25/08/05Daripada telefon pintar kepada instrumen saintifik, penderia imej berada di tengah-tengah teknologi visual hari ini. Antaranya, penderia CMOS telah menjadi kuasa yang dominan, menjana segala-galanya daripada foto setiap hari hingga pemeriksaan mikroskopi dan semikonduktor lanjutan.
Teknologi 'Complementary Metal Oxide Semiconductor' (CMOS) ialah seni bina elektronik dan set teknologi proses fabrikasi yang aplikasinya sangat luas. Malah, teknologi CMOS boleh dikatakan menyokong era digital moden.
Apakah Penderia CMOS?
Penderia imej CMOS (CIS) menggunakan piksel aktif, bermakna penggunaan tiga atau lebih transistor dalam setiap piksel kamera. Piksel CCD dan EMCCD tidak mengandungi transistor.
Transistor dalam setiap piksel membolehkan piksel 'aktif' ini dikawal, isyarat dikuatkan melalui transistor 'kesan medan', dan datanya diakses, semuanya selari. Sebagai ganti laluan bacaan tunggal untuk keseluruhan penderia atau sebahagian besar penderia, akamera CMOStermasuk sekurang-kurangnya satu baris keseluruhan ADC bacaan, satu (atau lebih) ADC untuk setiap lajur penderia. Setiap satu daripada ini boleh membaca nilai lajur mereka secara serentak. Selanjutnya, penderia 'piksel aktif' ini serasi dengan logik digital CMOS, meningkatkan kefungsian penderia yang berpotensi.
Bersama-sama, kualiti ini memberikan penderia CMOS kelajuan mereka. Namun, terima kasih kepada peningkatan selari ini, ADC individu dapat mengambil masa yang lebih lama untuk mengukur isyarat yang dikesan dengan lebih tepat. Masa penukaran yang lebih lama ini membolehkan operasi hingar yang sangat rendah, walaupun untuk kiraan piksel yang lebih tinggi. Terima kasih kepada ini, dan inovasi lain, hingar baca sensor CMOS cenderung sebanyak 5x - 10x lebih rendah daripada CCD.
Kamera CMOS saintifik moden (sCMOS) ialah subjenis khusus CMOS yang direka untuk bunyi rendah dan pengimejan berkelajuan tinggi dalam aplikasi penyelidikan.
Bagaimana Penderia CMOS Berfungsi? (Termasuk Rolling vs Global Shutter)
Operasi penderia CMOS biasa ditunjukkan dalam rajah dan digariskan di bawah. Ambil perhatian bahawa akibat daripada perbezaan operasi di bawah, masa dan operasi pendedahan akan berbeza untuk kamera CMOS pengatup berguling berbanding global.
Rajah: Proses bacaan untuk penderia CMOS
NOTA: Proses pembacaan untuk kamera CMOS berbeza antara kamera 'rolling shutter' dan 'global shutter', seperti yang dibincangkan dalam teks. Dalam kedua-dua kes, setiap piksel mengandungi kapasitor dan penguat yang menghasilkan voltan berdasarkan kiraan fotoelektron yang dikesan. Bagi setiap baris, voltan bagi setiap lajur diukur secara serentak dengan analog lajur kepada penukar digital.
Pengatup Berguling
1. Untuk penderia CMOS pengatup berguling, bermula di baris atas (atau di tengah untuk kamera splitsensor), kosongkan cas daripada baris untuk memulakan pendedahan baris tersebut.
2. Selepas 'masa talian' telah berlalu (biasanya 5-20 μs), beralih ke baris seterusnya dan ulangi dari langkah 1, sehingga keseluruhan sensor terdedah.
3. Bagi setiap baris, caj terkumpul semasa pendedahan, sehingga baris itu tamat masa pendedahannya. Baris pertama untuk bermula akan selesai dahulu.
4. Setelah pendedahan selesai untuk satu baris, pindahkan cas ke kapasitor dan penguat bacaan.
5. Voltan dalam setiap penguat dalam baris itu kemudiannya disambungkan ke lajur ADC, dan isyarat diukur untuk setiap piksel dalam baris.
6. Operasi pembacaan dan penetapan semula akan mengambil 'masa talian' untuk diselesaikan, selepas itu baris seterusnya untuk memulakan pendedahan akan mencapai penghujung masa pendedahannya, dan proses diulang dari langkah 4.
