Capire i sensori CMOS: lo standard moderno per la maggior parte delle immagini |

Dagli smartphone agli strumenti scientifici, i sensori di immagine sono al centro della tecnologia visiva odierna. Tra questi, i sensori CMOS sono diventati la forza dominante, alimentando di tutto, dalle fotografie di tutti i giorni alla microscopia avanzata e all'ispezione dei semiconduttori.

La tecnologia "Complementary Metal Oxide Semiconductor" (CMOS) è un'architettura elettronica e un insieme di tecnologie di processo di fabbricazione le cui applicazioni sono incredibilmente vaste. Si potrebbe infatti affermare che la tecnologia CMOS sia alla base dell'era digitale moderna.

Che cos'è un sensore CMOS?

I sensori di immagine CMOS (CIS) utilizzano pixel attivi, ovvero tre o più transistor in ogni pixel della fotocamera. I pixel CCD ed EMCCD non contengono transistor.

I transistor in ogni pixel consentono di controllare questi pixel "attivi", di amplificare i segnali tramite transistor a "effetto di campo" e di accedere ai loro dati, il tutto in parallelo. Invece di un singolo percorso di lettura per un intero sensore o per una frazione significativa di un sensore, unFotocamera CMOSInclude almeno un'intera riga di ADC di lettura, uno (o più) ADC per ogni colonna del sensore. Ognuno di questi può leggere simultaneamente il valore della propria colonna. Inoltre, questi sensori a "pixel attivo" sono compatibili con la logica digitale CMOS, aumentandone le potenzialità funzionali.

Insieme, queste qualità conferiscono ai sensori CMOS la loro velocità. Tuttavia, grazie a questo aumento del parallelismo, i singoli ADC impiegano più tempo per misurare i segnali rilevati con maggiore precisione. Questi tempi di conversione più lunghi consentono un funzionamento a bassissimo rumore, anche con un numero maggiore di pixel. Grazie a questa e ad altre innovazioni, il rumore di lettura dei sensori CMOS tende a essere fino a 5-10 volte inferiore a quello dei CCD.

Le moderne telecamere scientifiche CMOS (sCMOS) sono un sottotipo specializzato di CMOS, progettato per ottenere immagini ad alta velocità e a basso rumore nelle applicazioni di ricerca.

Come funzionano i sensori CMOS? (Inclusi Rolling Shutter e Global Shutter)

Il funzionamento di un tipico sensore CMOS è illustrato nella figura e descritto di seguito. Si noti che, a causa delle differenze operative illustrate di seguito, i tempi e il funzionamento dell'esposizione saranno diversi per le telecamere CMOS con otturatore globale rispetto a quelle con otturatore rotante.

Figura: Processo di lettura per il sensore CMOS

NOTA: Il processo di lettura per le telecamere CMOS differisce tra le telecamere "rolling shutter" e quelle "global shutter", come discusso nel testo. In entrambi i casi, ogni pixel contiene un condensatore e un amplificatore che producono una tensione basata sul conteggio dei fotoelettroni rilevati. Per ogni riga, le tensioni per ogni colonna vengono misurate simultaneamente da convertitori analogico-digitali di colonna.

Tapparella avvolgibile

1. Per un sensore CMOS a otturatore rotante, iniziando dalla riga superiore (o dal centro per le telecamere con sensore diviso), eliminare la carica dalla riga per iniziare l'esposizione di quella riga.
2. Una volta trascorso il "tempo di linea" (in genere 5-20 μs), passare alla riga successiva e ripetere dal passaggio 1, finché l'intero sensore non è esposto.
3. Per ogni riga, le cariche si accumulano durante l'esposizione, fino al termine del tempo di esposizione della riga stessa. La prima riga a iniziare terminerà per prima.
4. Una volta terminata l'esposizione per una riga, trasferire le cariche al condensatore di lettura e all'amplificatore.
5. La tensione in ciascun amplificatore in quella riga viene quindi collegata all'ADC della colonna e il segnale viene misurato per ogni pixel nella riga.
6. L'operazione di lettura e reset richiederà il "tempo di linea" per essere completata, dopodiché la riga successiva che inizierà l'esposizione avrà raggiunto la fine del suo tempo di esposizione e il processo verrà ripetuto dal punto 4.
7. Non appena la lettura della riga superiore è completa, a condizione che la riga inferiore abbia iniziato a esporre il fotogramma corrente, la riga superiore può iniziare l'esposizione del fotogramma successivo (modalità di sovrapposizione). Se il tempo di esposizione è inferiore al tempo del fotogramma, la riga superiore deve attendere che la riga inferiore inizi l'esposizione. Il tempo di esposizione più breve possibile è in genere pari a una riga.

