2005-08-25Nuo išmaniųjų telefonų iki mokslinių prietaisų – vaizdo jutikliai yra šių dienų vaizdo technologijų pagrindas. Tarp jų CMOS jutikliai tapo dominuojančia jėga, maitinančia viską – nuo kasdienių nuotraukų iki pažangios mikroskopijos ir puslaidininkių tikrinimo.
„Papildomojo metalo oksido puslaidininkio“ (CMOS) technologija – tai elektroninė architektūra ir gamybos procesų technologijų rinkinys, kurio taikymas yra neįtikėtinai platus. Iš tiesų, galima sakyti, kad CMOS technologija yra šiuolaikinio skaitmeninio amžiaus pagrindas.
Kas yra CMOS jutiklis?
CMOS vaizdo jutikliai (CIS) naudoja aktyvius pikselius, tai reiškia, kad kiekviename kameros pikselyje yra trys ar daugiau tranzistorių. CCD ir EMCCD pikseliuose tranzistorių nėra.
Kiekviename pikselyje esantys tranzistoriai leidžia valdyti šiuos „aktyvius“ pikselius, sustiprinti signalus „lauko efekto“ tranzistoriais ir pasiekti jų duomenis – visa tai lygiagrečiai. Vietoj vieno nuskaitymo kelio visam jutikliui arba didelei jutiklio daliai,CMOS kameraapima bent vieną visą nuskaitymo ADC eilę, po vieną (ar daugiau) ADC kiekvienam jutiklio stulpeliui. Kiekvienas iš jų gali vienu metu nuskaityti savo stulpelio reikšmę. Be to, šie „aktyviųjų pikselių“ jutikliai yra suderinami su CMOS skaitmenine logika, todėl padidėja jutiklio funkcionalumo potencialas.
Šios savybės kartu suteikia CMOS jutikliams jų greitį. Vis dėlto, dėl padidėjusio lygiagretumo, atskiri ADC gali ilgiau ir tiksliau išmatuoti aptiktus signalus. Šis ilgesnis konvertavimo laikas leidžia veikti labai tyliai, net ir esant didesniam pikselių skaičiui. Dėl šios ir kitų naujovių CMOS jutiklių skaitymo triukšmas paprastai yra net 5–10 kartų mažesnis nei CCD jutiklių.
Šiuolaikinės mokslinės CMOS (sCMOS) kameros yra specializuotas CMOS potipis, skirtas mažo triukšmo ir didelės spartos vaizdavimui mokslinių tyrimų srityje.
Kaip veikia CMOS jutikliai? (Įskaitant riedantį ir globalų užraktą)
Tipinio CMOS jutiklio veikimas parodytas paveikslėlyje ir aprašytas toliau. Atkreipkite dėmesį, kad dėl toliau nurodytų veikimo skirtumų ekspozicijos laikas ir veikimas skirsis globalaus ir riedančio užrakto CMOS fotoaparatuose.
PASTABA: CMOS kamerų nuskaitymo procesas „riedančio užrakto“ ir „globalaus užrakto“ kamerose skiriasi, kaip aptarta tekste. Abiem atvejais kiekvienas pikselis turi kondensatorių ir stiprintuvą, kurie sukuria įtampą, pagrįstą aptiktų fotoelektronų skaičiumi. Kiekvienoje eilutėje kiekvieno stulpelio įtampa matuojama vienu metu stulpelių analoginiais-skaitmeniniais keitikliais.
Riedantis užraktas
1. CMOS jutiklio su riedančio užrakto sistema atveju, pradedant nuo viršutinės eilės (arba centro, jei jutiklis padalintas į dvi dalis), išvalykite eilės krūvį, kad pradėtumėte tos eilės ekspoziciją.
2. Praėjus „linijos laikui“ (paprastai 5–20 μs), pereikite prie kitos eilutės ir kartokite nuo 1 veiksmo, kol visas jutiklis bus apšviestas.
3. Kiekvienoje eilutėje krūviai kaupiasi ekspozicijos metu, kol baigiasi tos eilutės ekspozicijos laikas. Pirma pradėta eilutė baigsis pirmiausia.
4. Baigus vienos eilutės ekspoziciją, perkelkite krūvius į rodmens kondensatorių ir stiprintuvą.
5. Kiekvieno toje eilutėje esančio stiprintuvo įtampa prijungiama prie stulpelio ADC, o signalas matuojamas kiekvienam eilutės pikseliui.
6. Nuskaitymo ir nustatymo iš naujo operacija užtruks „linijos laiką“, po kurio kita eilutė, skirta pradėti ekspoziciją, pasieks savo ekspozicijos laiko pabaigą ir procesas kartosis nuo 4 veiksmo.
