25/08/05სმარტფონებიდან სამეცნიერო ინსტრუმენტებამდე, გამოსახულების სენსორები დღევანდელი ვიზუალური ტექნოლოგიების ცენტრშია. მათ შორის, CMOS სენსორები დომინანტურ ძალად იქცა, რომლებიც ყველაფერს იყენებენ, ყოველდღიური ფოტოებიდან დაწყებული, მოწინავე მიკროსკოპიითა და ნახევარგამტარული შემოწმებით დამთავრებული.
„დამატებითი ლითონის ოქსიდის ნახევარგამტარული“ (CMOS) ტექნოლოგია არის ელექტრონული არქიტექტურა და წარმოების პროცესების ტექნოლოგიების ერთობლიობა, რომელთა გამოყენება წარმოუდგენლად ფართოა. მართლაც, შეიძლება ითქვას, რომ CMOS ტექნოლოგია თანამედროვე ციფრული ეპოქის საფუძველია.
რა არის CMOS სენსორი?
CMOS გამოსახულების სენსორები (CIS) იყენებენ აქტიურ პიქსელებს, რაც გულისხმობს სამი ან მეტი ტრანზისტორის გამოყენებას კამერის თითოეულ პიქსელში. CCD და EMCCD პიქსელები არ შეიცავენ ტრანზისტორებს.
თითოეულ პიქსელში არსებული ტრანზისტორები საშუალებას იძლევა, პარალელურად მოხდეს ამ „აქტიური“ პიქსელების კონტროლი, სიგნალების გაძლიერების „ველის ეფექტის“ ტრანზისტორებით და მათ მონაცემებზე წვდომა. მთელი სენსორის ან სენსორის მნიშვნელოვანი ნაწილისთვის ერთი წაკითხვის გზის ნაცვლად,CMOS კამერამოიცავს წაკითხვის ანალოგურ-ციფრული გადამყვანების სულ მცირე ერთ მთლიან რიგს, ერთ (ან მეტ) ანალოგურ-ციფრულ გადამყვანს სენსორის თითოეული სვეტისთვის. თითოეულ მათგანს შეუძლია ერთდროულად წაიკითხოს თავისი სვეტის მნიშვნელობა. გარდა ამისა, ეს „აქტიური პიქსელის“ სენსორები თავსებადია CMOS ციფრულ ლოგიკასთან, რაც ზრდის სენსორის პოტენციურ ფუნქციონირებას.
ეს თვისებები ერთად CMOS სენსორებს სისწრაფეს ანიჭებს. თუმცა, პარალელიზმის ამ ზრდის წყალობით, ცალკეულ ანალოგურ-ციფრულ გადამყვანებს შეუძლიათ უფრო მეტი დრო დასჭირდეთ აღმოჩენილი სიგნალების უფრო ზუსტი გაზომვისთვის. ეს უფრო ხანგრძლივი კონვერტაციის დრო ძალიან დაბალი ხმაურის მუშაობის საშუალებას იძლევა, პიქსელების მაღალი რაოდენობის შემთხვევაშიც კი. ამის და სხვა ინოვაციების წყალობით, CMOS სენსორების წაკითხვის ხმაური, როგორც წესი, 5-10-ჯერ დაბალია CCD-ებთან შედარებით.
თანამედროვე სამეცნიერო CMOS (sCMOS) კამერები CMOS-ის სპეციალიზებული ქვეტიპია, რომელიც შექმნილია კვლევით პროგრამებში დაბალი ხმაურისა და მაღალსიჩქარიანი გამოსახულების მისაღებად.
როგორ მუშაობს CMOS სენსორები? (მათ შორის, Rolling vs Global Shutter)
ტიპიური CMOS სენსორის მუშაობა ნაჩვენებია ნახაზზე და ქვემოთ არის აღწერილი. გაითვალისწინეთ, რომ ქვემოთ მოცემული ოპერაციული განსხვავებების შედეგად, ექსპოზიციის დრო და მოქმედება განსხვავდება გლობალური და მოძრავი ჩამკეტის CMOS კამერებისთვის.
სურათი: CMOS სენსორის წაკითხვის პროცესი
შენიშვნაროგორც ტექსტშია განხილული, CMOS კამერების წაკითხვის პროცესი განსხვავდება „მოძრავი ჩამკეტის“ და „გლობალური ჩამკეტის“ კამერებს შორის. ორივე შემთხვევაში, თითოეული პიქსელი შეიცავს კონდენსატორს და გამაძლიერებელს, რომლებიც წარმოქმნიან ძაბვას აღმოჩენილი ფოტოელექტრონების რაოდენობის მიხედვით. თითოეული რიგისთვის, თითოეული სვეტის ძაბვები ერთდროულად იზომება სვეტის ანალოგურ-ციფრული გადამყვანებით.
