25/08/05Vu Smartphones bis zu wëssenschaftlechen Instrumenter sinn Bildsensore den Zentrum vun der haiteger visueller Technologie. Dorënner sinn CMOS-Sensore zur dominanter Kraaft ginn a bedreiwen alles, vun alldeegleche Fotoen bis hin zu fortgeschrattener Mikroskopie an Hallefleederinspektioun.
D'Technologie vum 'Complementary Metal Oxide Semiconductor' (CMOS) ass eng elektronesch Architektur an e Set vu Fabrikatiounsprozesstechnologien, deenen hir Uwendungen immens breet gefächert sinn. Tatsächlech kéint een soen, datt d'CMOS-Technologie d'Basis vum modernen digitalen Zäitalter ass.
Wat ass e CMOS-Sensor?
CMOS-Bildsensoren (CIS) benotzen aktiv Pixelen, dat heescht d'Benotzung vun dräi oder méi Transistoren an all Pixel vun der Kamera. CCD- an EMCCD-Pixelen enthalen keng Transistoren.
D'Transistoren an all Pixel erméiglechen et, dës 'aktiv' Pixelen parallel ze kontrolléieren, Signaler duerch 'Feldeffekt'-Transistoren ze verstäerken an op hir Donnéeën zouzegräifen. Amplaz vun engem eenzege Lieswee fir e ganze Sensor oder e wesentlechen Deel vun engem Sensor, gëtt e ...CMOS-Kameraenthält mindestens eng ganz Rei vun ausliesenden ADCs, een (oder méi) ADC fir all Kolonn vum Sensor. Jidderee vun dësen kann de Wäert vun senger Kolonn gläichzäiteg ausliesen. Ausserdeem sinn dës 'aktiv Pixel'-Sensore kompatibel mat CMOS digitaler Logik, wat d'potenziell Sensorfunktionalitéit erhéicht.
Zesumme ginn dës Qualitéite CMOS-Sensoren hir Geschwindegkeet. Trotz dëser Erhéijung vum Parallelismus kënnen eenzel ADCs awer méi laang brauchen, fir hir detektéiert Signaler mat méi Genauegkeet ze moossen. Dës méi laang Konversiounszäiten erlaben e ganz geräischere Betrib, och bei méi héije Pixelzuelen. Dank dësem an aneren Innovatiounen ass de Liesgeräisch vu CMOS-Sensoren normalerweis bis zu 5x - 10x méi niddreg wéi dee vu CCDs.
Modern wëssenschaftlech CMOS-Kameraen (sCMOS) sinn en spezialiséierten Ënnertyp vu CMOS, dee fir Bildgebung mat gerénger Rausch an héijer Geschwindegkeet a Fuerschungsapplikatioune geduecht ass.
Wéi funktionéieren CMOS-Sensoren? (Inklusiv Rolling Shutter vs. Global Shutter)
D'Funktiounsweis vun engem typesche CMOS-Sensor gëtt an der Figur gewisen a gëtt hei ënnendrënner beschriwwen. Bedenkt datt als Resultat vun den operationellen Ënnerscheeder hei ënnendrënner den Timing an d'Funktioun vun der Beliichtung fir global vs. Rolling Shutter CMOS-Kameraen ënnerschiddlech sinn.
NOTÉIERT: Den Ausliesprozess fir CMOS-Kameraen ënnerscheet sech tëscht 'Rolling Shutter'- a 'Global Shutter'-Kameraen, wéi am Text diskutéiert. An deenen zwou Fäll enthält all Pixel e Kondensator an e Verstärker, déi eng Spannung baséiert op der detektéierter Photoelektronenzuel produzéieren. Fir all Zeil ginn d'Spannungen fir all Kolonn gläichzäiteg duerch Analog-Digital-Konverter vun der Kolonn gemooss.
Rolllueden
1. Fir e Rolling Shutter CMOS Sensor, fänkt un der ieweschter Rei (oder an der Mëtt fir Splitsensor Kameraen) un, an huelt d'Ladung aus der Rei ewech, fir d'Beliichtung vun där Rei unzefänken.
2. Nodeems d''Linnzäit'' ofgelaf ass (typescherweis 5-20 μs), gitt op déi nächst Zeil a widderhuelt vu Schrëtt 1, bis de ganze Sensor fräigeluecht ass.
3. Fir all Rei sammelen sech Ladungen während der Beliichtung un, bis déi Rei hir Beliichtungzäit ofgeschloss huet. Déi éischt Rei, déi ufänkt, gëtt als éischt fäerdeg.
4. Soubal d'Beliichtung fir eng Rei fäerdeg ass, transferéiert d'Ladungen op den Auslieskondensator an den Verstärker.
5. D'Spannung an all Verstärker an där Rei gëtt dann un den ADC vun der Kolonn ugeschloss, an d'Signal gëtt fir all Pixel an der Rei gemooss.