7. Sebaik sahaja bacaan selesai untuk baris atas, dengan syarat baris bawah telah mula mendedahkan bingkai semasa, baris atas boleh memulakan pendedahan bingkai seterusnya (mod pertindihan). Jika masa pendedahan lebih pendek daripada masa bingkai, baris atas mesti menunggu baris bawah untuk memulakan pendedahan. Pendedahan yang paling singkat biasanya adalah satu masa baris.
Kamera CMOS Disejukkan FL 26BW Tucsen, yang menampilkan penderia Sony IMX533, menggunakan teknologi pengatup berguling ini.
Pengatup Global
1. Untuk memulakan pemerolehan, caj dikosongkan secara serentak daripada keseluruhan sensor (tetapan semula global telaga piksel).
2. Caj terkumpul semasa pendedahan.
3. Pada penghujung pendedahan, caj yang terkumpul dialihkan ke perigi bertopeng dalam setiap piksel, di mana ia boleh menunggu bacaan tanpa foton baharu yang dikesan dikira. Sesetengah kamera memindahkan cas ke dalam kapasitor piksel pada peringkat ini.
4. Dengan cas yang dikesan disimpan dalam kawasan bertopeng setiap piksel, kawasan aktif piksel boleh memulakan pendedahan bingkai seterusnya (mod pertindihan).
5. Proses pembacaan dari kawasan bertopeng diteruskan seperti untuk penderia pengatup bergolek: Satu baris pada satu masa, dari bahagian atas penderia, caj dipindahkan dari perigi bertopeng ke kapasitor dan penguat bacaan.
6. Voltan dalam setiap penguat dalam baris itu disambungkan ke lajur ADC, dan isyarat diukur untuk setiap piksel dalam baris.
7. Operasi pembacaan dan penetapan semula akan mengambil 'masa talian' untuk disiapkan, seterusnya proses akan berulang untuk baris seterusnya dari langkah 5.
8. Setelah semua baris dibaca, kamera bersedia untuk membaca bingkai seterusnya, dan proses itu boleh diulang dari langkah 2, atau langkah 3 jika masa pendedahan telah berlalu.
Kamera Mono sCMOS Libra 3412M Tucsenmenggunakan teknologi pengatup global, membolehkan penangkapan sampel bergerak yang jelas dan pantas.
Kebaikan dan Keburukan Penderia CMOS
Kebaikan
● Kelajuan yang lebih tinggi: Penderia CMOS biasanya 1 hingga 2 susunan magnitud lebih cepat dalam pemprosesan data daripada penderia CCD atau EMCCD.
● Penderia yang lebih besar: Daya pemprosesan data yang lebih pantas membolehkan kiraan piksel yang lebih tinggi dan medan pandangan yang lebih besar, sehingga berpuluh atau ratusan megapiksel.
● Bunyi rendah: Sesetengah penderia CMOS boleh membaca hingar serendah 0.25e-, menyaingi EMCCD tanpa memerlukan pendaraban caj yang menambah sumber hingar tambahan.
● Fleksibiliti saiz piksel: Penderia kamera pengguna dan telefon pintar memacu saiz piksel ke julat ~1 μm, dan kamera saintifik sehingga 11 μm dalam saiz piksel adalah perkara biasa, dan sehingga 16 μm tersedia.
● Penggunaan kuasa yang lebih rendah: Keperluan kuasa rendah kamera CMOS membolehkannya digunakan dalam pelbagai aplikasi saintifik dan perindustrian yang lebih luas.
● Harga dan seumur hidup: Kamera CMOS kelas rendah biasanya serupa atau lebih rendah kosnya dengan kamera CCD, dan kamera CMOS kelas atas jauh lebih rendah kosnya daripada kamera EMCCD. Jangka hayat perkhidmatan mereka sepatutnya jauh melebihi kamera EMCCD.
Keburukan
● Pengatup berguling: Majoriti kamera CMOS saintifik mempunyai pengatup bergolek, yang boleh menambah kerumitan pada aliran kerja percubaan atau menolak beberapa aplikasi.
● Arus gelap yang lebih tinggit: Kebanyakan kamera CMOS mempunyai arus gelap yang jauh lebih tinggi daripada penderia CCD dan EMCCD, kadangkala memperkenalkan bunyi yang ketara pada dedahan panjang (> 1 saat).
