25/08/05Смартфондардан бастап ғылыми құралдарға дейін кескін сенсорлары бүгінгі визуалды технологияның негізі болып табылады. Олардың ішінде CMOS сенсорлары күнделікті фотосуреттерден бастап жетілдірілген микроскопия мен жартылай өткізгішті тексеруге дейін барлығын қуаттайтын басым күшке айналды.
«Қосымша металл оксидінің жартылай өткізгіші» (CMOS) технологиясы – бұл электрондық архитектура және қолдану аясы өте кең өндіріс процестерінің технологияларының жиынтығы. Шынында да, CMOS технологиясын қазіргі цифрлық дәуірдің негізі деп айтуға болады.
CMOS сенсоры дегеніміз не?
CMOS кескін сенсорлары (CIS) белсенді пикселдерді пайдаланады, яғни камераның әрбір пикселінде үш немесе одан да көп транзисторларды пайдалану. CCD және EMCCD пикселдерінде транзисторлар жоқ.
Әрбір пикселдегі транзисторлар осы «белсенді» пикселдерді басқаруға, «өріс эффектісі» транзисторлары арқылы күшейтілетін сигналдарды және олардың деректеріне параллельді түрде қол жеткізуге мүмкіндік береді. Бүкіл сенсор немесе сенсордың маңызды бөлігі үшін бір оқу жолының орнына, аCMOS камерасыоқу ADC кем дегенде бір толық жолды, сенсордың әрбір бағанына бір (немесе бірнеше) ADC қамтиды. Олардың әрқайсысы өз бағанының мәнін бір уақытта оқи алады. Әрі қарай, бұл «белсенді пиксель» сенсорлары CMOS сандық логикасымен үйлесімді, әлеуетті сенсор функционалдығын арттырады.
Бұл қасиеттер бірге CMOS сенсорларына олардың жылдамдығын береді. Дегенмен, параллелизмнің жоғарылауының арқасында жеке ADC олардың анықталған сигналдарын дәлірек өлшеу үшін ұзағырақ уақыт алады. Бұл ұзағырақ түрлендіру уақыттары тіпті жоғары пикселдер саны үшін өте төмен шу жұмысына мүмкіндік береді. Осының және басқа да инновациялардың арқасында CMOS сенсорларының оқу шуы CCD-ге қарағанда 5-10 есе төмен болады.
Заманауи ғылыми CMOS (sCMOS) камералары - зерттеу қолданбаларында төмен шу және жоғары жылдамдықты бейнелеуге арналған арнайы CMOS ішкі түрі.
CMOS сенсорлары қалай жұмыс істейді? (Оның ішінде Rolling vs Global Shutter)
Әдеттегі CMOS сенсорының жұмысы суретте көрсетілген және төменде көрсетілген. Төмендегі операциялық айырмашылықтар нәтижесінде экспозицияның уақыты мен жұмысы жаһандық және айналмалы ысырма CMOS камералары үшін әр түрлі болатынын ескеріңіз.
Сурет: CMOS сенсорының оқу процесі
ЕСКЕРТУ: CMOS камераларының оқу процесі мәтінде талқыланғандай, «жылжымалы ысырма» және «жаһандық ысырма» камералары арасында ерекшеленеді. Кез келген жағдайда, әрбір пикселде анықталған фотоэлектрондар санына негізделген кернеу тудыратын конденсатор мен күшейткіш бар. Әрбір жол үшін әр бағанға арналған кернеулер цифрлық түрлендіргіштерге баған аналогы бойынша бір уақытта өлшенеді.
Айналмалы жапқыш
1. Жылжымалы ысырма CMOS сенсоры үшін жоғарғы қатардан (немесе бөлгіш камералар үшін орталықтан) сол жолдың экспозициясын бастау үшін жолдан зарядты тазалаңыз.
2. "Желі уақыты" өткеннен кейін (әдетте 5-20 мкс), келесі жолға өтіп, 1-қадамнан бастап бүкіл сенсор ашылғанша қайталаңыз.
3. Әрбір жол үшін зарядтар экспозиция кезінде сол жол экспозиция уақытын аяқтағанша жинақталады. Бірінші басталатын қатар бірінші аяқталады.
4. Бір қатарға экспозиция аяқталғаннан кейін зарядтарды оқу конденсаторы мен күшейткішке тасымалдаңыз.
5. Содан кейін сол жолдағы әрбір күшейткіштегі кернеу ADC бағанына қосылады және сигнал жолдағы әрбір пиксел үшін өлшенеді.
6. Оқу және қалпына келтіру әрекеті аяқталу үшін «сызық уақытын» алады, содан кейін экспозицияны бастайтын келесі жол экспозиция уақытының соңына жетеді және процесс 4-қадамнан қайталанады.