მოძრავი ჩამკეტი
1. მოძრავი ჩამკეტის CMOS სენსორის შემთხვევაში, ზედა რიგიდან (ან გაყოფილი სენსორული კამერების ცენტრიდან) დაწყებული, რიგიდან მუხტის მოშორება ამ რიგის ექსპოზიციის დასაწყებად.
2. „ხაზის დროის“ (როგორც წესი, 5-20 μs) გასვლის შემდეგ, გადადით შემდეგ რიგში და გაიმეორეთ 1-ლი ნაბიჯიდან, სანამ მთელი სენსორი არ გამოიკვეთება.
3. თითოეული რიგისთვის მუხტები გროვდება ექსპოზიციის დროს, სანამ ეს რიგი არ დაასრულებს ექსპოზიციის დროს. პირველი დაწყებული რიგი პირველი დაასრულებს.
4. ექსპოზიციის დასრულების შემდეგ, მუხტები გადაიტანეთ წამკითხველ კონდენსატორსა და გამაძლიერებელში.
5. შემდეგ ამ რიგის თითოეულ გამაძლიერებელში ძაბვა უკავშირდება სვეტის ანალოგურ-ციფრულ გადამყვანს და სიგნალი იზომება რიგში არსებული თითოეული პიქსელისთვის.
6. წაკითხვისა და გადატვირთვის ოპერაციის დასრულებას „ხაზის დრო“ დასჭირდება, რის შემდეგაც ექსპოზიციის დასაწყებად შემდეგი რიგი მიაღწევს ექსპოზიციის დროის დასასრულს და პროცესი მე-4 ნაბიჯიდან განმეორდება.
7. როგორც კი ზედა რიგის ეკრანის ჩვენება დასრულდება, იმ პირობით, რომ ქვედა რიგში მიმდინარე კადრის ექსპოზიცია დაიწყება, ზედა რიგში შესაძლებელია შემდეგი კადრის ექსპოზიციის დაწყება (გადაფარვის რეჟიმი). თუ ექსპოზიციის დრო კადრის დროზე ნაკლებია, ზედა რიგში უნდა დაელოდოს ქვედა რიგში ექსპოზიციის დაწყებას. ყველაზე მოკლე ექსპოზიცია, როგორც წესი, ერთი ხაზის დროა.
ტუსენის FL 26BW გაგრილებადი CMOS კამერა, რომელიც აღჭურვილია Sony IMX533 სენსორით, იყენებს ამ მოძრავი ჩამკეტის ტექნოლოგიას.
გლობალური ჩამკეტი
1. შეგროვების დასაწყებად, მთელი სენსორიდან ერთდროულად იწმინდება დამუხტვა (პიქსელის ჭაბურღილის გლობალური გადატვირთვა).
2. მუხტი გროვდება ექსპოზიციის დროს.
3. ექსპოზიციის დასრულების შემდეგ, შეგროვებული მუხტები გადადის თითოეული პიქსელის შიგნით არსებულ ნიღბიან ჭაში, სადაც მათ შეუძლიათ დაელოდონ წაკითხვას ახალი აღმოჩენილი ფოტონების დათვლის გარეშე. ზოგიერთი კამერა ამ ეტაპზე მუხტებს პიქსელის კონდენსატორში გადააქვს.
4. თითოეული პიქსელის ნიღბიან არეალში შენახული აღმოჩენილი მუხტების შემდეგ, პიქსელის აქტიურ არეალს შეუძლია დაიწყოს შემდეგი კადრის ექსპოზიცია (გადაფარვის რეჟიმი).
5. ნიღბიანი ზონიდან მონაცემების წაკითხვის პროცესი ისევე მიმდინარეობს, როგორც მოძრავი ჩამკეტის სენსორების შემთხვევაში: სენსორის ზემოდან მუხტები გადადის ნიღბიანი ჭიდან მონაცემების წაკითხვის კონდენსატორსა და გამაძლიერებელზე თითო რიგის მიხედვით.
6. ამ რიგში თითოეულ გამაძლიერებელში ძაბვა დაკავშირებულია სვეტის ანალოგურ-ციფრულ გადამყვანთან და სიგნალი იზომება რიგში არსებული თითოეული პიქსელისთვის.
7. წაკითხვისა და გადატვირთვის ოპერაციის დასრულებას „ხაზის დრო“ დასჭირდება, რის შემდეგაც პროცესი მე-5 ნაბიჯიდან შემდეგი რიგისთვის განმეორდება.
