Að skilja CMOS skynjara: Nútímastaðallinn fyrir flestar myndgreiningar |

Frá snjallsímum til vísindatækja eru myndskynjarar kjarninn í sjóntækni nútímans. Meðal þeirra eru CMOS-skynjarar orðnir ráðandi afl og knýja allt frá daglegum ljósmyndum til háþróaðrar smásjárskoðunar og hálfleiðaraskoðunar.

„Complementary Metal Oxide Semiconductor“ (CMOS) tækni er rafeindaarkitektúr og safn framleiðsluferla sem hefur ótrúlega fjölbreytt notkunarsvið. Reyndar má segja að CMOS tækni sé undirstaða nútíma stafrænnar öld.

Hvað er CMOS skynjari?

CMOS myndflögur (CIS) nota virka pixla, sem þýðir að þrír eða fleiri smárar eru notaðir í hverjum pixli myndavélarinnar. CCD og EMCCD pixlar innihalda ekki smára.

Smárarnir í hverjum pixli gera kleift að stjórna þessum „virku“ pixlum, magna merki í gegnum „sviðsáhrifa“ smára og nálgast gögn þeirra, allt samsíða. Í stað einnar lestrarleiðar fyrir allan skynjarann eða verulegan hluta af skynjaranum, aCMOS myndavélInniheldur að minnsta kosti eina heila röð af aflestrar-ADC, einn (eða fleiri) ADC fyrir hverja dálk skynjarans. Hver þessara getur lesið gildi dálks síns samtímis. Ennfremur eru þessir „virku pixla“ skynjarar samhæfðir stafrænni CMOS rökfræði, sem eykur mögulega virkni skynjarans.

Saman gefa þessir eiginleikar CMOS-skynjurum hraða sinn. Þökk sé þessari aukningu á samsíða mælingu geta einstakir ADC-ar tekið lengri tíma að mæla greind merki með meiri nákvæmni. Þessir lengri umbreytingartímar gera kleift að nota mjög lítið hávaða, jafnvel við hærri pixlafjölda. Þökk sé þessu, og öðrum nýjungum, er lestrarhávaði CMOS-skynjara yfirleitt allt að 5-10 sinnum lægri en hjá CCD-skynjurum.

Nútíma vísindalegar CMOS (sCMOS) myndavélar eru sérhæfð undirtegund CMOS sem er hönnuð fyrir lágt suð og háhraða myndgreiningu í rannsóknum.

Hvernig virka CMOS skynjarar? (Þar á meðal rúllandi vs. alþjóðlegur lokari)

Virkni dæmigerðs CMOS-skynjara er sýnd á myndinni og útskýrð hér að neðan. Athugið að vegna mismunarins á virkni hér að neðan mun tímasetning og virkni lýsingar á milli CMOS-myndavéla með alþjóðlegri lokara og CMOS-myndavéla með rúllandi lokara.

ATHUGIÐ: Lestrarferlið fyrir CMOS myndavélar er mismunandi eftir „rúllandi lokara“ og „alhliða lokara“ myndavélum, eins og rætt er um í textanum. Í báðum tilvikum inniheldur hver pixla þétti og magnara sem framleiða spennu byggða á fjölda ljósrafeinda sem greindist. Fyrir hverja röð eru spennurnar fyrir hvern dálk mældar samtímis með hliðrænum í stafrænum breytum.

Rúllandi gluggatjöld

1. Fyrir CMOS-skynjara með rúllandi lokara, byrjaðu í efstu röðinni (eða miðjunni fyrir myndavélar með split-sensor), hreinsaðu hleðsluna úr röðinni til að hefja lýsingu þeirrar raðar.
2. Eftir að „línutíminn“ er liðinn (venjulega 5-20 μs), farðu í næstu röð og endurtaktu frá skrefi 1, þar til allur skynjarinn er að birtast.
3. Fyrir hverja röð safnast hleðslur upp meðan á lýsingu stendur, þar til lýsingartími raðarinnar er liðinn. Fyrsta röðin sem byrjar endar fyrst.
4. Þegar útsetningu er lokið í röð skal flytja hleðslur í aflestrarþéttann og magnarann.
5. Spennan í hverjum magnara í þeirri röð er síðan tengd við dálkinn ADC og merkið mælt fyrir hvern pixil í röðinni.
6. Aflestur og endurstilling tekur „línutímann“ að ljúka, eftir það mun næsta röð sem byrjar lýsingu hafa náð lokum lýsingartíma síns og ferlið er endurtekið frá skrefi 4.
7. Um leið og útlestur er lokið fyrir efstu röðina, að því gefnu að neðsta röðin hafi byrjað að lýsa núverandi ramma, getur efsta röðin hafið lýsingu næsta ramma (skörunarstilling). Ef lýsingartíminn er styttri en rammatíminn verður efsta röðin að bíða eftir að neðsta röðin byrji lýsingu. Stysta mögulega lýsing er venjulega ein línutími.