7. Үстіңгі жолды оқу аяқталғаннан кейін, төменгі жол ағымдағы кадрды көрсете бастаған жағдайда, жоғарғы жол келесі кадрдың экспозициясын бастауы мүмкін (қабаттасу режимі). Егер экспозиция уақыты кадр уақытынан қысқа болса, жоғарғы жол төменгі жолдың экспозицияны бастауын күтуі керек. Мүмкін болатын ең қысқа экспозиция әдетте бір жолдық уақыт.
Tucsen's FL 26BW салқындатылған CMOS камерасы, Sony IMX533 сенсоры бар бұл жылжымалы ысырма технологиясын пайдаланады.
Ғаламдық ысырма
1. Сатып алуды бастау үшін заряд бір уақытта бүкіл сенсордан тазартылады (пиксель ұңғымасын жаһандық қалпына келтіру).
2. Экспозиция кезінде заряд жиналады.
3. Экспозицияның соңында жиналған зарядтар әрбір пиксель ішіндегі бүркемеленген шұңқырға жылжытылады, онда олар жаңа анықталған фотондарды санамай-ақ оқуды күте алады. Кейбір камералар осы кезеңде зарядтарды пиксельдік конденсаторға жылжытады.
4. Анықталған зарядтар әрбір пикселдің маскирленген аймағында сақталған кезде, пикселдің белсенді аймағы келесі кадрдың экспозициясын бастауы мүмкін (қабаттасу режимі).
5. Маскаланған аймақтан оқу процесі жылжымалы ысырма датчиктері сияқты жүреді: Бір қатарда датчиктің жоғарғы жағынан зарядтар маскирленген шұңқырдан оқу конденсаторы мен күшейткішіне беріледі.
6. Сол қатардағы әрбір күшейткіштегі кернеу ADC бағанына қосылған, ал сигнал жолдағы әрбір пиксел үшін өлшенеді.
7. Оқу және қалпына келтіру әрекеті аяқталу үшін «жол уақыты» қажет, содан кейін процесс 5-қадамнан кейінгі келесі жол үшін қайталанады.
8. Барлық жолдар оқылғаннан кейін камера келесі кадрды оқуға дайын болады және экспозиция уақыты әлдеқашан өтіп кетсе, процесті 2-қадамнан немесе 3-қадамнан қайталауға болады.
Tucsen's Libra 3412M Mono sCMOS камерасыжылжымалы үлгілерді анық және жылдам түсіруге мүмкіндік беретін жаһандық ысырма технологиясын пайдаланады.
CMOS сенсорларының артықшылықтары мен кемшіліктері
Артықшылықтары
● Жоғары жылдамдықтар: CMOS сенсорлары әдетте CCD немесе EMCCD сенсорларына қарағанда деректерді өткізу қабілеті бойынша 1-2 рет жылдамырақ.
● Үлкенірек сенсорлар: Жылдамырақ деректер өткізу мүмкіндігі жоғарырақ пиксельдер санын және ондаған немесе жүздеген мегапиксельге дейінгі үлкенірек көру өрістерін береді.
● Төмен шу: Кейбір CMOS сенсорлары қосымша шу көздерін қосатын зарядты көбейтуді қажет етпестен EMCCD-мен бәсекелесетін 0,25e- дейін төмен оқу шуына ие болуы мүмкін.
● Пиксель өлшемінің икемділігі: Тұтынушы және смартфон камерасының сенсорлары пиксель өлшемдерін ~1 мкм диапазонға дейін төмендетеді, ал пиксель өлшемі 11 мкм-ге дейінгі ғылыми камералар кең таралған және 16 мкм-ге дейін қолжетімді.
● Қуатты аз тұтыну: CMOS камераларының төмен қуат талаптары оларды ғылыми және өндірістік қолданбалардың кең ауқымында пайдалануға мүмкіндік береді.
● Баға және қызмет ету мерзімі: Төмен деңгейлі CMOS камералары әдетте CCD камераларына ұқсас немесе арзанырақ, ал жоғары сапалы CMOS камералары EMCCD камераларына қарағанда әлдеқайда төмен. Олардың күтілетін қызмет мерзімі EMCCD камерасынан айтарлықтай асып кетуі керек.
Кемшіліктері
● Айналмалы ысырма: Ғылыми CMOS камераларының көпшілігінде тәжірибелік жұмыс процестеріне күрделілік қосатын немесе кейбір қолданбаларды жоққа шығаратын жылжымалы ысырма бар.
● Жоғары қараңғы ағынt: Көптеген CMOS камералары CCD және EMCCD сенсорларына қарағанда әлдеқайда жоғары қараңғы токқа ие, кейде ұзақ экспозицияларда (> 1 секунд) айтарлықтай шу шығарады.
