25/08/05מסמארטפונים ועד מכשירים מדעיים, חיישני תמונה הם לב ליבה של הטכנולוגיה החזותית של ימינו. מבין אלה, חיישני CMOS הפכו לכוח הדומיננטי, ומניעים הכל, החל מתמונות יומיומיות ועד מיקרוסקופיה מתקדמת ובדיקת מוליכים למחצה.
טכנולוגיית 'מוליכים למחצה של תחמוצת מתכת משלימה' (CMOS) היא ארכיטקטורה אלקטרונית ומערכת של טכנולוגיות תהליכי ייצור שיישומיהן רחבים להפליא. ואכן, ניתן לומר שטכנולוגיית CMOS היא הבסיס לעידן הדיגיטלי המודרני.
מהו חיישן CMOS?
חיישני תמונה CMOS (CIS) משתמשים בפיקסלים אקטיביים, כלומר שימוש בשלושה טרנזיסטורים או יותר בכל פיקסל של המצלמה. פיקסלים מסוג CCD ו-EMCCD אינם מכילים טרנזיסטורים.
הטרנזיסטורים בכל פיקסל מאפשרים לשלוט בפיקסלים "פעילים" אלה, להגביר אותות באמצעות טרנזיסטורי "אפקט שדה", ולגשת לנתונים שלהם, הכל במקביל. במקום נתיב קריאה יחיד עבור חיישן שלם או חלק משמעותי של חיישן, אמצלמת CMOSכולל לפחות שורה שלמה אחת של ADCs לקריאה, ADC אחד (או יותר) עבור כל עמודה של החיישן. כל אחד מהם יכול לקרוא את הערך של העמודה שלו בו זמנית. יתר על כן, חיישני 'פיקסל פעיל' אלה תואמים ללוגיקה דיגיטלית CMOS, מה שמגדיל את הפונקציונליות הפוטנציאלית של החיישן.
יחד, תכונות אלו מעניקות לחיישני CMOS את מהירותם. עם זאת, הודות לעלייה זו במקבילות, ADCs בודדים מסוגלים לקחת זמן רב יותר למדוד את האותות שזוהו בדיוק רב יותר. זמני המרה ארוכים יותר אלו מאפשרים פעולה עם רעש נמוך מאוד, אפילו עבור ספירת פיקסלים גבוהה יותר. הודות לכך, ולחידושים אחרים, רעש הקריאה של חיישני CMOS נוטה להיות נמוך פי 5-10 מזה של CCDs.
מצלמות CMOS מדעיות מודרניות (sCMOS) הן תת-סוג מיוחד של CMOS המיועדות להדמיה נמוכה ומהירה ביישומי מחקר.
כיצד פועלים חיישני CMOS? (כולל תריס מתגלגל לעומת תריס גלובלי)
פעולתו של חיישן CMOS טיפוסי מוצגת באיור ומתוארת להלן. שימו לב שכתוצאה מהבדלי התפעול להלן, תזמון ותפעול החשיפה יהיו שונים עבור מצלמות CMOS בעלות תריס גלובלי לעומת מצלמות CMOS בעלות תריס מתגלגל.
הערה: תהליך הקריאה עבור מצלמות CMOS שונה בין מצלמות 'תריס מתגלגל' לבין מצלמות 'תריס גלובלי', כפי שנדון בטקסט. בכל מקרה, כל פיקסל מכיל קבל ומגבר המייצרים מתח המבוסס על ספירת הפוטואלקטרונים שזוהתה. עבור כל שורה, המתחים עבור כל עמודה נמדדים בו זמנית על ידי ממירים אנלוגיים לדיגיטליים של עמודות.
תריס גלילה
1. עבור חיישן CMOS עם תריס מתגלגל, החל מהשורה העליונה (או במרכז עבור מצלמות עם חיישן מפוצל), נקה את המטען מהשורה כדי להתחיל את החשיפה של שורה זו.
2. לאחר שחלף 'זמן הקו' (בדרך כלל 5-20 מיקרו-שניות), עברו לשורה הבאה וחזרו על הפעולה משלב 1, עד שכל החיישן נחשף.
3. עבור כל שורה, מטענים מצטברים במהלך החשיפה, עד שהשורה הזו מסיימת את זמן החשיפה שלה. השורה הראשונה שמתחילה תסתיים ראשונה.
4. לאחר סיום החשיפה לשורה, העבירו מטענים לקבל הקריאה ולמגבר.
5. המתח בכל מגבר באותה שורה מחובר לאחר מכן ל-ADC בעמודה, והאות נמדד עבור כל פיקסל בשורה.
