Memahami Sensor CMOS: Standar modern untuk sebagian besar pencitraan |

Dari ponsel pintar hingga instrumen ilmiah, sensor gambar merupakan inti dari teknologi visual masa kini. Di antara semuanya, sensor CMOS telah menjadi kekuatan dominan, mendukung segala hal mulai dari foto sehari-hari hingga mikroskopi canggih dan inspeksi semikonduktor.

Teknologi 'Complementary Metal Oxide Semiconductor' (CMOS) adalah arsitektur elektronik dan serangkaian teknologi proses fabrikasi yang aplikasinya sangat luas. Bahkan, teknologi CMOS dapat dikatakan sebagai fondasi era digital modern.

Apa itu Sensor CMOS?

Sensor gambar CMOS (CIS) menggunakan piksel aktif, artinya penggunaan tiga transistor atau lebih pada setiap piksel kamera. Piksel CCD dan EMCCD tidak mengandung transistor.

Transistor di setiap piksel memungkinkan piksel 'aktif' ini dikontrol, sinyal diperkuat melalui transistor 'efek medan', dan datanya diakses, semuanya secara paralel. Sebagai pengganti jalur pembacaan tunggal untuk seluruh sensor atau sebagian besar sensor,Kamera CMOSmencakup setidaknya satu baris penuh ADC pembacaan, satu (atau lebih) ADC untuk setiap kolom sensor. Masing-masing dapat membaca nilai kolomnya secara bersamaan. Lebih lanjut, sensor 'piksel aktif' ini kompatibel dengan logika digital CMOS, sehingga meningkatkan potensi fungsionalitas sensor.

Bersama-sama, kualitas-kualitas ini memberikan kecepatan pada sensor CMOS. Namun, berkat peningkatan paralelisme ini, masing-masing ADC dapat mengukur sinyal yang terdeteksi dengan akurasi yang lebih tinggi dalam waktu yang lebih lama. Waktu konversi yang lebih lama ini memungkinkan pengoperasian dengan noise yang sangat rendah, bahkan untuk jumlah piksel yang lebih tinggi. Berkat hal ini, dan inovasi lainnya, noise pembacaan sensor CMOS cenderung 5x – 10x lebih rendah daripada CCD.

Kamera CMOS ilmiah modern (sCMOS) adalah subtipe khusus CMOS yang dirancang untuk pencitraan berkecepatan tinggi dan noise rendah dalam aplikasi penelitian.

Bagaimana Cara Kerja Sensor CMOS? (Termasuk Rolling vs. Global Shutter)

Pengoperasian sensor CMOS pada umumnya ditunjukkan pada gambar dan diuraikan di bawah ini. Perhatikan bahwa akibat perbedaan operasional di bawah ini, pengaturan waktu dan pengoperasian pencahayaan akan berbeda untuk kamera CMOS global dan rolling shutter.

Gambar: Proses pembacaan untuk sensor CMOS

CATATANProses pembacaan untuk kamera CMOS berbeda antara kamera 'rolling shutter' dan 'global shutter', sebagaimana dibahas dalam teks. Dalam kedua kasus tersebut, setiap piksel mengandung kapasitor dan penguat yang menghasilkan tegangan berdasarkan jumlah fotoelektron yang terdeteksi. Untuk setiap baris, tegangan untuk setiap kolom diukur secara simultan oleh konverter analog-ke-digital kolom.

Rolling Shutter

1. Untuk sensor CMOS rana bergulir, mulai dari baris paling atas (atau tengah untuk kamera sensor terbagi), kosongkan muatan dari baris tersebut untuk memulai pencahayaan baris tersebut.
2. Setelah 'waktu garis' berlalu (biasanya 5-20 μs), pindah ke baris berikutnya dan ulangi dari langkah 1, hingga seluruh sensor terekspos.
3. Untuk setiap baris, muatan terakumulasi selama waktu pencahayaan, hingga baris tersebut menyelesaikan waktu pencahayaannya. Baris pertama yang memulai akan selesai terlebih dahulu.
4. Setelah paparan selesai untuk satu baris, pindahkan muatan ke kapasitor pembacaan dan penguat.
5. Tegangan pada setiap penguat di baris tersebut kemudian dihubungkan ke ADC kolom, dan sinyal diukur untuk setiap piksel di baris tersebut.
6. Operasi pembacaan dan pengaturan ulang akan memakan waktu 'baris' untuk selesai, setelah itu baris berikutnya untuk memulai pemaparan akan mencapai akhir waktu pemaparannya, dan proses diulang dari langkah 4.
7. Segera setelah pembacaan untuk baris atas selesai, asalkan baris bawah telah mulai mengekspos frame saat ini, baris atas dapat memulai eksposur frame berikutnya (mode tumpang tindih). Jika waktu eksposur lebih pendek dari waktu frame, baris atas harus menunggu baris bawah memulai eksposur. Eksposur terpendek biasanya satu baris.