FL 26BW kæld CMOS myndavél frá Tucsen, með Sony IMX533 skynjaranum, notar þessa rúllandi lokaratækni.

Alþjóðlegur lokari

1. Til að hefja öflunina er hleðslan hreinsuð samtímis úr öllum skynjaranum (alhliða endurstilling pixlabrunnsins).
2. Hleðsla safnast upp við útsetningu.
3. Í lok lýsingar eru safnaðar hleðslur færðar í grímukennt brunn innan hverrar pixlu þar sem þær geta beðið eftir lestri án þess að nýjar ljóseindir séu taldar. Sumar myndavélar færa hleðslur í pixlaþéttann á þessu stigi.
4. Þegar greind hleðslur hafa verið geymdar á grímuðu svæði hverrar pixils getur virka svæðið á pixlinum hafið lýsingu næsta ramma (skörunarstilling).
5. Aflestur frá grímuðu svæðinu fer fram eins og fyrir rúllandi lokaraskynjara: Ein röð í einu, frá efri hluta skynjarans, eru hleðslur fluttar frá grímuðu holunni til aflestrarþéttisins og magnarans.
6. Spennan í hverjum magnara í þeirri röð er tengd við dálkinn ADC og merkið mælt fyrir hvern pixil í röðinni.
7. Lestur og endurstilling tekur „línutímann“ að ljúka, en ferlið endurtekur sig síðan fyrir næstu röð frá skrefi 5.
8. Þegar allar raðir hafa verið lesnar er myndavélin tilbúin til að lesa næsta ramma og hægt er að endurtaka ferlið frá skrefi 2 eða skrefi 3 ef lýsingartíminn er þegar liðinn.

Tucsen Libra 3412M Mono sCMOS myndavélnotar alþjóðlega lokaratækni, sem gerir kleift að taka skýra og hraða mynd af hreyfanlegum sýnum.

Kostir og gallar CMOS skynjara

Kostir

● Hærri hraðarCMOS-skynjarar eru yfirleitt 1 til 2 stærðargráður hraðari í gagnaflutningi en CCD- eða EMCCD-skynjarar.
● Stærri skynjararHraðari gagnaflutningur gerir kleift að fá fleiri pixla og fá stærra sjónsvið, allt að tugi eða hundruð megapixla.
● Lítill hávaðiSumir CMOS skynjarar geta haft lestrarsuð allt niður í 0,25e-, sem keppir við EMCCD-skynjara án þess að þurfa hleðslumargföldun sem bætir við viðbótarsuðgjöfum.
● Sveigjanleiki pixlastærðarSkynjarar neytenda og snjallsímamyndavéla stýra pixlastærð niður í ~1 μm og vísindamyndavélar allt að 11 μm að pixlastærð eru algengar og allt að 16 μm í boði.
● Minni orkunotkunLág orkuþörf CMOS-myndavéla gerir þær kleift að nota í fjölbreyttari vísinda- og iðnaðartilgangi.
● Verð og líftímiÓdýrari CMOS myndavélar eru yfirleitt svipaðar eða ódýrari en CCD myndavélar, og dýrari CMOS myndavélar eru mun ódýrari en EMCCD myndavélar. Áætlaður endingartími þeirra ætti að vera mun lengri en endingartími EMCCD myndavélar.

Ókostir

● Rúllandi lokaraFlestar vísindalegar CMOS-myndavélar eru með rúllandi lokara, sem getur flækt tilraunavinnuflæði eða útilokað sumar notkunarmöguleika.
● Hærri dökkstraumurt: Flestar CMOS myndavélar hafa mun hærri dökkstraum en CCD og EMCCD skynjarar, sem stundum valda verulegu suði við langar lýsingartímar (> 1 sekúnda).

