25.08.05.No viedtālruņiem līdz zinātniskiem instrumentiem, attēlu sensori ir mūsdienu vizuālo tehnoloģiju pamatā. Starp tiem CMOS sensori ir kļuvuši par dominējošo spēku, nodrošinot darbināšanu visam, sākot no ikdienas fotogrāfijām līdz pat progresīvai mikroskopijai un pusvadītāju pārbaudei.
“Komplementārā metāla oksīda pusvadītāja” (CMOS) tehnoloģija ir elektroniska arhitektūra un ražošanas procesu tehnoloģiju kopums, kura pielietojums ir neticami plašs. Patiešām, varētu teikt, ka CMOS tehnoloģija ir mūsdienu digitālā laikmeta pamatā.
Kas ir CMOS sensors?
CMOS attēla sensori (CIS) izmanto aktīvos pikseļus, kas nozīmē trīs vai vairāku tranzistoru izmantošanu katrā kameras pikselī. CCD un EMCCD pikseļi nesatur tranzistorus.
Katra pikseļa tranzistori ļauj kontrolēt šos "aktīvos" pikseļus, pastiprināt signālus, izmantojot "lauka efekta" tranzistorus, un piekļūt to datiem, un tas viss notiek paralēli. Viena nolasīšanas ceļa vietā visam sensoram vai ievērojamai sensora daļai, aCMOS kameraietver vismaz vienu veselu nolasīšanas ADC rindu, vienu (vai vairākus) ADC katrai sensora kolonnai. Katrs no tiem var vienlaikus nolasīt savas kolonnas vērtību. Turklāt šie "aktīvo pikseļu" sensori ir saderīgi ar CMOS digitālo loģiku, palielinot sensora funkcionalitātes potenciālu.
Kopā šīs īpašības nodrošina CMOS sensoru ātrumu. Tomēr, pateicoties šim paralēlisma pieaugumam, atsevišķi ADC spēj ilgāk izmērīt savus uztvertos signālus ar lielāku precizitāti. Šie ilgākie pārveidošanas laiki nodrošina ļoti zemu trokšņu līmeni pat pie lielāka pikseļu skaita. Pateicoties tam un citiem jauninājumiem, CMOS sensoru lasīšanas troksnis parasti ir pat 5–10 reizes zemāks nekā CCD sensoriem.
Mūsdienu zinātniskās CMOS (sCMOS) kameras ir specializēts CMOS apakštips, kas paredzēts zema trokšņa un ātrdarbīgai attēlveidošanai pētniecības lietojumprogrammās.
Kā darbojas CMOS sensori? (Ieskaitot ritošo aizslēgu un globālo aizslēgu)
Tipiska CMOS sensora darbība ir parādīta attēlā un ieskicēta zemāk. Ņemiet vērā, ka zemāk minēto darbības atšķirību dēļ ekspozīcijas laiks un darbība globālā un ritošā slēdža CMOS kamerām atšķirsies.
Attēls: CMOS sensora nolasīšanas process
PIEZĪMECMOS kameru nolasīšanas process atšķiras starp "ritošā slēdža" un "globālā slēdža" kamerām, kā aprakstīts tekstā. Abos gadījumos katrs pikselis satur kondensatoru un pastiprinātāju, kas rada spriegumu, pamatojoties uz noteikto fotoelektronu skaitu. Katrā rindā spriegumus katrā kolonnā vienlaikus mēra kolonnu analogciparu pārveidotāji.
Ritošā slēģa
1. CMOS sensoram ar slīdošo slēdzi, sākot no augšējās rindas (vai centra kamerām ar dalītu sensoru), notīriet lādiņu no rindas, lai sāktu šīs rindas ekspozīciju.
2. Pēc “līnijas laika” beigām (parasti 5–20 μs) pārejiet uz nākamo rindu un atkārtojiet darbības, sākot ar 1. darbību, līdz viss sensors ir eksponēts.
3. Katrai rindai ekspozīcijas laikā uzkrājas lādiņi, līdz rinda ir pabeigusi savu ekspozīcijas laiku. Pirmā rinda, kas sākusies, pabeigs pirmā.
4. Kad rindas ekspozīcija ir pabeigta, pārnesiet lādiņus uz nolasīšanas kondensatoru un pastiprinātāju.
5. Pēc tam katra pastiprinātāja spriegums šajā rindā tiek savienots ar kolonnas ADC, un signāls tiek mērīts katram pikselim rindā.
6. Nolasīšanas un atiestatīšanas darbībai būs nepieciešams “rindas laiks”, pēc kura nākamā rinda, kas sāks ekspozīciju, būs sasniegusi savas ekspozīcijas laika beigas, un process tiks atkārtots, sākot ar 4. darbību.