8. ყველა რიგის წაკითხვის შემდეგ, კამერა მზადაა შემდეგი კადრის წასაკითხად და პროცესის გამეორება შესაძლებელია მე-2 ნაბიჯიდან, ან მე-3 ნაბიჯიდან, თუ ექსპოზიციის დრო უკვე გასულია.
ტუსენის Libra 3412M მონო sCMOS კამერაიყენებს გლობალური ჩამკეტის ტექნოლოგიას, რაც მოძრავი ნიმუშების მკაფიო და სწრაფ გადაღებას უზრუნველყოფს.
CMOS სენსორების დადებითი და უარყოფითი მხარეები
დადებითი მხარეები
● უფრო მაღალი სიჩქარეებიCMOS სენსორები, როგორც წესი, მონაცემთა გამტარუნარიანობის მხრივ 1-დან 2 რიგით უფრო სწრაფები არიან, ვიდრე CCD ან EMCCD სენსორები.
● უფრო დიდი სენსორებიუფრო სწრაფი მონაცემთა გამტარუნარიანობა საშუალებას იძლევა მივიღოთ პიქსელების უფრო მეტი რაოდენობა და ხედვის უფრო ფართო არე, ათეულობით ან ასობით მეგაპიქსელამდე.
● დაბალი ხმაურიზოგიერთ CMOS სენსორს შეიძლება ჰქონდეს 0.25e-მდე დაბალი ხმაურის დონე, რითაც კონკურენციას უწევს EMCCD-ებს მუხტის გამრავლების საჭიროების გარეშე, რაც დამატებით ხმაურის წყაროებს ამატებს.
● პიქსელის ზომის მოქნილობამომხმარებელთა და სმარტფონების კამერის სენსორები პიქსელების ზომას ~1 μm დიაპაზონამდე ამცირებს, ხოლო სამეცნიერო კამერები, რომელთა პიქსელის ზომა 11 μm-მდეა, ხელმისაწვდომია 16 μm-მდე.
● დაბალი ენერგომოხმარებაCMOS კამერების დაბალი ენერგომოხმარება მათ საშუალებას აძლევს გამოიყენონ უფრო ფართო სპექტრის სამეცნიერო და სამრეწველო აპლიკაციებში.
● ფასი და სიცოცხლის ხანგრძლივობადაბალი კლასის CMOS კამერები, როგორც წესი, CCD კამერების მსგავსი ან უფრო დაბალი ფასით გამოირჩევა, ხოლო მაღალი კლასის CMOS კამერები EMCCD კამერებთან შედარებით გაცილებით დაბალი ფასით ხასიათდება. მათი მოსალოდნელი მომსახურების ვადა EMCCD კამერის მომსახურების ვადას მნიშვნელოვნად უნდა აღემატებოდეს.
უარყოფითი მხარეები
● მოძრავი ჩამკეტისამეცნიერო CMOS კამერების უმეტესობას აქვს მოძრავი ჩამკეტი, რამაც შეიძლება გაართულოს ექსპერიმენტული სამუშაო პროცესები ან გამორიცხოს ზოგიერთი გამოყენება.
● უფრო მაღალი მუქი დენიt: CMOS კამერების უმეტესობას CCD და EMCCD სენსორებთან შედარებით გაცილებით მაღალი ბნელი დენი აქვს, რაც ზოგჯერ მნიშვნელოვან ხმაურს იწვევს ხანგრძლივი ექსპოზიციის დროს (> 1 წამი).
სად გამოიყენება CMOS სენსორები დღეს
მათი მრავალფეროვნების წყალობით, CMOS სენსორები გამოიყენება ფართო სპექტრის აპლიკაციებში:
● სამომხმარებლო ელექტრონიკასმარტფონები, ვებკამერები, ციფრული სარკისებური კამერები, ექშენ კამერები.
● სიცოცხლის შემსწავლელი მეცნიერებებიCMOS სენსორების სიმძლავრემიკროსკოპის კამერებიგამოიყენება ფლუორესცენციულ გამოსახულებასა და სამედიცინო დიაგნოსტიკაში.
● ასტრონომიატელესკოპები და კოსმოსური ვიზუალიზაციის მოწყობილობები ხშირად იყენებენ სამეცნიერო CMOS-ს (sCMOS) მაღალი გარჩევადობისა და დაბალი ხმაურისთვის.
● სამრეწველო ინსპექტირებაავტომატური ოპტიკური შემოწმება (AOI), რობოტიკა დანახევარგამტარული შემოწმების კამერებისიჩქარისა და სიზუსტისთვის CMOS სენსორებს დაეყრდნონ.
● ავტომობილები: მძღოლის დამხმარე მოწინავე სისტემები (ADAS), უკანა ხედვის და პარკირების კამერები.