CMOS сенсорлары бүгін қай жерде қолданылады
Әмбебаптығының арқасында CMOS сенсорлары қолданбалардың кең ауқымында кездеседі:
● Тұрмыстық электроника: Смартфондар, веб-камералар, DSLR, экшн-камералар.
● Өмір туралы ғылымдар: CMOS сенсорларының қуатымикроскопиялық камераларфлуоресцентті бейнелеуде және медициналық диагностикада қолданылады.
● Астрономия: Телескоптар мен ғарыштық бейнелеу құрылғылары жоғары ажыратымдылық пен төмен шуыл үшін ғылыми CMOS (sCMOS) жиі пайдаланады.
● Өнеркәсіптік инспекция: Автоматтандырылған оптикалық тексеру (AOI), робототехника жәнежартылай өткізгішті тексеруге арналған камераларжылдамдық пен дәлдік үшін CMOS сенсорларына сеніңіз.
● Автокөлік: Жүргізушіге көмек көрсетудің кеңейтілген жүйелері (ADAS), артқы көрініс және тұрақ камералары.
● Бақылау және қауіпсіздік: Жарық аз және қозғалысты анықтау жүйелері.
Олардың жылдамдығы мен үнемділігі CMOS-ты жоғары көлемді коммерциялық пайдалану үшін де, мамандандырылған ғылыми жұмыстар үшін де негізгі шешімге айналдырады.
Неліктен CMOS қазір заманауи стандарт?
CCD-ден CMOS-қа ауысу бір күнде болған жоқ, бірақ бұл сөзсіз болды. Міне, сондықтан CMOS қазір бейнелеу өнеркәсібінің негізі болып табылады:
● Өндірістік артықшылық: Стандартты жартылай өткізгішті өндіру желілерінде құрастырылған, бұл шығындарды азайтады және ауқымдылықты жақсартады.
● Performance Gains: Айналмалы және жаһандық ысырма опциялары, жақсартылған төмен жарық сезімталдығы және жоғары кадр жиілігі.
● Интеграция және интеллект: CMOS сенсорлары енді чиптегі AI өңдеуді, жиектерді есептеуді және нақты уақыттағы талдауды қолдайды.
● Инновация: жинақталған CMOS, кванттық кескін сенсорлары және қисық сенсорлар сияқты дамып келе жатқан сенсор түрлері CMOS платформаларында құрастырылған.
Смартфондардан бастапғылыми камералар, CMOS бейімделгіш, қуатты және болашаққа дайын екенін дәлелдеді.
Қорытынды
CMOS сенсорлары өнімділік, тиімділік және баға тепе-теңдігінің арқасында көптеген бейнелеу қолданбалары үшін заманауи стандартқа айналды. Күнделікті естеліктерді түсіру немесе жоғары жылдамдықты ғылыми талдау жүргізу болсын, CMOS технологиясы бүгінгі көрнекі әлемнің негізін құрайды.
CMOS жаһандық жапқышы және sCMOS сияқты инновациялар технологияның мүмкіндіктерін кеңейтуді жалғастырғандықтан, оның үстемдігі алдағы жылдарға жалғасады.
Жиі қойылатын сұрақтар
Жылжымалы ысырма мен жаһандық жапқыштың айырмашылығы неде?
Жылдам қозғалатын нысандарды түсіру кезінде қозғалыс артефактілерін (мысалы, қисаю немесе тербеліс) тудыруы мүмкін айналмалы ысырма кескін деректерін сызық бойынша оқиды.
Жаһандық ысырма қозғалыс кезіндегі бұрмалануды жоя отырып, бүкіл кадрды бір уақытта түсіреді. Бұл машиналық көру және ғылыми эксперименттер сияқты жоғары жылдамдықты бейнелеу қолданбалары үшін өте қолайлы.
Жылжымалы ысырма CMOS қабаттасу режимі дегеніміз не?
Айналмалы ысырма CMOS камералары үшін қабаттасу режимінде келесі кадрдың экспозициясы ағымдағы кадр толық аяқталмай тұрып басталуы мүмкін, бұл кадр жиілігін арттыруға мүмкіндік береді. Бұл мүмкін, себебі әрбір жолдың экспозициясы мен оқылуы уақыт бойынша кезеңді болады.
Бұл режим максималды кадр жиілігі мен өткізу қабілеті маңызды болып табылатын қолданбаларда пайдалы, мысалы, жоғары жылдамдықты тексеру немесе нақты уақыттағы бақылау. Дегенмен, ол уақыт пен синхрондау күрделілігін сәл арттыруы мүмкін.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Барлық құқықтар қорғалған. Сілтеме жасаған кезде дереккөзді растаңыз:www.tucsen.com
