25/08/05Од паметни телефони до научни инструменти, сензорите за слика се во срцето на денешната визуелна технологија. Меѓу нив, CMOS сензорите станаа доминантна сила, напојувајќи сè, од секојдневни фотографии до напредна микроскопија и инспекција на полупроводници.
Технологијата „комплементарни метални оксидни полупроводници“ (CMOS) е електронска архитектура и збир на технологии за производствени процеси чии примени се неверојатно широки. Всушност, може да се каже дека CMOS технологијата е основа на современото дигитално доба.
Што е CMOS сензор?
CMOS сензорите за слика (CIS) користат активни пиксели, што значи дека се користат три или повеќе транзистори во секој пиксел на камерата. CCD и EMCCD пикселите не содржат транзистори.
Транзисторите во секој пиксел овозможуваат паралелно контролирање на овие „активни“ пиксели, засилување на сигналите преку транзистори со „ефект на поле“ и пристап до нивните податоци. Наместо единствена патека за читање за целиот сензор или значаен дел од сензорот,CMOS камеравклучува барем еден цел ред аналогни конвертори за читање, еден (или повеќе) аналогни конвертори за секоја колона од сензорот. Секој од нив може истовремено да ја чита вредноста на својата колона. Понатаму, овие сензори со „активни пиксели“ се компатибилни со CMOS дигиталната логика, зголемувајќи ја потенцијалната функционалност на сензорот.
Заедно, овие квалитети им ја даваат брзината на CMOS сензорите. Сепак, благодарение на ова зголемување на паралелизмот, на поединечните аналогно-дигитални конвертори им е потребно подолго време за да ги измерат своите детектирани сигнали со поголема точност. Овие подолги времиња на конверзија овозможуваат работа со многу низок шум, дури и за поголем број пиксели. Благодарение на ова и други иновации, шумот за читање на CMOS сензорите има тенденција да биде дури 5x - 10x помал од оној на CCD сензорите.
Современите научни CMOS (sCMOS) камери се специјализиран подтип на CMOS дизајниран за снимање со низок шум и голема брзина во истражувачки апликации.
Како функционираат CMOS сензорите? (Вклучувајќи го и ротирачкото наспроти глобалното затворање на блендата)
Работата на типичен CMOS сензор е прикажана на сликата и е наведена подолу. Забележете дека како резултат на оперативните разлики подолу, времето и работата на експозицијата ќе се разликуваат за CMOS камери со глобален затворач наспроти CMOS камери со ротационен затворач.
Слика: Процес на отчитување за CMOS сензор
ЗАБЕЛЕШКАПроцесот на отчитување за CMOS камерите се разликува помеѓу камерите со „ролинг-блендер“ и „глобален-блендер“, како што е објаснето во текстот. Во двата случаи, секој пиксел содржи кондензатор и засилувач кои произведуваат напон врз основа на детектираниот број на фотоелектрони. За секој ред, напоните за секоја колона се мерат истовремено со аналогно-дигитални конвертори на колони.
Ролинг-ролет
1. За CMOS сензор со ролетна бленда, почнувајќи од горниот ред (или центарот за камери со поделен сензор), отстранете го полнежот од редот за да започнете со експозицијата на тој ред.
2. Откако ќе истече „времето на линијата“ (обично 5-20 μs), преминете на следниот ред и повторете од чекор 1, сè додека целиот сензор не се експонира.
3. За секој ред, полнежите се акумулираат за време на експозицијата, сè додека тој ред не го заврши своето време на експозиција. Првиот ред што ќе започне ќе заврши прв.
4. Откако ќе заврши експозицијата за еден ред, префрлете ги полнежите до кондензаторот за отчитување и засилувачот.
5. Напонот во секој засилувач во тој ред потоа се поврзува со аналогно-дигиталниот конвертор на колоната, а сигналот се мери за секој пиксел во редот.
6. Операцијата за отчитување и ресетирање ќе трае „времето на линијата“, по што следниот ред за започнување на експозицијата ќе го достигне крајот на своето време на експозиција, а процесот ќе се повтори од чекор 4.
7. Штом ќе заврши отчитувањето за горниот ред, под услов долниот ред да започнал со експозиција на тековниот кадар, горниот ред може да ја започне експозицијата на следниот кадар (режим на преклопување). Ако времето на експозиција е пократко од времето на кадарот, горниот ред мора да почека долниот ред да ја започне експозицијата. Најкратката можна експозиција е обично време од еден ред.
CMOS камера со ладење FL 26BW од Тусен, со сензорот Sony IMX533, ја користи оваа технологија на ролетна бленда.
Глобален затворач
1. За да започне снимањето, полнењето се брише истовремено од целиот сензор (глобално ресетирање на пикселната бунарница).
2. Полнежот се акумулира за време на експозицијата.
3. На крајот од експозицијата, собраните полнежи се преместуваат во маскирана дупка во секој пиксел, каде што можат да чекаат отчитување без да се бројат нови детектирани фотони. Некои камери ги преместуваат полнежите во кондензаторот на пикселите во оваа фаза.
4. Со детектираните полнежи складирани во маскираната област на секој пиксел, активната област на пикселот може да ја започне експозицијата на следниот кадар (режим на преклопување).
5. Процесот на отчитување од маскираната област продолжува како кај сензорите со ролетни: Ред по ред, од врвот на сензорот, полнежите се пренесуваат од маскираната дупка до кондензаторот за отчитување и засилувачот.
6. Напонот во секој засилувач во тој ред е поврзан со аналогно-контролерот на колоната, а сигналот се мери за секој пиксел во редот.
7. Операцијата за отчитување и ресетирање ќе одземе „време на линијата“ за да се заврши, по што процесот ќе се повтори за следниот ред од чекор 5.
