25/08/05Van smartphones tot wetenschappelijke instrumenten: beeldsensoren vormen de kern van de hedendaagse visuele technologie. CMOS-sensoren zijn de dominante kracht geworden en vormen de basis voor alles, van alledaagse foto's tot geavanceerde microscopie en halfgeleiderinspectie.
'Complementary Metal Oxide Semiconductor' (CMOS)-technologie omvat een elektronische architectuur en een reeks fabricageprocestechnologieën met een ongelooflijk brede toepassingsmogelijkheden. CMOS-technologie zou je zelfs kunnen beschouwen als de basis van het moderne digitale tijdperk.
Wat is een CMOS-sensor?
CMOS-beeldsensoren (CIS) gebruiken actieve pixels, wat betekent dat er drie of meer transistoren in elke pixel van de camera zitten. CCD- en EMCCD-pixels bevatten geen transistoren.
De transistoren in elke pixel maken het mogelijk om deze 'actieve' pixels aan te sturen, signalen te versterken via 'veldeffect'-transistoren en hun gegevens te ontsluiten, alles parallel. In plaats van één enkel uitleespad voor een hele sensor of een aanzienlijk deel van een sensor, is er eenCMOS-cameraBevat ten minste één volledige rij uitlees-ADC's, één (of meer) ADC's voor elke kolom van de sensor. Elk van deze kan de waarde van zijn kolom gelijktijdig uitlezen. Bovendien zijn deze 'actieve pixel'-sensoren compatibel met CMOS digitale logica, wat de potentiële sensorfunctionaliteit vergroot.
Samen geven deze eigenschappen CMOS-sensoren hun snelheid. Dankzij deze verbeterde parallelliteit kunnen individuele ADC's er echter langer over doen om hun gedetecteerde signalen nauwkeuriger te meten. Deze langere conversietijden zorgen voor een zeer ruisarme werking, zelfs bij een groter aantal pixels. Dankzij deze en andere innovaties is de leesruis van CMOS-sensoren doorgaans maar liefst 5 tot 10 keer lager dan die van CCD's.
Moderne wetenschappelijke CMOS-camera's (sCMOS) zijn een gespecialiseerd subtype CMOS dat is ontworpen voor het maken van beelden met weinig ruis en hoge snelheid in onderzoekstoepassingen.
Hoe werken CMOS-sensoren? (Inclusief rolling vs. global shutter)
De werking van een typische CMOS-sensor wordt weergegeven in de afbeelding en hieronder beschreven. Houd er rekening mee dat als gevolg van de onderstaande operationele verschillen de timing en werking van de belichting verschillen voor CMOS-camera's met een globale sluiter versus een rolling shutter CMOS-camera.
OPMERKING: Het uitleesproces voor CMOS-camera's verschilt tussen 'rolling shutter'- en 'global shutter'-camera's, zoals besproken in de tekst. In beide gevallen bevat elke pixel een condensator en een versterker die een spanning genereren op basis van het gedetecteerde aantal foto-elektronen. Voor elke rij worden de spanningen voor elke kolom gelijktijdig gemeten door analoog-naar-digitaal-converters.
Rolluik
1. Begin bij een CMOS-sensor met een rolling shutter in de bovenste rij (of in het midden bij camera's met een splitsensor) en verwijder de lading uit de rij voordat u met de belichting van die rij begint.
2. Nadat de 'lijntijd' is verstreken (meestal 5-20 μs), gaat u naar de volgende rij en herhaalt u vanaf stap 1, totdat de hele sensor is belicht.
3. Voor elke rij worden ladingen opgebouwd tijdens de belichting, totdat de belichtingstijd van die rij is verstreken. De eerste rij die begint, eindigt als eerste.
4. Zodra de belichting voor een rij is voltooid, brengt u de ladingen over naar de uitleescondensator en de versterker.
5. De spanning in elke versterker in die rij wordt vervolgens aangesloten op de kolom-ADC en het signaal wordt voor elke pixel in de rij gemeten.
6. Het uitlezen en resetten duurt de 'lijntijd' voordat de volgende rij die met de belichting begint, het einde van de belichtingstijd heeft bereikt. Het proces wordt herhaald vanaf stap 4.