7. Kai tik viršutinės eilutės nuskaitymas bus baigtas, jei apatinė eilutė pradėjo eksponuoti dabartinį kadrą, viršutinė eilutė gali pradėti kito kadro eksponavimą (persidengiamasis režimas). Jei ekspozicijos laikas yra trumpesnis nei kadro laikas, viršutinė eilutė turi palaukti, kol prasidės apatinės eilutės ekspozicija. Trumpiausias galimas eksponavimas paprastai yra vienos eilutės laikas.
„Tucsen“ aušinama CMOS kamera „FL 26BW“, kuriame įdiegtas „Sony IMX533“ jutiklis, naudoja šią riedančio užrakto technologiją.
Visuotinis užraktas
1. Norint pradėti duomenų rinkimą, iš viso jutiklio vienu metu išvalomas krūvis (visuotinis pikselių šulinio atstatymas).
2. Ekspozicijos metu kaupiasi krūvis.
3. Ekspozicijos pabaigoje surinkti krūviai perkeliami į užmaskuotą šulinėlį kiekviename pikselyje, kur jie gali laukti nuskaitymo neskaičiuojant naujai aptiktų fotonų. Kai kurie fotoaparatai šiame etape perkelia krūvius į pikselio kondensatorių.
4. Kai aptikti krūviai išsaugomi kiekvieno pikselio užmaskuotoje srityje, aktyvi pikselio sritis gali pradėti kito kadro ekspoziciją (persidengiamasis režimas).
5. Nuskaitymo iš užmaskuotos srities procesas vyksta taip pat, kaip ir ritininių sklendžių jutiklių atveju: po vieną eilę, nuo jutiklio viršaus, krūviai iš užmaskuotos srities perkeliami į nuskaitymo kondensatorių ir stiprintuvą.
6. Kiekvieno toje eilutėje esančio stiprintuvo įtampa prijungiama prie stulpelio ADC, o signalas matuojamas kiekvienam eilutės pikseliui.
7. Nuskaitymo ir nustatymo iš naujo operacija užtruks „eilutės laiką“, po to procesas bus pakartotas kitai eilutei nuo 5 veiksmo.
8. Nuskaičius visas eilutes, kamera yra pasirengusi nuskaityti kitą kadrą, o procesą galima pakartoti nuo 2 veiksmo arba 3 veiksmo, jei ekspozicijos laikas jau praėjo.
Tucsen Libra 3412M Mono sCMOS kameranaudoja pasaulinę užrakto technologiją, leidžiančią aiškiai ir greitai užfiksuoti judančius mėginius.
CMOS jutiklių privalumai ir trūkumai
Privalumai
● Didesnis greitisCMOS jutikliai paprastai yra 1–2 dydžio eilėmis greitesni duomenų pralaidumo atžvilgiu nei CCD arba EMCCD jutikliai.
● Didesni jutikliaiGreitesnis duomenų pralaidumas leidžia pasiekti didesnį pikselių skaičių ir platesnius matymo laukus – iki dešimčių ar šimtų megapikselių.
● Mažas triukšmo lygisKai kurių CMOS jutiklių nuskaitymo triukšmas gali siekti vos 0,25 e⁻, prilygstantis EMCCD jutikliams, nereikalaujant krūvio dauginimo, kuris pridėtų papildomų triukšmo šaltinių.
● Pikselių dydžio lankstumasVartotojų ir išmaniųjų telefonų kamerų jutikliai sumažina pikselių dydį iki ~1 μm diapazono, o mokslinės kameros, kurių pikselių dydis yra iki 11 μm, yra įprastos, o prieinamos – iki 16 μm.
● Mažesnės energijos sąnaudosMažas CMOS kamerų energijos poreikis leidžia jas naudoti įvairesnėse mokslo ir pramonės srityse.
● Kaina ir eksploatavimo laikasŽemesnės klasės CMOS kameros paprastai kainuoja panašiai arba pigiau nei CCD kameros, o aukštos klasės CMOS kameros yra daug pigesnės nei EMCCD kameros. Jų numatoma tarnavimo trukmė turėtų gerokai viršyti EMCCD kameros tarnavimo laiką.
Trūkumai
● Riedančios sklendėsDauguma mokslinių CMOS kamerų turi riedantį užraktą, kuris gali apsunkinti eksperimentinius darbo eigą arba atmesti kai kurias taikymo sritis.