6. פעולת הקריאה והאיפוס תארך את 'זמן הקו' להשלמה, ולאחר מכן השורה הבאה שתתחיל את החשיפה תגיע לסוף זמן החשיפה שלה, והתהליך יחזור על עצמו משלב 4.
7. ברגע שהקריאה עבור השורה העליונה הושלמה, בתנאי שהשורה התחתונה החלה לחשוף את הפריים הנוכחי, השורה העליונה רשאית להתחיל את החשיפה של הפריים הבא (מצב חפיפה). אם זמן החשיפה קצר מזמן הפריים, השורה העליונה חייבת להמתין עד שהשורה התחתונה תתחיל לחשוף. החשיפה הקצרה ביותר האפשרית היא בדרך כלל זמן שורה אחת.
מצלמת CMOS מקוררת FL 26BW של טוסן, הכולל את חיישן Sony IMX533, משתמש בטכנולוגיית תריס מתגלגל זו.
תריס גלובלי
1. כדי להתחיל את תהליך הרכישה, המטען מתנקה בו זמנית מכל החיישן (איפוס כללי של באר הפיקסלים).
2. מטען מצטבר במהלך החשיפה.
3. בסוף החשיפה, המטענים שנאספו מועברים לבור מכוסה בתוך כל פיקסל, שם הם יכולים להמתין לקריאה מבלי שייספרו פוטונים חדשים שזוהו. חלק מהמצלמות מעבירות מטענים לתוך קבל הפיקסל בשלב זה.
4. לאחר שהמטענים שזוהו מאוחסנים באזור המוסווה של כל פיקסל, האזור הפעיל של הפיקסל יכול להתחיל את החשיפה של הפריים הבא (מצב חפיפה).
5. תהליך הקריאה מהאזור המסוכך מתבצע כמו בחיישני תריס גלילה: שורה אחת בכל פעם, מראש החיישן, מטענים מועברים מהבאר המסוכך לקבל ולמגבר הקריאה.
6. המתח בכל מגבר בשורה זו מחובר ל-ADC בעמודה, והאות נמדד עבור כל פיקסל בשורה.
7. פעולת הקריאה והאיפוס תארך את 'זמן הקו' להשלמתה, ולאחר מכן התהליך יחזור על עצמו עבור השורה הבאה משלב 5.
8. לאחר שכל השורות נקראו, המצלמה מוכנה לקרוא את הפריים הבא, וניתן לחזור על התהליך משלב 2, או שלב 3 אם זמן החשיפה כבר חלף.
מצלמת Libra 3412M מונו sCMOS של טוסןמשתמש בטכנולוגיית תריס גלובלית, המאפשרת לכידה ברורה ומהירה של דגימות נעות.
יתרונות וחסרונות של חיישני CMOS
יתרונות
● מהירויות גבוהות יותרחיישני CMOS מהירים בדרך כלל בקצב תפוקת נתונים של 1 עד 2 בסדרי גודל בהשוואה לחיישני CCD או EMCCD.
● חיישנים גדולים יותרתפוקת נתונים מהירה יותר מאפשרת ספירת פיקסלים גבוהה יותר ושדות ראייה גדולים יותר, עד עשרות או מאות מגה פיקסל.
● רעש נמוךלחלק מחיישני ה-CMOS יכול להיות רעש קריאה נמוך עד 0.25e-, המתחרה ב-EMCCDs ללא צורך בכפל מטען שמוסיף מקורות רעש נוספים.
● גמישות בגודל הפיקסליםחיישני מצלמות צרכנים וסמארטפונים מורידים את גודל הפיקסלים לטווח של ~1 מיקרון, ומצלמות מדעיות בגודל פיקסל של עד 11 מיקרון נפוצות, וזמינות עד 16 מיקרון.
● צריכת חשמל נמוכה יותרדרישות צריכת החשמל הנמוכות של מצלמות CMOS מאפשרות להן שימוש במגוון רחב יותר של יישומים מדעיים ותעשייתיים.
● מחיר ואורך חייםמצלמות CMOS מתקדמות בדרך כלל דומות או זולות יותר מאלה של מצלמות CCD, ומצלמות CMOS מתקדמות זולות בהרבה מאלה של מצלמות EMCCD. אורך חיי השירות הצפוי שלהן אמור לעלות בהרבה על זה של מצלמת EMCCD.
חסרונות
● תריס גלילהלרוב מצלמות ה-CMOS המדעיות יש תריס גלילה, שיכול להוסיף מורכבות לזרימות עבודה ניסיוניות או לשלול יישומים מסוימים.
