվտոմոբիլայինՎարորդի օժանդակ առաջադեմ համակարգեր (ADAS), հետևի տեսողության և կայանման տեսախցիկներ։
● Հսկողություն և անվտանգությունՑածր լուսավորության և շարժման հայտնաբերման համակարգեր։

Դրանց արագությունն ու ծախսարդյունավետությունը CMOS-ը դարձնում են լավագույն լուծումը ինչպես մեծ ծավալի առևտրային օգտագործման, այնպես էլ մասնագիտացված գիտական աշխատանքի համար։

Ինչու է CMOS-ը այժմ ժամանակակից ստանդարտը

CCD-ից CMOS-ի անցումը տեղի չունեցավ մեկ գիշերվա ընթացքում, բայց այն անխուսափելի էր: Ահա թե ինչու է CMOS-ը այժմ պատկերագրման արդյունաբերության անկյունաքարը.

● Արտադրական առավելությունԿառուցված է կիսահաղորդչային արտադրության ստանդարտ գծերի վրա, ինչը նվազեցնում է ծախսերը և բարելավում մասշտաբայնությունը։
● Արդյունավետության բարձրացումԳլանաձև և գլոբալ փակիչի տարբերակներ, բարելավված զգայունություն թույլ լույսի դեպքում և ավելի բարձր կադրերի հաճախականություն։
● Ինտեգրացիա և ինտելեկտCMOS սենսորներն այժմ աջակցում են չիպի վրա հիմնված արհեստական բանականությամբ մշակմանը, եզրային հաշվարկներին և իրական ժամանակի վերլուծությանը։
● ՆորարարությունCMOS հարթակների վրա կառուցված են ի հայտ եկող սենսորների տեսակները, ինչպիսիք են կուտակված CMOS-ը, քվանտա պատկերի սենսորները և կոր սենսորները։

Սմարթֆոններից մինչևգիտական տեսախցիկներ, CMOS-ը ապացուցել է իր հարմարվողականությունը, հզորությունը և ապագային պատրաստ լինելը։

Եզրակացություն

CMOS սենսորները զարգացել են և դարձել են ժամանակակից ստանդարտ պատկերագրման կիրառությունների մեծ մասի համար՝ շնորհիվ իրենց կատարողականի, արդյունավետության և արժեքի հավասարակշռության: Անկախ նրանից, թե դա առօրյա հիշողությունների ֆիքսում է, թե բարձր արագությամբ գիտական վերլուծություններ է իրականացնում, CMOS տեխնոլոգիան հիմք է հանդիսանում այսօրվա տեսողական աշխարհի համար:

Քանի որ գլոբալ փակիչի CMOS-ի և sCMOS-ի նման նորարարությունները շարունակում են ընդլայնել տեխնոլոգիայի հնարավորությունները, դրա գերիշխանությունը, ամենայն հավանականությամբ, կշարունակվի տարիներ շարունակ։

Հաճախակի տրվող հարցեր

Ի՞նչ տարբերություն կա գլանաձև փակաղակի և գլոբալ փակաղակի միջև։

Գլանվող փակաղակը տող առ տող կարդում է պատկերի տվյալները, ինչը կարող է առաջացնել շարժման արտեֆակտներ (օրինակ՝ թեքություն կամ տատանում) արագ շարժվող օբյեկտներ նկարահանելիս:

Գլոբալ փակաղակը միաժամանակ նկարահանում է ամբողջ կադրը՝ վերացնելով շարժումից առաջացող աղավաղումը: Այն իդեալական է բարձր արագությամբ պատկերման կիրառությունների համար, ինչպիսիք են մեքենայական տեսողությունը և գիտական փորձերը:

Ի՞նչ է գլանաձև փակաղակի CMOS համընկնման ռեժիմը:

Գլանաձև փակաղակով CMOS տեսախցիկների դեպքում, համընկնման ռեժիմում, հաջորդ կադրի էքսպոզիցիան կարող է սկսվել մինչև ընթացիկի լրիվ ավարտը, ինչը թույլ է տալիս ստանալ ավելի բարձր կադրերի հաճախականություն: Սա հնարավոր է, քանի որ յուրաքանչյուր շարքի էքսպոզիցիան և ցուցմունքները ժամանակի մեջ են:

Այս ռեժիմը օգտակար է այն կիրառություններում, որտեղ կադրերի առավելագույն հաճախականությունը և թողունակությունը կարևոր են, օրինակ՝ բարձր արագությամբ ստուգման կամ իրական ժամանակի հետևման դեպքում։ Այնուամենայնիվ, այն կարող է փոքր-ինչ մեծացնել ժամանակի և համաժամեցման բարդությունը։

Tucsen Photonics Co., Ltd. Բոլոր իրավունքները պաշտպանված են։ Մեջբերելիս խնդրում ենք նշել աղբյուրը։www.tucsen.com