Kamera CMOS Berpendingin FL 26BW dari Tucsen, yang dilengkapi sensor Sony IMX533, menggunakan teknologi rana bergulir ini.

Rana Global

Sumber:Sensor Gambar CMOS Rana Global GMAX3412

1. Untuk memulai akuisisi, muatan dibersihkan secara bersamaan dari seluruh sensor (pengaturan ulang global sumur piksel).
2. Muatan terakumulasi selama pemaparan.
3. Di akhir paparan, muatan yang terkumpul dipindahkan ke sumur tersamar di dalam setiap piksel, tempat muatan tersebut dapat menunggu pembacaan tanpa menghitung foton baru yang terdeteksi. Beberapa kamera memindahkan muatan ke dalam kapasitor piksel pada tahap ini.
4. Dengan muatan terdeteksi yang tersimpan di area bertopeng setiap piksel, area aktif piksel dapat memulai pemaparan bingkai berikutnya (mode tumpang tindih).
5. Proses pembacaan dari area bertopeng berlangsung seperti pada sensor rana bergulir: Satu baris pada satu waktu, dari atas sensor, muatan ditransfer dari sumur bertopeng ke kapasitor dan penguat pembacaan.
6. Tegangan pada setiap penguat di baris tersebut dihubungkan ke ADC kolom, dan sinyal diukur untuk setiap piksel di baris tersebut.
7. Operasi pembacaan dan pengaturan ulang akan memakan 'waktu baris' untuk selesai, setelah itu proses akan berulang untuk baris berikutnya dari langkah 5.
8. Setelah semua baris terbaca, kamera siap membaca bingkai berikutnya, dan proses dapat diulang dari langkah 2, atau langkah 3 jika waktu pencahayaan telah berlalu.

Kamera Mono sCMOS Libra 3412M dari Tucsenmemanfaatkan teknologi rana global, yang memungkinkan penangkapan sampel bergerak secara jelas dan cepat.

Pro dan Kontra Sensor CMOS

Kelebihan

● Kecepatan lebih tinggi:Sensor CMOS umumnya 1 hingga 2 kali lipat lebih cepat dalam hal kecepatan data dibandingkan sensor CCD atau EMCCD.
● Sensor yang lebih besar: Throughput data yang lebih cepat memungkinkan jumlah piksel yang lebih tinggi dan bidang pandang yang lebih besar, hingga puluhan atau ratusan megapiksel.
● Kebisingan rendah:Beberapa sensor CMOS dapat memiliki gangguan pembacaan serendah 0,25e-, menyaingi EMCCD tanpa memerlukan penggandaan muatan yang menambahkan sumber gangguan tambahan.
● Fleksibilitas ukuran piksel:Sensor kamera konsumen dan telepon pintar menurunkan ukuran piksel hingga kisaran ~1 μm, dan kamera ilmiah hingga ukuran piksel 11 μm adalah hal yang umum, dan tersedia hingga 16 μm.
● Konsumsi daya lebih rendah:Kebutuhan daya rendah pada kamera CMOS memungkinkannya untuk digunakan dalam berbagai aplikasi ilmiah dan industri.
● Harga dan masa pakaiKamera CMOS kelas bawah biasanya memiliki harga yang serupa atau lebih rendah daripada kamera CCD, sementara kamera CMOS kelas atas jauh lebih murah daripada kamera EMCCD. Masa pakainya diperkirakan jauh lebih lama daripada kamera EMCCD.