● זרם כהה גבוה יותרלרוב מצלמות ה-CMOS יש זרם חושך גבוה בהרבה מאשר חיישני CCD ו-EMCCD, מה שלעיתים גורם לרעש משמעותי בחשיפות ארוכות (מעל שנייה אחת).
היכן משתמשים בחיישני CMOS כיום
הודות לגמישותם, חיישני CMOS נמצאים במגוון רחב של יישומים:
● מוצרי אלקטרוניקה: סמארטפונים, מצלמות רשת, מצלמות DSLR, מצלמות אקסטרים.
● מדעי החייםכוח חיישני CMOSמצלמות מיקרוסקופיהמשמש בהדמיה פלואורסצנטית ואבחון רפואי.
● אסטרונומיהטלסקופים ומכשירי דימות חלל משתמשים לעתים קרובות ב-CMOS מדעי (sCMOS) לצורך רזולוציה גבוהה ורעש נמוך.
● פיקוח תעשייתיבדיקה אופטית אוטומטית (AOI), רובוטיקה ומצלמות לבדיקת מוליכים למחצההסתמכו על חיישני CMOS למהירות ודיוק.
● רכבמערכות סיוע מתקדמות לנהג (ADAS), מצלמות ראייה לאחור ומצלמות חניה.
● מעקב ואבטחהמערכות לזיהוי תאורה חלשה ותנועה.
המהירות והיעילות העלותית שלהם הופכות את ה-CMOS לפתרון המועדף הן לשימוש מסחרי בנפח גבוה והן לעבודה מדעית מיוחדת.
מדוע CMOS הוא כעת הסטנדרט המודרני
המעבר מ-CCD ל-CMOS לא קרה בן לילה, אך הוא היה בלתי נמנע. הנה הסיבה מדוע CMOS הוא כיום אבן הפינה של תעשיית ההדמיה:
● יתרון ייצורבנוי על קווי ייצור סטנדרטיים של מוליכים למחצה, מה שמפחית עלויות ומשפר את יכולת ההרחבה.
● שיפורי ביצועיםאפשרויות תריס מתגלגל ותריס גלובלי, רגישות משופרת לתאורה נמוכה וקצב פריימים גבוה יותר.
● אינטגרציה ואינטליגנציהחיישני CMOS תומכים כעת בעיבוד בינה מלאכותית על השבב, מחשוב קצה וניתוח בזמן אמת.
● חדשנותסוגי חיישנים מתפתחים כמו חיישני CMOS מוערמים, חיישני תמונה קוונטיים וחיישנים מעוקלים בנויים על פלטפורמות CMOS.
מסמארטפונים ועדמצלמות מדעיות, CMOS הוכח כניתן להתאמה, עוצמתי ומוכן לעתיד.
מַסְקָנָה
חיישני CMOS התפתחו לסטנדרט המודרני עבור רוב יישומי ההדמיה, הודות לאיזון שלהם בין ביצועים, יעילות ועלות. בין אם מדובר בלכידת זיכרונות יומיומיים או בביצוע ניתוח מדעי במהירות גבוהה, טכנולוגיית CMOS מספקת את הבסיס לעולם הוויזואלי של ימינו.
ככל שחידושים כמו CMOS תריס גלובלי ו-sCMOS ממשיכים להרחיב את יכולות הטכנולוגיה, הדומיננטיות שלה צפויה להימשך בשנים הבאות.
שאלות נפוצות
מה ההבדל בין תריס גלילה לתריס גלובלי?
תריס מתגלגל קורא את נתוני התמונה שורה אחר שורה, מה שעלול לגרום לארטיקטים בתנועה (למשל, הטיה או רעד) בעת צילום נושאים הנעים במהירות.
תריס גלובלי לוכד את כל הפריים בו זמנית, ומבטל עיוותים כתוצאה מתנועה. הוא אידיאלי עבור יישומי הדמיה במהירות גבוהה כמו ראיית מכונה וניסויים מדעיים.
מהו מצב חפיפה של CMOS בתריס מתגלגל?
עבור מצלמות CMOS עם תריס מתגלגל, במצב חפיפה, החשיפה של הפריים הבא יכולה להתחיל לפני שהנוכחי הושלם במלואו, מה שמאפשר קצב פריימים גבוה יותר. זה אפשרי מכיוון שהחשיפה והקריאה של כל שורה מדורגות בזמן.
מצב זה שימושי ביישומים שבהם קצב פריימים ותפוקה מקסימליים הם קריטיים, כגון בבדיקה במהירות גבוהה או מעקב בזמן אמת. עם זאת, הוא עשוי להגביר מעט את מורכבות התזמון והסנכרון.