6. D'Ausliesen an d'Reset-Operatioun dauert d'"Linnzäit", duerno huet déi nächst Zeil, déi d'Beliichtung ufänkt, d'Enn vun hirer Beliichtungszäit erreecht, an de Prozess gëtt vu Schrëtt 4 widderholl.
7. Soubal d'Ausliesung fir déi iewescht Zeil fäerdeg ass, virausgesat datt déi ënnescht Zeil ugefaangen huet den aktuellen Bild ze beliichten, kann déi iewescht Zeil d'Beliichtung vum nächste Bild starten (Iwwerlappungsmodus). Wann d'Beliichtungszäit méi kuerz ass wéi d'Bildzäit, muss déi iewescht Zeil waarde bis déi ënnescht Zeil mat der Beliichtung ufänkt. Déi kuerst méiglech Beliichtung ass typescherweis eng Zeilzäit.
Tucsen seng FL 26BW gekillte CMOS Kamera, mat dem Sony IMX533 Sensor, benotzt dës Rolling Shutter Technologie.
Globale Shutter
1. Fir d'Erfassung unzefänken, gëtt d'Ladung gläichzäiteg vum ganze Sensor geläscht (globale Reset vum Pixelwell).
2. Ladung sammelt sech während der Beliichtung un.
3. Um Enn vun der Beliichtung ginn déi gesammelt Ladungen an eng maskéiert Quell an all Pixel geréckelt, wou se op d'Ausliesung waarden kënnen, ouni datt nei detektéiert Photonen gezielt ginn. Verschidde Kamerae beweegen Ladungen an dëser Phas an de Pixelkondensator.
4. Wann déi detektéiert Ladungen am maskéierte Beräich vun all Pixel gespäichert sinn, kann den aktiven Beräich vum Pixel d'Beliichtung vum nächste Bild ufänken (Iwwerlappungsmodus).
5. De Prozess vum Ausliesen aus dem maskéierte Beräich verleeft wéi bei Rolling Shutter-Sensoren: Eng Rei no der anerer, vun uewen um Sensor, ginn d'Ladungen aus dem maskéierte Schacht op den Auslieskondensator an den Verstärker iwwerdroen.
6. D'Spannung an all Verstärker an där Rei gëtt un den ADC vun der Kolonn ugeschloss, an d'Signal gëtt fir all Pixel an der Rei gemooss.
7. D'Ausliesen an d'Reset-Operatioun brauch d'"Linnzäit", duerno widderhëlt sech de Prozess fir déi nächst Zeil vu Schrëtt 5.
8. Soubal all Reien gelies sinn, ass d'Kamera prett fir den nächste Bild ze liesen, an de Prozess kann vu Schrëtt 2 oder Schrëtt 3 widderholl ginn, wann d'Beliichtungszäit schonn ofgelaf ass.
Tucsen seng Libra 3412M Mono sCMOS Kamerabenotzt global Shutter-Technologie, déi eng kloer a séier Opnam vu bewegende Proben erméiglecht.
Vir- an Nodeeler vu CMOS-Sensoren
Virdeeler
● Méi héich GeschwindegkeetenCMOS-Sensore si typescherweis 1 bis 2 Gréisstenuerdnungen méi séier wat den Datenduerchgank ugeet wéi CCD- oder EMCCD-Sensore.
● Méi grouss SensorenE méi schnelle Datenduerchgank erméiglecht eng méi héich Pixelzuel a méi grouss Siichtfelder, bis zu Zénger oder Honnerte vu Megapixelen.
● GeräischerarmVerschidde CMOS-Sensore kënnen e Liesrauschen vun esou niddreger wéi 0,25e- hunn, wat mat EMCCDs konkurréiert, ouni datt eng Ladungsmultiplikatioun néideg ass, déi zousätzlech Rauschenquellen derbäisetzt.
● Flexibilitéit vun der PixelgréisstKonsumenten- a Smartphone-Kamerasensore reduzéieren d'Pixelgréissten op ~1 μm, a wëssenschaftlech Kamerae mat enger Pixelgréisst vu bis zu 11 μm si üblech, a bis zu 16 μm sinn verfügbar.
● Méi niddrege StroumverbrauchDe niddrege Stroumverbrauch vu CMOS-Kameraen erméiglecht et hinnen, an enger méi breeder Palette vu wëssenschaftlechen an industriellen Uwendungen ze benotzen.
● Präis a LiewensdauerCMOS-Kamerae vun ënneschter Qualitéit si meeschtens ähnlech wéi CCD-Kamerae oder méi bëlleg wéi se, an CMOS-Kamerae vun héijer Qualitéit si vill méi bëlleg wéi EMCCD-Kamerae. Hir erwaart Liewensdauer sollt déi vun enger EMCCD-Kamera däitlech iwwerschreiden.
Nodeeler
● RollluedenDéi meescht wëssenschaftlech CMOS-Kameraen hunn e Rolling Shutter, wat experimentell Workflows méi komplex maache kann oder verschidden Uwendungen ausschléissen kann.