7. Tiklīdz augšējās rindas nolasīšana ir pabeigta, ja apakšējā rinda ir sākusi pašreizējā kadra eksponēšanu, augšējā rinda var sākt nākamā kadra ekspozīciju (pārklāšanās režīms). Ja ekspozīcijas laiks ir īsāks par kadra laiku, augšējai rindai jāgaida, līdz apakšējā rinda sāk ekspozīciju. Īsākais iespējamais ekspozīcijas laiks parasti ir vienas rindas laiks.
Tucsen FL 26BW dzesējamā CMOS kamera, kurā ir Sony IMX533 sensors, izmanto šo ritošā slēdža tehnoloģiju.
Globālā aizvara
1. Lai sāktu datu iegūšanu, vienlaikus no visa sensora tiek noņemts lādiņš (pikseļu iedobes globāla atiestatīšana).
2. Iedarbības laikā uzkrājas lādiņš.
3. Ekspozīcijas beigās savāktie lādiņi tiek pārvietoti uz maskētu iedobi katrā pikselī, kur tie var gaidīt nolasīšanu, neskaitot jaunus detektētos fotonus. Dažas kameras šajā posmā pārvieto lādiņus pikseļa kondensatorā.
4. Kad katra pikseļa maskētajā zonā ir saglabāti noteiktie lādiņi, pikseļa aktīvajā zonā var sākt nākamā kadra ekspozīciju (pārklāšanās režīms).
5. Nolasīšanas process no maskētās zonas notiek tāpat kā ritošā slēģa sensoriem: pa vienai rindai, sākot no sensora augšdaļas, lādiņi tiek pārnesti no maskētās akas uz nolasīšanas kondensatoru un pastiprinātāju.
6. Katra pastiprinātāja spriegums šajā rindā tiek savienots ar kolonnas ADC, un signāls tiek mērīts katram pikselim šajā rindā.
7. Nolasīšanas un atiestatīšanas darbība prasīs “rindas laiku”, pēc tam process atkārtosies nākamajai rindai no 5. darbības.
8. Kad visas rindas ir nolasītas, kamera ir gatava nolasīt nākamo kadru, un procesu var atkārtot no 2. darbības vai 3. darbības, ja ekspozīcijas laiks jau ir pagājis.
Tucsen Libra 3412M Mono sCMOS kameraizmanto globālo slēdža tehnoloģiju, kas nodrošina skaidru un ātru kustīgu paraugu uztveršanu.
CMOS sensoru plusi un mīnusi
Plusi
● Lielāks ātrumsCMOS sensoru datu caurlaidspēja parasti ir par 1 līdz 2 lieluma kārtām lielāka nekā CCD vai EMCCD sensoriem.
● Lielāki sensoriĀtrāka datu caurlaidspēja nodrošina lielāku pikseļu skaitu un plašākus redzeslaukus, līdz pat desmitiem vai simtiem megapikseļu.
● Zems trokšņa līmenisDažiem CMOS sensoriem var būt pat 0,25e⁻ nolasīšanas troksnis, kas konkurē ar EMCCD, bez nepieciešamības veikt lādiņa reizināšanas, kas pievienotu papildu trokšņa avotus.
● Pikseļu izmēra elastībaPatērētāju un viedtālruņu kameru sensori samazina pikseļu izmērus līdz ~1 μm diapazonam, un zinātniskās kameras ar pikseļu izmēru līdz 11 μm ir izplatītas, un ir pieejamas kameras ar pikseļu izmēru līdz 16 μm.
● Zemāks enerģijas patēriņšCMOS kameru zemā enerģijas patēriņa prasības ļauj tās izmantot plašākā zinātnisko un rūpniecisko pielietojumu klāstā.
● Cena un kalpošanas laiksZemākās klases CMOS kameras parasti maksā līdzīgi vai lētāk nekā CCD kameras, savukārt augstākās klases CMOS kameras maksā daudz lētāk nekā EMCCD kameras. To paredzamais kalpošanas laiks ievērojami pārsniegs EMCCD kameras kalpošanas laiku.
Mīnusi
● Rullveida slēģisLielākajai daļai zinātnisko CMOS kameru ir slīdošais slēdzis, kas var sarežģīt eksperimentālās darbplūsmas vai izslēgt dažas lietojumprogrammas.
● Augstāka tumšā krāsvielat: Lielākajai daļai CMOS kameru ir daudz lielāka tumšā strāva nekā CCD un EMCCD sensoriem, kas dažreiz rada ievērojamu troksni pie ilgas ekspozīcijas (> 1 sekunde).