Telecamera CMOS raffreddata FL 26BW di Tucsen, dotata del sensore Sony IMX533, utilizza questa tecnologia a otturatore rotante.

Otturatore globale

Fonte:Sensore di immagine CMOS con otturatore globale GMAX3412

1. Per iniziare l'acquisizione, la carica viene simultaneamente eliminata dall'intero sensore (reset globale del pixel well).
2. La carica si accumula durante l'esposizione.
3. Al termine dell'esposizione, le cariche accumulate vengono spostate in un pozzetto mascherato all'interno di ciascun pixel, dove possono attendere la lettura senza che vengano conteggiati i nuovi fotoni rilevati. Alcune fotocamere spostano le cariche nel condensatore del pixel in questa fase.
4. Con le cariche rilevate memorizzate nell'area mascherata di ciascun pixel, l'area attiva del pixel può iniziare l'esposizione del fotogramma successivo (modalità di sovrapposizione).
5. Il processo di lettura dall'area mascherata procede come per i sensori a saracinesca: una riga alla volta, dalla parte superiore del sensore, le cariche vengono trasferite dal pozzetto mascherato al condensatore di lettura e all'amplificatore.
6. La tensione in ciascun amplificatore in quella riga è collegata all'ADC della colonna e il segnale viene misurato per ogni pixel nella riga.
7. L'operazione di lettura e reset richiederà il "tempo di riga" per essere completata, dopodiché il processo verrà ripetuto per la riga successiva dal passaggio 5.
8. Una volta lette tutte le righe, la fotocamera è pronta per leggere il fotogramma successivo e il processo può essere ripetuto dal passaggio 2 o dal passaggio 3 se il tempo di esposizione è già trascorso.

Fotocamera sCMOS monocromatica Libra 3412M di Tucsenutilizza la tecnologia Global Shutter, che consente un'acquisizione chiara e rapida di campioni in movimento.

Pro e contro dei sensori CMOS

Professionisti

● Velocità più elevate: I sensori CMOS sono in genere da 1 a 2 ordini di grandezza più veloci in termini di velocità di trasmissione dei dati rispetto ai sensori CCD o EMCCD.
● Sensori più grandi: Una maggiore velocità di trasmissione dei dati consente un numero maggiore di pixel e campi visivi più ampi, fino a decine o centinaia di megapixel.
● Basso rumore: Alcuni sensori CMOS possono avere un rumore di lettura basso fino a 0,25e-, rivaleggiando con gli EMCCD senza dover moltiplicare la carica che aggiunge ulteriori fonti di rumore.
● Flessibilità delle dimensioni dei pixel:I sensori delle fotocamere dei consumatori e degli smartphone riducono le dimensioni dei pixel fino a circa 1 μm, mentre sono comuni le fotocamere scientifiche con pixel fino a 11 μm, mentre sono disponibili fino a 16 μm.
● Minore consumo energetico: I bassi requisiti energetici delle telecamere CMOS ne consentono l'impiego in una più ampia gamma di applicazioni scientifiche e industriali.
● Prezzo e durata: Le telecamere CMOS di fascia bassa hanno in genere un costo simile o inferiore a quello delle telecamere CCD, mentre le telecamere CMOS di fascia alta hanno un costo molto inferiore a quello delle telecamere EMCCD. La loro durata prevista dovrebbe superare di gran lunga quella di una telecamera EMCCD.