Hvar CMOS skynjarar eru notaðir í dag

Þökk sé fjölhæfni sinni eru CMOS skynjarar að finna í fjölbreyttum notkunarsviðum:

● NeytendatækniSnjallsímar, vefmyndavélar, spegilmyndavélar, hreyfimyndavélar.
● LífvísindiAfl CMOS skynjarasmásjármyndavélarnotað í flúrljómunarmyndgreiningu og læknisfræðilegri greiningu.

● StjörnufræðiSjónaukar og geimmyndatæki nota oft vísindalegt CMOS (sCMOS) fyrir háa upplausn og lágt suð.
● IðnaðarskoðunSjálfvirk sjónskoðun (AOI), vélmenni ogmyndavélar fyrir skoðun á hálfleiðurumTreystu á CMOS skynjara fyrir hraða og nákvæmni.

● Bílaiðnaður: Ítarleg ökumannsaðstoðarkerfi (ADAS), bakkmyndavélar og bílastæðamyndavélar.
● Eftirlit og öryggiKerfi fyrir lítil birtustig og hreyfiskynjun.

Hraði þeirra og hagkvæmni gerir CMOS að kjörlausninni bæði fyrir mikla notkun í atvinnuskyni og sérhæfð vísindastörf.

Af hverju CMOS er nú nútímastaðallinn

Skiptið frá CCD yfir í CMOS gerðist ekki á einni nóttu, en það var óhjákvæmilegt. Hér er ástæðan fyrir því að CMOS er nú hornsteinn myndgreiningariðnaðarins:

● FramleiðslukosturByggt á stöðluðum framleiðslulínum fyrir hálfleiðara, sem lækkar kostnað og eykur stigstærð.
● ÁrangursbæturValkostir fyrir rúllandi og alþjóðlegan lokara, bætt ljósnæmi og hærri rammatíðni.
● Samþætting og greindCMOS skynjarar styðja nú gervigreindarvinnslu, jaðartölvuvinnslu og rauntímagreiningu á örgjörva.
● NýsköpunNýjar gerðir skynjara eins og staflaðir CMOS-skynjarar, kvanta-myndskynjarar og sveigðir skynjarar eru byggðir á CMOS-pöllum.

Frá snjallsímum tilvísindamyndavélarCMOS hefur sannað sig sem aðlögunarhæft, öflugt og tilbúið fyrir framtíðina.

Niðurstaða

CMOS-skynjarar hafa þróast í nútímastaðalinn fyrir flest myndgreiningarforrit, þökk sé jafnvægi þeirra á milli afkasta, skilvirkni og kostnaðar. Hvort sem um er að ræða að fanga daglegar minningar eða framkvæma hraðvirka vísindalega greiningu, þá leggur CMOS-tækni grunninn að sjónrænum heimi nútímans.

Þar sem nýjungar eins og CMOS með alþjóðlegum lokara og sCMOS halda áfram að auka getu tækninnar, er búist við að yfirráð hennar haldi áfram um ókomin ár.

Algengar spurningar

Hver er munurinn á rúllandi lokara og alþjóðlegum lokara?

Rúllandi lokari les út myndgögn línu fyrir línu, sem getur valdið hreyfitruflunum (t.d. skekkju eða titringi) þegar tekið er upp myndefni á hraðri hreyfingu.

Alhliða lokari tekur allan myndina samtímis og útilokar röskun frá hreyfingu. Hann er tilvalinn fyrir hraðvirkar myndgreiningarforrit eins og vélræna sjón og vísindalegar tilraunir.

Hvað er Rolling Shutter CMOS Overlap Mode?

Fyrir CMOS myndavélar með rúllandi lokara, í skörunarstillingu, getur lýsing næsta ramma hafist áður en núverandi rammi er að fullu kláraður, sem gerir kleift að fá hærri rammatíðni. Þetta er mögulegt vegna þess að lýsing og lestur hverrar raðar eru skipt í tíma.

Þessi stilling er gagnleg í forritum þar sem hámarks rammahraði og afköst eru mikilvæg, eins og í hraðskoðun eða rauntíma mælingum. Hins vegar getur hún aukið flækjustig tímasetningar og samstillingar örlítið.