● Méi héijen donkelen Stroumt: Déi meescht CMOS-Kameraen hunn e vill méi héijen Däischterstroum wéi CCD- an EMCCD-Sensoren, a verursaachen heiansdo bei laangen Beliichtungszäiten (> 1 Sekonn) bedeitend Rauschen.
Wou CMOS Sensoren haut benotzt ginn
Dank hirer Villfältegkeet ginn CMOS-Sensore an enger breeder Palette vun Uwendungen fonnt:
● KonsumentelektronikSmartphones, Webcams, DSLRs, Actionkameraen.
● LiewenswëssenschaftenStroumversuergung vun de CMOS-SensorenMikroskopiekameraenan der Fluoreszenzbildgebung a medizinescher Diagnostik benotzt.
● AstronomieTeleskope an Weltraumbildgebungsgeräter benotzen dacks wëssenschaftlecht CMOS (sCMOS) fir héich Opléisung a wéineg Rauschen.
● Industriell InspektiounAutomatiséiert optesch Inspektioun (AOI), Robotik, anKameraen fir d'Inspektioun vu HallefleederVertraut op CMOS-Sensoren fir Geschwindegkeet a Genauegkeet.
● AutomobilindustrieFortgeschratt Fuererhëllefssystemer (ADAS), Réckwärts- a Parkkameraen.
● Iwwerwaachung & SécherheetSystemer fir schlecht Liicht a Bewegungserkennung.
Hir Geschwindegkeet a Käschteeffizienz maachen CMOS zur idealer Léisung souwuel fir kommerziell Notzung a grousse Quantitéiten ewéi och fir spezialiséiert wëssenschaftlech Aarbecht.
Firwat CMOS elo de modernen Standard ass
De Wiessel vu CCD op CMOS ass net iwwer Nuecht geschitt, awer e war inévitabel. Hei ass firwat CMOS elo de Grondstee vun der Bildgebungsindustrie ass:
● ProduktiounsvirdeelGebaut op Standard-Hallefleeder-Fabrikatiounslinnen, wat Käschte reduzéiert an d'Skalierbarkeet verbessert.
● Leeschtungsgewënn: Rolling- a global Shutter-Optiounen, verbessert Empfindlechkeet bei niddregem Liicht a méi héich Bildfrequenzen.
● Integratioun & IntelligenzCMOS-Sensoren ënnerstëtzen elo On-Chip KI-Veraarbechtung, Edge Computing a Echtzäitanalyse.
● InnovatiounNei Sensortypen wéi gestapelte CMOS, Quanta-Bildsensoren a gekrëmmte Sensoren sinn op CMOS-Plattforme gebaut.
Vun Smartphones biswëssenschaftlech Kameraen, CMOS huet sech als adaptéierbar, leeschtungsfäeg a zukunftsfäeg bewisen.
Conclusioun
CMOS-Sensore hunn sech zum modernen Standard fir déi meescht Bildgebungsapplikatiounen entwéckelt, dank hirem Gläichgewiicht tëscht Leeschtung, Effizienz a Käschten. Egal ob et drëm geet, alldeeglech Erënnerungen ze erfassen oder wëssenschaftlech Analysen mat héijer Geschwindegkeet duerchzeféieren, d'CMOS-Technologie bitt d'Grondlag fir déi haiteg visuell Welt.
Well Innovatiounen wéi Global Shutter CMOS an sCMOS d'Méiglechkeeten vun der Technologie weider ausbauen, wäert hir Dominanz an de kommende Jore weidergoen.
FAQs
Wat ass den Ënnerscheed tëscht engem Rolling Shutter an engem Global Shutter?
E Rolling Shutter liest d'Bilddaten Zeil fir Zeil aus, wat Bewegungsartefakte (z.B. Verzerrung oder Wackelen) verursaache kann, wann een sech séier bewegend Sujeten ophëlt.
E globale Shutter fängt de ganze Bild gläichzäiteg op a eliminéiert Verzerrung duerch Bewegung. Et ass ideal fir Héichgeschwindegkeetsbildgebungsapplikatiounen wéi Maschinnvisioun a wëssenschaftlech Experimenter.
Wat ass de Rolling Shutter CMOS Iwwerlappungsmodus?
Bei Rolling Shutter CMOS Kameraen kann am Iwwerlappungsmodus d'Beliichtung vum nächste Bild ufänken, ier deen aktuellen komplett fäerdeg ass, wat méi héich Bildfrequenzen erméiglecht. Dëst ass méiglech, well d'Beliichtung an d'Ausliesung vun all Zeil an der Zäit verréckelt sinn.
Dëse Modus ass nëtzlech an Uwendungen, wou maximal Bildfrequenz an Duerchgank entscheedend sinn, wéi zum Beispill bei High-Speed-Inspektiounen oder Echtzäit-Tracking. Allerdéngs kann en d'Komplexitéit vum Timing an der Synchroniséierung liicht erhéijen.