Contro

● Tapparella avvolgibile:La maggior parte delle telecamere CMOS scientifiche è dotata di un otturatore rotante, che può aggiungere complessità ai flussi di lavoro sperimentali o escludere alcune applicazioni.
● Corrente scura più altat: La maggior parte delle fotocamere CMOS ha una corrente di buio molto più elevata rispetto ai sensori CCD ed EMCCD, il che a volte introduce un rumore significativo nelle esposizioni lunghe (> 1 secondo).

Dove vengono utilizzati oggi i sensori CMOS

Grazie alla loro versatilità, i sensori CMOS trovano impiego in una vasta gamma di applicazioni:

● Elettronica di consumo: Smartphone, webcam, reflex digitali, action cam.
● Scienze della vita: Potenza dei sensori CMOStelecamere per microscopiautilizzato nell'imaging a fluorescenza e nella diagnostica medica.

● Astronomia: I telescopi e i dispositivi di imaging spaziale utilizzano spesso la tecnologia CMOS scientifica (sCMOS) per un'elevata risoluzione e un basso rumore.
● Ispezione industriale: Ispezione ottica automatizzata (AOI), robotica etelecamere per l'ispezione dei semiconduttoriaffidarsi ai sensori CMOS per velocità e precisione.

● Automobilistico: Sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS), telecamere posteriori e di parcheggio.
● Sorveglianza e sicurezza: Sistemi di rilevamento del movimento e di scarsa illuminazione.

La loro velocità e convenienza rendono i CMOS la soluzione ideale sia per l'uso commerciale su larga scala sia per lavori scientifici specializzati.

Perché CMOS è ora lo standard moderno

Il passaggio da CCD a CMOS non è avvenuto dall'oggi al domani, ma era inevitabile. Ecco perché il CMOS è oggi il pilastro del settore dell'imaging:

● Vantaggio di produzione: Costruito su linee di fabbricazione di semiconduttori standard, riducendo i costi e migliorando la scalabilità.
● Aumento delle prestazioni: Opzioni di otturatore mobile e globale, sensibilità migliorata in condizioni di scarsa illuminazione e frame rate più elevati.
● Integrazione e intelligenza: I sensori CMOS ora supportano l'elaborazione AI on-chip, l'edge computing e l'analisi in tempo reale.
● Innovazione: I tipi di sensori emergenti come i CMOS impilati, i sensori di immagini quantistiche e i sensori curvi sono costruiti su piattaforme CMOS.

Dagli smartphone afotocamere scientifiche, il CMOS ha dimostrato di essere adattabile, potente e pronto per il futuro.

Conclusione

I sensori CMOS si sono evoluti fino a diventare lo standard moderno per la maggior parte delle applicazioni di imaging, grazie al loro equilibrio tra prestazioni, efficienza e costi. Che si tratti di catturare ricordi quotidiani o di condurre analisi scientifiche ad alta velocità, la tecnologia CMOS fornisce le basi per il mondo visivo odierno.

Poiché innovazioni come il CMOS con otturatore globale e l'sCMOS continuano ad ampliare le capacità della tecnologia, il suo predominio è destinato a durare negli anni a venire.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra una tapparella e una tapparella globale?

Un otturatore rotante legge i dati dell'immagine riga per riga, il che può causare artefatti di movimento (ad esempio, inclinazione o oscillazione) quando si catturano soggetti in rapido movimento.

Un otturatore globale cattura l'intero fotogramma simultaneamente, eliminando la distorsione dovuta al movimento. È ideale per applicazioni di imaging ad alta velocità come la visione artificiale e gli esperimenti scientifici.

Che cos'è la modalità di sovrapposizione CMOS a otturatore rotante?

Per le telecamere CMOS con otturatore rotante, in modalità sovrapposizione, l'esposizione del fotogramma successivo può iniziare prima che quello corrente sia completamente completato, consentendo frame rate più elevati. Ciò è possibile perché l'esposizione e la lettura di ogni riga sono sfalsate nel tempo.

Questa modalità è utile in applicazioni in cui la massima velocità di trasmissione e la massima produttività sono essenziali, come nell'ispezione ad alta velocità o nel tracciamento in tempo reale. Tuttavia, potrebbe aumentare leggermente la complessità di temporizzazione e sincronizzazione.