8. Откако ќе се прочитаат сите редови, камерата е подготвена да го прочита следниот кадар, а процесот може да се повтори од чекор 2 или чекор 3 ако времето на експозиција веќе е истечено.
Моно sCMOS камера Libra 3412M од ТусенКористи глобална технологија на затворач, овозможувајќи јасно и брзо снимање на подвижни примероци.
Предности и недостатоци на CMOS сензорите
Професионалци
● Поголеми брзиниCMOS сензорите обично се 1 до 2 реда на големина побрзи во пропусниот опсег на податоци од CCD или EMCCD сензорите.
● Поголеми сензориПобрзиот проток на податоци овозможува поголем број на пиксели и поголеми видни полиња, до десетици или стотици мегапиксели.
● Низок шумНекои CMOS сензори можат да имаат шум при читање од само 0,25e-, конкурирајќи со EMCCD без потреба од множење на полнежот, што додава дополнителни извори на шум.
● Флексибилност на големината на пикселитеСензорите за камери на потрошувачите и паметните телефони ги намалуваат големините на пикселите до опсег од ~1 μm, а вообичаени се и научни камери со големина на пиксел до 11 μm, а достапни се и до 16 μm.
● Помала потрошувачка на енергијаНиските потреби за енергија на CMOS камерите им овозможуваат употреба во поширок спектар на научни и индустриски апликации.
● Цена и животен векCMOS камерите од пониска класа обично се слични или пониски по цена како CCD камерите, а CMOS камерите од повисок квалитет се многу пониски по цена од EMCCD камерите. Нивниот очекуван век на траење треба значително да го надмине оној на EMCCD камерата.
Недостатоци
● Ролат-ролетПоголемиот дел од научните CMOS камери имаат ролетна бленда, што може да додаде сложеност на експерименталните работни процеси или да исклучи некои апликации.
● Повисока темна струјаt: Повеќето CMOS камери имаат многу поголема темна струја од CCD и EMCCD сензорите, понекогаш внесувајќи значителен шум при долги експозиции (> 1 секунда).
Каде се користат CMOS сензори денес
Благодарение на нивната разновидност, CMOS сензорите се наоѓаат во широк спектар на апликации:
● Потрошувачка електроникаПаметни телефони, веб-камери, DSLR фотоапарати, акциони камери.
● Биолошки науки: Моќност на CMOS сензоритемикроскопски камерисе користи во флуоресцентно снимање и медицинска дијагностика.
● АстрономијаТелескопите и уредите за вселенско снимање често користат научен CMOS (sCMOS) за висока резолуција и низок шум.
● Индустриска инспекцијаАвтоматизирана оптичка инспекција (AOI), роботика икамери за инспекција на полупроводниципотпирајте се на CMOS сензори за брзина и точност.
● АвтомобилизамНапредни системи за помош на возачот (ADAS), камери за заден поглед и паркинг.
● Надзор и безбедностСистеми за детекција на слаба осветленост и движење.
Нивната брзина и економичност го прават CMOS решението за комерцијална употреба со голем обем и специјализирана научна работа.
Зошто CMOS сега е модерен стандард
Преминот од CCD на CMOS не се случи преку ноќ, но беше неизбежен. Еве зошто CMOS сега е камен-темелник на индустријата за снимање:
● Производствена предностИзградено на стандардни линии за производство на полупроводници, со што се намалуваат трошоците и се подобрува скалабилноста.
● Зголемување на перформанситеОпции за вртење и глобално затворање на блендата, подобрена чувствителност при слаба осветленост и повисоки стапки на слики.
● Интеграција и интелигенцијаCMOS сензорите сега поддржуваат обработка со вештачка интелигенција на чипот, пресметување на рабовите и анализа во реално време.
● ИновацијаНовите типови на сензори како што се наредени CMOS, квантни сензори за слика и закривени сензори се изградени на CMOS платформи.
Од паметни телефони донаучни камери, CMOS се покажа како прилагодлив, моќен и подготвен за иднината.
Заклучок
CMOS сензорите еволуираа во современ стандард за повеќето апликации за снимање, благодарение на нивниот баланс помеѓу перформанси, ефикасност и цена. Без разлика дали се снимаат секојдневни спомени или се спроведуваат брзи научни анализи, CMOS технологијата ја обезбедува основата за денешниот визуелен свет.
Бидејќи иновациите како што се CMOS со глобално затворање и sCMOS продолжуваат да ги прошируваат можностите на технологијата, нејзината доминација ќе продолжи и во наредните години.
Најчесто поставувани прашања
Која е разликата помеѓу ролетна бленда и глобална бленда?
Ротирачкото бленда ги чита податоците од сликата ред по ред, што може да предизвика артефакти од движење (на пр., искривување или нишање) при снимање објекти што се движат брзо.
Глобалниот затворач го снима целиот кадар истовремено, елиминирајќи ја дисторзијата од движење. Идеален е за апликации за снимање со голема брзина како што се машинска визија и научни експерименти.
Што е CMOS режим на преклопување со ролетна бленда?
Кај CMOS камерите со ролетна бленда, во режим на преклопување, експозицијата на следниот кадар може да започне пред тековниот целосно да заврши, овозможувајќи повисоки стапки на слики. Ова е можно бидејќи експозицијата и отчитувањето на секој ред се временски распоредени.
Овој режим е корисен во апликации каде што максималната брзина на слики и протокот се критични, како што се при брза инспекција или следење во реално време. Сепак, може малку да ја зголеми сложеноста на времето и синхронизацијата.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Сите права се задржани. При цитирање, ве молиме наведете го изворот:www.tucsen.com