Kur mūsdienās tiek izmantoti CMOS sensori
Pateicoties to daudzpusībai, CMOS sensori tiek izmantoti plašā spektrā:
● Patēriņa elektronikaViedtālruņi, tīmekļa kameras, digitālās spoguļkameras, sporta kameras.
● Dzīvības zinātnesCMOS sensoru jaudamikroskopijas kamerasizmanto fluorescences attēlveidošanā un medicīniskajā diagnostikā.
● AstronomijaTeleskopi un kosmosa attēlveidošanas ierīces bieži izmanto zinātnisko CMOS (sCMOS), lai nodrošinātu augstu izšķirtspēju un zemu trokšņu līmeni.
● Rūpnieciskā inspekcijaAutomatizēta optiskā pārbaude (AOI), robotika unkameras pusvadītāju pārbaudeiPaļaujieties uz CMOS sensoriem ātruma un precizitātes ziņā.
● AutomobiļuUzlabotas vadītāja palīdzības sistēmas (ADAS), atpakaļskata kamera un parkošanās kamera.
● Novērošana un drošībaVāja apgaismojuma un kustības noteikšanas sistēmas.
To ātrums un izmaksu efektivitāte padara CMOS par labāko risinājumu gan liela apjoma komerciālai lietošanai, gan specializētam zinātniskam darbam.
Kāpēc CMOS tagad ir mūsdienu standarts
Pāreja no CCD uz CMOS nenotika vienas nakts laikā, taču tā bija neizbēgama. Lūk, kāpēc CMOS tagad ir attēlveidošanas nozares stūrakmens:
● Ražošanas priekšrocībaIzgatavots uz standarta pusvadītāju ražošanas līnijām, samazinot izmaksas un uzlabojot mērogojamību.
● Veiktspējas uzlabojumiRitošā un globālā slēdža opcijas, uzlabota jutība vājā apgaismojumā un lielāks kadru nomaiņas ātrums.
● Integrācija un intelektsCMOS sensori tagad atbalsta mikroshēmā iebūvētu mākslīgā intelekta apstrādi, perifērijas skaitļošanu un reāllaika analīzi.
● InovācijaJaunie sensoru veidi, piemēram, sakrautie CMOS sensori, kvantu attēlu sensori un izliektie sensori, tiek veidoti uz CMOS platformām.
No viedtālruņiem līdzzinātniskās kamerasCMOS tehnoloģija ir pierādījusi sevi kā pielāgojamu, jaudīgu un nākotnes prasībām atbilstošu tehnoloģiju.
Secinājums
CMOS sensori ir kļuvuši par mūsdienu standartu lielākajai daļai attēlveidošanas lietojumprogrammu, pateicoties to veiktspējas, efektivitātes un izmaksu līdzsvaram. Neatkarīgi no tā, vai tiek iemūžinātas ikdienas atmiņas vai veikta ātrdarbīga zinātniskā analīze, CMOS tehnoloģija nodrošina pamatu mūsdienu vizuālajai pasaulei.
Tā kā tādas inovācijas kā globālā slēdža CMOS un sCMOS turpina paplašināt tehnoloģijas iespējas, tās dominance, domājams, turpināsies vēl gadiem ilgi.
Bieži uzdotie jautājumi
Kāda ir atšķirība starp slīdošo slēģi un globālo slēģi?
Ritošā slēdža funkcija nolasa attēla datus rindiņu pa rindiņai, kas, uzņemot ātri kustīgus objektus, var izraisīt kustības artefaktus (piemēram, šķību vai vibrāciju).
Globālais slēdzis vienlaikus uztver visu kadru, novēršot kustības radītos kropļojumus. Tas ir ideāli piemērots ātrdarbīgām attēlveidošanas lietojumprogrammām, piemēram, mašīnredzei un zinātniskiem eksperimentiem.
Kas ir ritošā slēdža CMOS pārklāšanās režīms?
CMOS kamerām ar slīdošo aizslēgu pārklāšanās režīmā nākamā kadra ekspozīcija var sākties pirms pašreizējā kadra pilnīgas pabeigšanas, kas ļauj sasniegt lielāku kadru ātrumu. Tas ir iespējams, jo katras rindas ekspozīcija un nolasīšana ir nobīdīta laikā.
Šis režīms ir noderīgs lietojumprogrammās, kurās kritiski svarīgs ir maksimālais kadru ātrums un caurlaidspēja, piemēram, ātrgaitas pārbaudē vai reāllaika izsekošanā. Tomēr tas var nedaudz palielināt laika noteikšanas un sinhronizācijas sarežģītību.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Visas tiesības aizsargātas. Citējot, lūdzu, norādiet avotu:www.tucsen.com