● Didesnis tamsiųjų current: Dauguma CMOS fotoaparatų turi daug didesnę tamsiąją srovę nei CCD ir EMCCD jutikliai, todėl kartais ilgo išlaikymo metu (> 1 sekundė) atsiranda didelis triukšmas.
Kur šiandien naudojami CMOS jutikliai
Dėl savo universalumo CMOS jutikliai naudojami įvairiose srityse:
● Buitinė elektronikaIšmanieji telefonai, internetinės kameros, veidrodiniai fotoaparatai, veiksmo kameros.
● Gyvybės mokslaiCMOS jutiklių galiamikroskopijos kamerosNaudojamas fluorescencinėje vaizdavimo ir medicininės diagnostikos srityse.
● AstronomijaTeleskopai ir kosminių vaizdų apdorojimo įrenginiai dažnai naudoja mokslinę CMOS (sCMOS) technologiją, kad būtų užtikrinta didelė skiriamoji geba ir mažas triukšmas.
● Pramoninė inspekcijaAutomatizuota optinė patikra (AOI), robotika irpuslaidininkių tikrinimo kamerospasikliaukite CMOS jutikliais, kad būtų užtikrintas greitis ir tikslumas.
● AutomobiliaiPažangios vairuotojo pagalbos sistemos (ADAS), galinio vaizdo ir parkavimo kameros.
● Stebėjimas ir apsaugaPrasto apšvietimo ir judesio aptikimo sistemos.
Dėl savo greičio ir ekonomiškumo CMOS yra tinkamiausias sprendimas tiek didelio masto komerciniam naudojimui, tiek specializuotam moksliniam darbui.
Kodėl CMOS dabar yra modernus standartas
Perėjimas nuo CCD prie CMOS neįvyko per naktį, tačiau buvo neišvengiamas. Štai kodėl CMOS dabar yra vaizdo gavimo pramonės kertinis akmuo:
● Gamybos pranašumasSukurta standartinėse puslaidininkių gamybos linijose, taip sumažinant sąnaudas ir pagerinant mastelio keitimą.
● Našumo padidėjimas: Riedančio ir globalaus užrakto parinktys, patobulintas jautrumas esant silpnam apšvietimui ir didesnis kadrų dažnis.
● Integracija ir išmanumasCMOS jutikliai dabar palaiko dirbtinio intelekto apdorojimą lustuose, periferinius skaičiavimus ir realaus laiko analizę.
● InovacijosNauji jutiklių tipai, tokie kaip sluoksniuoti CMOS, kvantiniai vaizdo jutikliai ir lenkti jutikliai, yra sukurti CMOS platformose.
Nuo išmaniųjų telefonų ikimokslinės kamerosCMOS technologija pasirodė esanti pritaikoma, galinga ir paruošta ateičiai.
Išvada
CMOS jutikliai tapo šiuolaikiniu standartu daugumoje vaizdo gavimo programų dėl savo našumo, efektyvumo ir kainos pusiausvyros. Nesvarbu, ar tai būtų kasdienių prisiminimų fiksavimas, ar greita mokslinė analizė, CMOS technologija yra šių dienų vizualinio pasaulio pagrindas.
Kadangi tokios inovacijos kaip pasaulinė sklendės CMOS ir sCMOS toliau plečia technologijos galimybes, jos dominavimas turėtų išlikti dar daugelį metų.
DUK
Kuo skiriasi riedantis užraktas ir globalus užraktas?
Riedantis užraktas nuskaito vaizdo duomenis eilutė po eilutės, todėl fotografuojant greitai judančius objektus gali atsirasti judesio artefaktų (pvz., iškraipymas ar virpėjimas).
Visuotinis užraktas vienu metu fiksuoja visą kadrą, pašalindamas judesio sukeliamus iškraipymus. Tai idealiai tinka didelės spartos vaizdavimo programoms, tokioms kaip mašininė rega ir moksliniai eksperimentai.
Kas yra riedančio užrakto CMOS persidengimo režimas?
CMOS fotoaparatuose su riedančio užrakto funkcija, persidengimo režimu, kito kadro ekspozicija gali prasidėti dar prieš visiškai užbaigiant dabartinį, todėl galima pasiekti didesnį kadrų dažnį. Tai įmanoma, nes kiekvienos eilutės ekspozicija ir rodmenys yra išskirstyti laike.
Šis režimas naudingas tose srityse, kur itin svarbus maksimalus kadrų dažnis ir pralaidumas, pavyzdžiui, atliekant didelės spartos patikrą arba stebint realiuoju laiku. Tačiau jis gali šiek tiek padidinti laiko nustatymo ir sinchronizavimo sudėtingumą.
