2025/08/05Van smartphones tot wetenschappelijke instrumenten, beeldsensoren vormen de kern van de hedendaagse beeldtechnologie. CMOS-sensoren zijn daarbij de meest gebruikte en worden ingezet voor alles, van alledaagse foto's tot geavanceerde microscopie en inspectie van halfgeleiders.
'Complementary Metal Oxide Semiconductor' (CMOS)-technologie is een elektronische architectuur en een reeks fabricageprocessen met een ongelooflijk breed toepassingsgebied. Sterker nog, CMOS-technologie kan worden beschouwd als de basis van het moderne digitale tijdperk.
Wat is een CMOS-sensor?
CMOS-beeldsensoren (CIS) gebruiken actieve pixels, wat betekent dat elke pixel van de camera drie of meer transistors bevat. CCD- en EMCCD-pixels bevatten geen transistors.
De transistors in elke pixel maken het mogelijk om deze 'actieve' pixels aan te sturen, signalen te versterken via 'veldeffect'-transistoren en hun gegevens parallel uit te lezen. In plaats van één enkel uitleespad voor een volledige sensor of een aanzienlijk deel van een sensor, wordt eenCMOS-cameraHet systeem bevat ten minste één volledige rij uitlees-ADC's, één (of meer) ADC's voor elke kolom van de sensor. Elk van deze ADC's kan de waarde van de betreffende kolom gelijktijdig uitlezen. Bovendien zijn deze 'actieve pixel'-sensoren compatibel met CMOS digitale logica, waardoor de potentiële functionaliteit van de sensor wordt vergroot.
Deze eigenschappen zorgen er samen voor dat CMOS-sensoren zo snel zijn. Dankzij de toegenomen parallelle verwerking kunnen individuele ADC's echter langer de tijd nemen om de gedetecteerde signalen nauwkeuriger te meten. Deze langere conversietijden maken een zeer ruisarme werking mogelijk, zelfs bij een hoger aantal pixels. Dankzij deze en andere innovaties is de uitleesruis van CMOS-sensoren doorgaans 5 tot 10 keer lager dan die van CCD's.
Moderne wetenschappelijke CMOS-camera's (sCMOS) zijn een gespecialiseerd subtype van CMOS-camera's, ontworpen voor ruisarme en snelle beeldvorming in onderzoekstoepassingen.
Hoe werken CMOS-sensoren? (Inclusief rolling shutter versus global shutter)
De werking van een typische CMOS-sensor wordt weergegeven in de afbeelding en hieronder nader toegelicht. Houd er rekening mee dat, als gevolg van de onderstaande operationele verschillen, de timing en werking van de belichting zullen verschillen voor CMOS-camera's met een globale sluiter versus een rolling shutter.
OPMERKING: Het uitleesproces voor CMOS-camera's verschilt tussen camera's met een 'rolling shutter' en camera's met een 'global shutter', zoals in de tekst wordt besproken. In beide gevallen bevat elke pixel een condensator en een versterker die een spanning genereren op basis van het aantal gedetecteerde foto-elektronen. Voor elke rij worden de spanningen voor elke kolom gelijktijdig gemeten door analoog-digitaalomzetters.
Rolluik
1. Bij een CMOS-sensor met rolling shutter begin je bij de bovenste rij (of in het midden bij camera's met een splitsensor) en wis je de lading van de rij om de belichting van die rij te starten.
2. Nadat de 'lijntijd' is verstreken (meestal 5-20 μs), ga je naar de volgende rij en herhaal je stap 1, totdat de hele sensor belicht is.
3. Voor elke rij accumuleren ladingen gedurende de belichting, totdat de belichtingstijd van die rij is verstreken. De rij die als eerste begint, zal als eerste klaar zijn.
4. Zodra de belichting voor een rij is voltooid, breng je 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 gemeten voor elke pixel in de rij.