7. Zodra de uitlezing voor de bovenste rij is voltooid, mits de onderste rij is begonnen met de belichting van het huidige frame, kan de bovenste rij beginnen met de belichting van het volgende frame (overlapmodus). Als de belichtingstijd korter is dan de frametijd, moet de bovenste rij wachten tot de onderste rij begint met belichten. De kortst mogelijke belichting is doorgaans één lijn.
Tucsen's FL 26BW gekoelde CMOS-camera, met de Sony IMX533-sensor, maakt gebruik van deze rolling shutter-technologie.
Globale sluiter
1. Om de opname te starten, wordt de lading gelijktijdig uit de hele sensor verwijderd (globale reset van de pixelput).
2. Tijdens de blootstelling wordt lading opgebouwd.
3. Aan het einde van de belichting worden de verzamelde ladingen overgebracht naar een gemaskeerde ruimte in elke pixel, waar ze kunnen wachten op uitlezing zonder dat er nieuwe gedetecteerde fotonen worden geteld. Sommige camera's verplaatsen de ladingen in deze fase naar de pixelcondensator.
4. Doordat de gedetecteerde ladingen in het gemaskeerde gebied van elke pixel zijn opgeslagen, kan het actieve gebied van de pixel beginnen met de belichting van het volgende frame (overlapmodus).
5. Het uitleesproces van het gemaskeerde gebied verloopt op dezelfde manier als bij rolling shutter-sensoren: één rij tegelijk, vanaf de bovenkant van de sensor, worden ladingen van het gemaskeerde gebied overgebracht naar de uitleescondensator en de versterker.
6. De spanning in elke versterker in die rij wordt aangesloten op de kolom-ADC en het signaal wordt voor elke pixel in de rij gemeten.
7. Het uitlezen en resetten duurt de 'lijntijd', waarna het proces zich herhaalt voor de volgende rij vanaf stap 5.
8. Zodra alle rijen zijn gelezen, is de camera klaar om het volgende frame te lezen en kan het proces worden herhaald vanaf stap 2, of vanaf stap 3 als de belichtingstijd al is verstreken.
De Libra 3412M Mono sCMOS-camera van Tucsenmaakt gebruik van global shutter-technologie, waardoor bewegende monsters helder en snel kunnen worden vastgelegd.
Voor- en nadelen van CMOS-sensoren
Voordelen
● Hogere snelhedenCMOS-sensoren zijn doorgaans 1 tot 2 ordegroottes sneller in datadoorvoer dan CCD- of EMCCD-sensoren.
● Grotere sensoren:Een snellere gegevensdoorvoer maakt hogere pixelaantallen en grotere gezichtsvelden mogelijk, tot tientallen of honderden megapixels.
● Laag geluidsniveau:Sommige CMOS-sensoren kunnen leesruis hebben van slechts 0,25e-, wat vergelijkbaar is met EMCCD's zonder dat er ladingsvermenigvuldiging nodig is die extra ruisbronnen toevoegt.
● Flexibiliteit in pixelgrootte: Consumenten- en smartphonecamerasensoren beperken de pixelgrootte tot ongeveer 1 μm, terwijl wetenschappelijke camera's een pixelgrootte tot 11 μm hebben. Er zijn ook camera's met een pixelgrootte tot 16 μm verkrijgbaar.
● Lager stroomverbruik:Doordat CMOS-camera's een laag stroomverbruik hebben, zijn ze geschikt voor een breder scala aan wetenschappelijke en industriële toepassingen.
● Prijs en levensduur: Low-end CMOS-camera's zijn doorgaans vergelijkbaar of goedkoper dan CCD-camera's, en high-end CMOS-camera's zijn veel goedkoper dan EMCCD-camera's. Hun verwachte levensduur zou die van een EMCCD-camera aanzienlijk moeten overtreffen.
Nadelen
● RolluikDe meeste wetenschappelijke CMOS-camera's hebben een rolling shutter, wat de complexiteit van experimentele workflows kan vergroten of bepaalde toepassingen kan uitsluiten.
● Hogere donkere stroomt: De meeste CMOS-camera's hebben een veel hogere donkerstroom dan CCD- en EMCCD-sensoren, waardoor er soms aanzienlijke ruis ontstaat bij lange belichtingen (> 1 seconde).