Kontra

● Rana bergulir:Mayoritas kamera CMOS ilmiah memiliki rana bergulir, yang dapat menambah kompleksitas pada alur kerja eksperimental atau mengesampingkan beberapa aplikasi.
● Arus gelap yang lebih tinggit: Kebanyakan kamera CMOS memiliki arus gelap yang jauh lebih tinggi daripada sensor CCD dan EMCCD, terkadang menimbulkan noise signifikan pada pencahayaan lama (> 1 detik).

Di Mana Sensor CMOS Digunakan Saat Ini

Berkat fleksibilitasnya, sensor CMOS ditemukan dalam berbagai macam aplikasi:

● Elektronik Konsumen: Ponsel pintar, kamera web, DSLR, kamera aksi.
● Ilmu Hayati: Daya sensor CMOSkamera mikroskopdigunakan dalam pencitraan fluoresensi dan diagnostik medis.

● Astronomi:Teleskop dan perangkat pencitraan ruang angkasa sering menggunakan CMOS ilmiah (sCMOS) untuk resolusi tinggi dan noise rendah.
● Inspeksi Industri:Inspeksi optik otomatis (AOI), robotika, dankamera untuk inspeksi semikonduktormengandalkan sensor CMOS untuk kecepatan dan akurasi.

● Otomotif:Sistem Bantuan Pengemudi Canggih (ADAS), kamera pandangan belakang dan kamera parkir.
● Pengawasan & Keamanan: Sistem deteksi cahaya redup dan gerakan.

Kecepatan dan efisiensi biayanya menjadikan CMOS solusi tepat untuk penggunaan komersial bervolume tinggi dan pekerjaan ilmiah khusus.

Mengapa CMOS Sekarang Menjadi Standar Modern

Peralihan dari CCD ke CMOS tidak terjadi dalam semalam, tetapi tak terelakkan. Inilah mengapa CMOS kini menjadi landasan industri pencitraan:

● Keunggulan Manufaktur: Dibangun di atas jalur fabrikasi semikonduktor standar, mengurangi biaya dan meningkatkan skalabilitas.
● Peningkatan Kinerja: Opsi rana bergulir dan global, sensitivitas cahaya rendah yang ditingkatkan, dan kecepatan bingkai yang lebih tinggi.
● Integrasi & Kecerdasan:Sensor CMOS sekarang mendukung pemrosesan AI pada chip, komputasi tepi, dan analisis waktu nyata.
● Inovasi:Jenis sensor yang muncul seperti CMOS bertumpuk, sensor gambar kuanta, dan sensor melengkung dibangun di atas platform CMOS.

Dari smartphone hinggakamera ilmiahCMOS telah terbukti adaptif, bertenaga, dan siap menghadapi masa depan.

Kesimpulan

Sensor CMOS telah berkembang menjadi standar modern untuk sebagian besar aplikasi pencitraan, berkat keseimbangan antara performa, efisiensi, dan biaya. Baik untuk mengabadikan kenangan sehari-hari maupun melakukan analisis ilmiah berkecepatan tinggi, teknologi CMOS menyediakan fondasi bagi dunia visual masa kini.

Karena inovasi seperti global shutter CMOS dan sCMOS terus memperluas kemampuan teknologi, dominasinya akan terus berlanjut selama beberapa tahun mendatang.

Tanya Jawab Umum

Apa perbedaan antara rolling shutter dan global shutter?

Rana bergulir membaca data gambar baris demi baris, yang dapat menyebabkan artefak gerakan (misalnya, miring atau goyangan) saat menangkap subjek yang bergerak cepat.

Rana global menangkap seluruh frame secara bersamaan, menghilangkan distorsi akibat gerakan. Rana global ideal untuk aplikasi pencitraan kecepatan tinggi seperti visi mesin dan eksperimen ilmiah.

Apa itu Rolling Shutter CMOS Overlap Mode?

Untuk kamera CMOS rana gulung, dalam mode tumpang tindih, pencahayaan bingkai berikutnya dapat dimulai sebelum bingkai saat ini selesai sepenuhnya, sehingga memungkinkan laju bingkai yang lebih tinggi. Hal ini dimungkinkan karena pencahayaan dan pembacaan setiap baris diatur secara bertahap.

Mode ini berguna dalam aplikasi yang sangat membutuhkan frame rate dan throughput maksimum, seperti inspeksi kecepatan tinggi atau pelacakan waktu nyata. Namun, mode ini mungkin sedikit meningkatkan kompleksitas pengaturan waktu dan sinkronisasi.