6. De uitlees- en resetbewerking duurt de 'lijntijd', waarna de volgende rij die met de belichting moet beginnen, het einde van zijn belichtingstijd heeft bereikt en het proces vanaf stap 4 wordt herhaald.
7. Zodra de uitlezing voor de bovenste rij is voltooid, en mits de onderste rij is begonnen met het belichten van het huidige frame, kan de bovenste rij beginnen met het belichten van het volgende frame (overlapmodus). Als de belichtingstijd korter is dan de frametijd, moet de bovenste rij wachten tot de onderste rij met de belichting is begonnen. De kortst mogelijke belichtingstijd is doorgaans één regeltijd.
Tucsen's FL 26BW gekoelde CMOS-cameraDe camera, die is uitgerust met de Sony IMX533-sensor, maakt gebruik van deze rolling shutter-technologie.
Wereldwijde sluiter
1. Om de acquisitie te starten, wordt tegelijkertijd de lading van de gehele sensor verwijderd (globale reset van de pixelput).
2. Tijdens blootstelling hoopt zich lading op.
3. Aan het einde van de belichting worden de verzamelde ladingen overgebracht naar een afgeschermd reservoir in elke pixel, waar ze kunnen wachten op uitlezing zonder dat er nieuwe gedetecteerde fotonen worden geteld. Sommige camera's brengen de ladingen in dit stadium over 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 vanuit het afgeschermde gebied verloopt op dezelfde manier als bij rolling shutter-sensoren: rij voor rij, vanaf de bovenkant van de sensor, worden ladingen overgebracht van de afgeschermde put naar de uitleescondensator en versterker.
6. De spanning in elke versterker in die rij is verbonden met de kolom-ADC, en het signaal wordt gemeten voor elke pixel in de rij.
7. De uitlees- en resetbewerking 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 vanaf stap 2 worden herhaald, of vanaf stap 3 als de belichtingstijd al is verstreken.
Tucsen's Libra 3412M Mono sCMOS-cameraMaakt gebruik van global shutter-technologie, waardoor bewegende objecten snel en helder kunnen worden vastgelegd.
Voordelen en nadelen van CMOS-sensoren
Voordelen
● Hogere snelhedenCMOS-sensoren verwerken gegevens doorgaans 1 tot 2 ordes van grootte sneller dan CCD- of EMCCD-sensoren.
● Grotere sensorenSnellere gegevensdoorvoer maakt hogere pixelaantallen en grotere beeldhoeken mogelijk, tot wel tientallen of honderden megapixels.
● Laag geluidsniveauSommige CMOS-sensoren kunnen een uitleesruis hebben van slechts 0,25e-, vergelijkbaar met EMCCD's, zonder dat ladingsvermenigvuldiging nodig is die extra ruisbronnen introduceert.
● Flexibiliteit in pixelgrootteSensoren in consumenten- en smartphonecamera's zorgen ervoor dat de pixelgrootte afneemt tot ongeveer 1 μm, terwijl wetenschappelijke camera's met een pixelgrootte tot 11 μm gangbaar zijn en zelfs tot 16 μm verkrijgbaar zijn.
● Lager energieverbruikDe lage energiebehoefte van CMOS-camera's maakt ze geschikt voor een breed scala aan wetenschappelijke en industriële toepassingen.
● Prijs en levensduur: CMOS-camera's uit het lagere segment zijn doorgaans even duur of zelfs goedkoper dan CCD-camera's, en CMOS-camera's uit het hogere segment zijn veel goedkoper dan EMCCD-camera's. Hun verwachte levensduur is aanzienlijk langer dan die van een EMCCD-camera.
Nadelen
● RolluikDe meeste wetenschappelijke CMOS-camera's hebben een rolling shutter, wat experimentele workflows complexer kan maken of bepaalde toepassingen kan uitsluiten.
● Hogere concentratie donkere bessent: De meeste CMOS-camera's hebben een veel hogere donkerstroom dan CCD- en EMCCD-sensoren, wat soms aanzienlijke ruis veroorzaakt bij lange belichtingstijden (> 1 seconde).