Waar CMOS-sensoren tegenwoordig worden gebruikt
Dankzij hun veelzijdigheid worden CMOS-sensoren in een breed scala aan toepassingen gebruikt:
● Consumentenelektronica: Smartphones, webcams, DSLR's, actioncams.
● Levenswetenschappen: CMOS-sensoren voedenmicroscopiecamera'sgebruikt bij fluorescentiebeeldvorming en medische diagnostiek.
● AstronomieTelescopen en ruimtebeeldvormingsapparatuur maken vaak gebruik van wetenschappelijke CMOS (sCMOS) vanwege de hoge resolutie en lage ruis.
● Industriële inspectie: Geautomatiseerde optische inspectie (AOI), robotica encamera's voor halfgeleiderinspectievertrouwen op CMOS-sensoren voor snelheid en nauwkeurigheid.
● Automobiel: Geavanceerde bestuurdersassistentiesystemen (ADAS), achteruitrij- en parkeercamera's.
● Bewaking en beveiliging: Systemen voor detectie van weinig licht en beweging.
Dankzij hun snelheid en kostenefficiëntie zijn CMOS de ideale oplossing voor zowel grootschalige commerciële toepassingen als gespecialiseerd wetenschappelijk werk.
Waarom CMOS nu de moderne standaard is
De overstap van CCD naar CMOS gebeurde niet van de ene op de andere dag, maar was onvermijdelijk. Dit is waarom CMOS nu de hoeksteen van de beeldverwerkingsindustrie is:
● Productievoordeel: Gebouwd op standaard halfgeleiderproductielijnen, waardoor de kosten worden verlaagd en de schaalbaarheid wordt verbeterd.
● Prestatieverbeteringen: Opties voor rollende en globale sluiter, verbeterde gevoeligheid bij weinig licht en hogere framesnelheden.
● Integratie en intelligentieCMOS-sensoren ondersteunen nu on-chip AI-verwerking, edge computing en realtime-analyse.
● Innovatie:Opkomende sensortypen zoals gestapelde CMOS, quanta-beeldsensoren en gebogen sensoren zijn gebouwd op CMOS-platforms.
Van smartphones totwetenschappelijke camera'sCMOS heeft bewezen aanpasbaar, krachtig en klaar voor de toekomst te zijn.
Conclusie
CMOS-sensoren zijn uitgegroeid tot de moderne standaard voor de meeste beeldvormingstoepassingen, dankzij hun balans tussen prestaties, efficiëntie en kosten. Of het nu gaat om het vastleggen van alledaagse herinneringen of het uitvoeren van snelle wetenschappelijke analyses, CMOS-technologie vormt de basis voor de visuele wereld van vandaag.
Naarmate innovaties zoals global shutter CMOS en sCMOS de mogelijkheden van de technologie blijven uitbreiden, zal de dominantie ervan naar verwachting nog jaren aanhouden.
Veelgestelde vragen
Wat is het verschil tussen een rolling shutter en een global shutter?
Bij een rolling shutter worden de beeldgegevens regel voor regel uitgelezen. Hierdoor kunnen er bewegingsartefacten (bijvoorbeeld scheeftrekking of trillingen) ontstaan bij het vastleggen van snel bewegende onderwerpen.
Een global shutter legt het hele frame tegelijk vast, waardoor vervorming door beweging wordt voorkomen. Dit is ideaal voor snelle beeldverwerkingstoepassingen zoals machine vision en wetenschappelijke experimenten.
Wat is de Rolling Shutter CMOS Overlap-modus?
Bij CMOS-camera's met rolling shutter kan in de overlapmodus de belichting van het volgende frame beginnen voordat het huidige frame volledig is voltooid, wat hogere framesnelheden mogelijk maakt. Dit is mogelijk omdat de belichting en uitlezing van elke rij in de tijd zijn gespreid.
Deze modus is handig in toepassingen waar maximale framesnelheid en doorvoer cruciaal zijn, zoals bij snelle inspectie of realtime tracking. De complexiteit van timing en synchronisatie kan echter enigszins toenemen.