● მეთვალყურეობა და უსაფრთხოებადაბალი განათების და მოძრაობის დეტექციის სისტემები.
მათი სისწრაფე და ეკონომიურობა CMOS-ს როგორც დიდი მოცულობის კომერციული გამოყენებისთვის, ასევე სპეციალიზებული სამეცნიერო სამუშაოებისთვის საუკეთესო გადაწყვეტად აქცევს.
რატომ არის CMOS ახლა თანამედროვე სტანდარტი
CCD-დან CMOS-ზე გადასვლა ერთ ღამეში არ მომხდარა, თუმცა გარდაუვალი იყო. აი, რატომ არის CMOS ახლა ვიზუალიზაციის ინდუსტრიის ქვაკუთხედი:
● წარმოების უპირატესობააგებულია ნახევარგამტარული წარმოების სტანდარტულ ხაზებზე, რაც ამცირებს ხარჯებს და აუმჯობესებს მასშტაბირებას.
● შესრულების გაუმჯობესება: მოძრავი და გლობალური ჩამკეტის ვარიანტები, გაუმჯობესებული მგრძნობელობა დაბალი განათების პირობებში და უფრო მაღალი კადრების სიხშირე.
● ინტეგრაცია და ინტელექტიCMOS სენსორები ახლა მხარს უჭერენ ჩიპზე ჩამონტაჟებულ ხელოვნური ინტელექტის დამუშავებას, კიდისებრ გამოთვლებს და რეალურ დროში ანალიზს.
● ინოვაციაახალი ტიპის სენსორები, როგორიცაა დაწყობილი CMOS, კვანტური გამოსახულების სენსორები და მრუდი სენსორები, აგებულია CMOS პლატფორმებზე.
სმარტფონებიდან დაწყებულისამეცნიერო კამერები, CMOS-მა დაამტკიცა, რომ ადაპტირებადი, ძლიერი და მომავლისთვის მზადაა.
დასკვნა
CMOS სენსორები განვითარდა თანამედროვე სტანდარტად ვიზუალიზაციის უმეტესი აპლიკაციებისთვის, შესრულების, ეფექტურობისა და ღირებულების ბალანსის წყალობით. ყოველდღიური მოგონებების აღბეჭდვისა თუ მაღალსიჩქარიანი სამეცნიერო ანალიზის ჩატარების შემთხვევაში, CMOS ტექნოლოგია დღევანდელი ვიზუალური სამყაროს საფუძველს ქმნის.
რადგან ისეთი ინოვაციები, როგორიცაა გლობალური ჩამკეტის CMOS და sCMOS, აგრძელებენ ტექნოლოგიის შესაძლებლობების გაფართოებას, მისი დომინირება მომავალ წლებშიც გაგრძელდება.
ხშირად დასმული კითხვები
რა განსხვავებაა მოძრავ ჩამკეტსა და გლობალურ ჩამკეტს შორის?
მოძრავი ჩამკეტი კითხულობს გამოსახულების მონაცემებს ხაზ-ხაზად, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს მოძრაობის არტეფაქტები (მაგ., დამახინჯება ან რყევა) სწრაფად მოძრავი ობიექტების გადაღებისას.
გლობალური ჩამკეტი ერთდროულად იღებს მთელ კადრს, რაც გამორიცხავს მოძრაობისგან გამოწვეულ დამახინჯებას. ის იდეალურია მაღალსიჩქარიანი გამოსახულების მისაღებად, როგორიცაა მანქანური ხედვა და სამეცნიერო ექსპერიმენტები.
რა არის Rolling Shutter CMOS გადაფარვის რეჟიმი?
მოძრავი ჩამკეტის CMOS კამერების შემთხვევაში, გადაფარვის რეჟიმში, შემდეგი კადრის ექსპოზიცია შეიძლება დაიწყოს მიმდინარე კადრის სრულად დასრულებამდე, რაც უფრო მაღალი კადრების სიხშირის საშუალებას იძლევა. ეს შესაძლებელია, რადგან თითოეული რიგის ექსპოზიცია და ჩვენება დროში ეტაპობრივად არის დაყოფილი.
ეს რეჟიმი სასარგებლოა იმ აპლიკაციებში, სადაც მაქსიმალური კადრების სიხშირე და გამტარუნარიანობა კრიტიკულია, მაგალითად, მაღალსიჩქარიანი შემოწმების ან რეალურ დროში თვალთვალის დროს. თუმცა, ამან შეიძლება ოდნავ გაზარდოს დროისა და სინქრონიზაციის სირთულე.
Tucsen Photonics Co., Ltd. ყველა უფლება დაცულია. ციტირებისას, გთხოვთ, მიუთითოთ წყარო:www.tucsen.com