Waar worden CMOS-sensoren tegenwoordig gebruikt?
Dankzij hun veelzijdigheid worden CMOS-sensoren in een breed scala aan toepassingen gebruikt:
● ConsumentenelektronicaSmartphones, webcams, spiegelreflexcamera's, actiecamera's.
● Levenswetenschappen: CMOS-sensoren vermogenmicroscopiecamera'sGebruikt bij fluorescentiebeeldvorming en medische diagnostiek.
● AstronomieTelescopen en ruimtebeeldvormingsapparaten maken vaak gebruik van wetenschappelijke CMOS (sCMOS) voor een hoge resolutie en een lage ruis.
● Industriële inspectie: Geautomatiseerde optische inspectie (AOI), robotica encamera's voor inspectie van halfgeleidersVoor snelheid en nauwkeurigheid vertrouwen we op CMOS-sensoren.
● AutomobielGeavanceerde rijhulpsystemen (ADAS), achteruitrijcamera's en parkeercamera's.
● Bewaking en beveiliging: Systemen voor detectie bij weinig licht en beweging.
Dankzij hun snelheid en kostenefficiëntie is CMOS de ideale oplossing voor zowel grootschalig commercieel gebruik als gespecialiseerd wetenschappelijk onderzoek.
Waarom CMOS nu de moderne standaard is
De overstap van CCD naar CMOS is niet van de ene op de andere dag gebeurd, maar was onvermijdelijk. Dit is waarom CMOS nu de hoeksteen van de beeldverwerkingsindustrie is:
● Productievoordeel: Geproduceerd op standaard halfgeleiderproductielijnen, wat de kosten verlaagt en de schaalbaarheid verbetert.
● PrestatieverbeteringenOpties voor rolling shutter en global shutter, verbeterde gevoeligheid bij weinig licht en hogere framesnelheden.
● Integratie & IntelligentieCMOS-sensoren ondersteunen nu AI-verwerking op de chip, edge computing en realtime analyse.
● InnovatieNieuwe sensortypes zoals gestapelde CMOS-sensoren, kwantumbeeldsensoren en gebogen sensoren zijn gebouwd op CMOS-platformen.
Van smartphones totwetenschappelijke camera'sCMOS heeft bewezen aanpasbaar, krachtig en toekomstbestendig te zijn.
Conclusie
CMOS-sensoren zijn dankzij hun optimale balans tussen prestaties, efficiëntie en kosten uitgegroeid tot de moderne standaard voor de meeste beeldverwerkingstoepassingen. Of het nu gaat om het vastleggen van alledaagse herinneringen of het uitvoeren van snelle wetenschappelijke analyses, CMOS-technologie vormt de basis van de hedendaagse visuele wereld.
Naarmate innovaties zoals global shutter CMOS en sCMOS de mogelijkheden van de technologie blijven uitbreiden, zal de dominantie ervan naar verwachting nog jarenlang aanhouden.
Veelgestelde vragen
Wat is het verschil tussen een rolling shutter en een global shutter?
Een rolling shutter leest beeldgegevens regel voor regel uit, wat bewegingsartefacten (bijvoorbeeld vertekening of trilling) kan veroorzaken bij het vastleggen van snel bewegende objecten.
Een globale sluiter legt het hele beeld tegelijk vast, waardoor bewegingsvervorming wordt geëlimineerd. Het is ideaal voor snelle beeldvormingstoepassingen zoals machinevisie en wetenschappelijke experimenten.
Wat is Rolling Shutter CMOS Overlap Mode?
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, waardoor hogere framesnelheden mogelijk zijn. Dit is mogelijk omdat de belichting en uitlezing van elke rij in de tijd verschoven zijn.
Deze modus is nuttig in toepassingen waar een maximale framesnelheid en doorvoer cruciaal zijn, zoals bij snelle inspectie of realtime tracking. Het kan echter de complexiteit van timing en synchronisatie enigszins verhogen.