Tempat Penderia CMOS Digunakan Hari Ini
Terima kasih kepada fleksibiliti mereka, penderia CMOS ditemui dalam pelbagai aplikasi:
● Elektronik Pengguna: Telefon pintar, kamera web, DSLR, kamera tindakan.
● Sains Hayat: Kuasa penderia CMOSkamera mikroskopdigunakan dalam pengimejan pendarfluor dan diagnostik perubatan.
● Astronomi: Teleskop dan peranti pengimejan angkasa sering menggunakan CMOS saintifik (sCMOS) untuk resolusi tinggi dan hingar rendah.
● Pemeriksaan Perindustrian: Pemeriksaan optik automatik (AOI), robotik, dankamera untuk pemeriksaan semikonduktorbergantung pada penderia CMOS untuk kelajuan dan ketepatan.
● Automotif: Sistem Bantuan Pemandu Termaju (ADAS), kamera pandangan belakang dan tempat letak kereta.
● Pengawasan & Keselamatan: Sistem pengesanan cahaya rendah dan gerakan.
Kelajuan dan kecekapan kosnya menjadikan CMOS sebagai penyelesaian utama untuk kegunaan komersial volum tinggi dan kerja saintifik khusus.
Mengapa CMOS Kini Menjadi Piawaian Moden
Peralihan dari CCD ke CMOS tidak berlaku dalam sekelip mata, tetapi ia tidak dapat dielakkan. Inilah sebabnya CMOS kini menjadi asas industri pengimejan:
● Kelebihan Pembuatan: Dibina pada talian fabrikasi semikonduktor standard, mengurangkan kos dan meningkatkan kebolehskalaan.
● Keuntungan Prestasi: Pilihan pengatup bergulir dan global, sensitiviti cahaya malap yang dipertingkatkan dan kadar bingkai yang lebih tinggi.
● Integrasi & Kepintaran: Sensor CMOS kini menyokong pemprosesan AI pada cip, pengkomputeran tepi dan analisis masa nyata.
● Inovasi: Jenis penderia yang muncul seperti CMOS bertindan, penderia imej kuanta dan penderia melengkung dibina pada platform CMOS.
Dari telefon pintar kepadakamera saintifik, CMOS telah terbukti boleh menyesuaikan diri, berkuasa dan bersedia untuk masa hadapan.
Kesimpulan
Penderia CMOS telah berkembang menjadi standard moden untuk kebanyakan aplikasi pengimejan, terima kasih kepada keseimbangan prestasi, kecekapan dan kosnya. Sama ada merakam kenangan setiap hari atau menjalankan analisis saintifik berkelajuan tinggi, teknologi CMOS menyediakan asas untuk dunia visual hari ini.
Memandangkan inovasi seperti CMOS pengatup global dan sCMOS terus mengembangkan keupayaan teknologi, penguasaannya akan berterusan untuk tahun-tahun akan datang.
Soalan Lazim
Apakah perbezaan antara pengatup berguling dan pengatup global?
Pengatup berguling membacakan data imej baris demi baris, yang boleh menyebabkan artifak gerakan (cth, condong atau goyah) apabila menangkap subjek yang bergerak pantas.
Pengatup global menangkap keseluruhan bingkai secara serentak, menghapuskan herotan daripada gerakan. Ia sesuai untuk aplikasi pengimejan berkelajuan tinggi seperti penglihatan mesin dan eksperimen saintifik.
Apakah Mod Pertindihan CMOS Pengatup Berguling?
Untuk kamera CMOS pengatup berguling, dalam mod bertindih, pendedahan bingkai seterusnya boleh dimulakan sebelum bingkai semasa selesai sepenuhnya, membolehkan kadar bingkai yang lebih tinggi. Ini mungkin kerana pendedahan dan bacaan setiap baris berperingkat mengikut masa.
Mod ini berguna dalam aplikasi yang kadar bingkai maksimum dan daya pemprosesan adalah kritikal, seperti dalam pemeriksaan berkelajuan tinggi atau penjejakan masa nyata. Walau bagaimanapun, ia mungkin meningkatkan sedikit kerumitan pemasaan dan penyegerakan.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Hak cipta terpelihara. Apabila memetik, sila maklumkan sumbernya:www.tucsen.com
