25/08/05Fra smarttelefoner til vitenskapelige instrumenter er bildesensorer kjernen i dagens visuelle teknologi. Blant disse har CMOS-sensorer blitt den dominerende kraften, og driver alt fra hverdagsbilder til avansert mikroskopi og halvlederinspeksjon.
«Complementary Metal Oxide Semiconductor» (CMOS)-teknologi er en elektronisk arkitektur og et sett med fabrikasjonsprosessteknologier med utrolig brede bruksområder. CMOS-teknologi kan faktisk sies å være grunnlaget for den moderne digitale tidsalderen.
Hva er en CMOS-sensor?
CMOS-bildesensorer (CIS) bruker aktive piksler, som betyr bruk av tre eller flere transistorer i hver piksel i kameraet. CCD- og EMCCD-piksler inneholder ikke transistorer.
Transistorene i hver piksel gjør det mulig å kontrollere disse «aktive» pikslene, forsterke signaler gjennom «felteffekttransistorer» og få tilgang til dataene deres, alt parallelt. I stedet for en enkelt avlesningsbane for en hel sensor eller en betydelig del av en sensor, enCMOS-kamerainkluderer minst én hel rad med avlesnings-ADC-er, én (eller flere) ADC-er for hver kolonne i sensoren. Hver av disse kan lese verdien til sin kolonne samtidig. Videre er disse 'aktive piksel'-sensorene kompatible med digital CMOS-logikk, noe som øker den potensielle sensorfunksjonaliteten.
Sammen gir disse egenskapene CMOS-sensorer hastigheten. Takket være denne økningen i parallellitet kan individuelle ADC-er bruke lengre tid på å måle detekterte signaler med større nøyaktighet. Disse lengre konverteringstidene muliggjør drift med svært lavt støynivå, selv for høyere pikseltall. Takket være dette, og andre innovasjoner, har lesestøyen til CMOS-sensorer en tendens til å være så mye som 5–10 ganger lavere enn for CCD-er.
Moderne vitenskapelige CMOS-kameraer (sCMOS) er en spesialisert undertype av CMOS designet for lav støy og høyhastighetsavbildning i forskningsapplikasjoner.
Hvordan fungerer CMOS-sensorer? (Inkludert rullende vs. global lukker)
Figuren viser hvordan en typisk CMOS-sensor fungerer, og skisserer den nedenfor. Merk at på grunn av forskjellene i bruk nedenfor, vil timingen og bruken av eksponeringen variere for globale CMOS-kameraer kontra rullende lukkerkameraer.
Figur: Avlesningsprosess for CMOS-sensor
NOTEAvlesningsprosessen for CMOS-kameraer er forskjellig mellom «rullende lukker»- og «global lukker»-kameraer, som omtalt i teksten. I begge tilfeller inneholder hver piksel en kondensator og forsterker som produserer en spenning basert på det detekterte fotoelektrontallet. For hver rad måles spenningene for hver kolonne samtidig av analog-til-digital-omformere for kolonner.
Rullende skodde
1. For en CMOS-sensor med rullende lukker, start i øverste rad (eller midten for splitsensor-kameraer), og fjern ladingen fra raden for å starte eksponeringen for den raden.
2. Etter at «linjetiden» har gått (vanligvis 5–20 μs), gå videre til neste rad og gjenta fra trinn 1, til hele sensoren eksponeres.
3. For hver rad akkumuleres ladninger under eksponeringen, helt til raden har fullført eksponeringstiden. Den første raden som starter, blir ferdig først.
4. Når eksponeringen er ferdig for en rad, overfør ladninger til avlesningskondensatoren og forsterkeren.
5. Spenningen i hver forsterker i den raden kobles deretter til kolonnens ADC, og signalet måles for hver piksel i raden.
6. Avlesningen og tilbakestillingen vil ta «linjetiden» å fullføre, hvoretter den neste raden som starter eksponeringen vil ha nådd slutten av eksponeringstiden, og prosessen gjentas fra trinn 4.
7. Så snart avlesningen er fullført for den øverste raden, forutsatt at den nederste raden har begynt å eksponere gjeldende bilde, kan den øverste raden starte eksponeringen av neste bilde (overlappingsmodus). Hvis eksponeringstiden er kortere enn bildetiden, må den øverste raden vente på at den nederste raden starter eksponeringen. Kortest mulig eksponering er vanligvis én linjetid.
Tucsens FL 26BW kjølte CMOS-kamera, med Sony IMX533-sensoren, bruker denne rullende lukkerteknologien.
Global lukker
1. For å starte innsamlingen fjernes ladningen samtidig fra hele sensoren (global tilbakestilling av pikselbrønnen).
2. Ladning akkumuleres under eksponering.
3. Ved slutten av eksponeringen flyttes de innsamlede ladningene til en maskert brønn i hver piksel, hvor de kan vente på avlesning uten at nye detekterte fotoner telles. Noen kameraer flytter ladninger inn i pikselkondensatoren på dette stadiet.
4. Med de detekterte ladningene lagret i det maskerte området til hver piksel, kan det aktive området til pikselet starte eksponeringen av neste bilde (overlappingsmodus).
5. Avlesningsprosessen fra det maskerte området fortsetter som for rullende lukkersensorer: Én rad om gangen, fra toppen av sensoren, overføres ladninger fra den maskerte brønnen til avlesningskondensatoren og forsterkeren.
6. Spenningen i hver forsterker i den raden er koblet til kolonnens ADC, og signalet måles for hver piksel i raden.
7. Avlesningen og tilbakestillingen vil ta «linjetiden» å fullføre, hvoretter prosessen vil gjentas for neste rad fra trinn 5.
8. Når alle radene er lest, er kameraet klart til å lese neste bilde, og prosessen kan gjentas fra trinn 2, eller trinn 3 hvis eksponeringstiden allerede er utløpt.
Tucsens Libra 3412M Mono sCMOS-kamerabruker global lukkerteknologi, som muliggjør tydelig og rask opptak av bevegelige prøver.
Fordeler og ulemper med CMOS-sensorer
Fordeler
● Høyere hastigheterCMOS-sensorer har vanligvis 1 til 2 størrelsesordener raskere datagjennomstrømning enn CCD- eller EMCCD-sensorer.
● Større sensorerRaskere datagjennomstrømning muliggjør høyere pikseltall og større synsfelt, opptil titalls eller hundrevis av megapiksler.
● Lavt støynivåNoen CMOS-sensorer kan ha lesestøy så lav som 0,25e-, som konkurrerer med EMCCD-er uten behov for ladningsmultiplikasjon som legger til ekstra støykilder.
● Fleksibilitet i pikselstørrelseSensorer for forbruker- og smarttelefonkameraer reduserer pikselstørrelser til ~1 μm, og vitenskapelige kameraer med pikselstørrelse på opptil 11 μm er vanlige, og opptil 16 μm er tilgjengelige.
● Lavere strømforbrukDet lave strømforbruket til CMOS-kameraer gjør at de kan brukes i et bredere spekter av vitenskapelige og industrielle applikasjoner.
● Pris og levetidLavpris CMOS-kameraer er vanligvis like eller billigere enn CCD-kameraer, og avanserte CMOS-kameraer er mye billigere enn EMCCD-kameraer. Deres forventede levetid bør overgå vesentlig levetiden til et EMCCD-kamera.
Ulemper
● Rullende portDe fleste vitenskapelige CMOS-kameraer har rullende lukker, noe som kan gjøre eksperimentelle arbeidsflyter mer komplekse eller utelukke enkelte bruksområder.
● Høyere mørk strømt: De fleste CMOS-kameraer har mye høyere mørkestrøm enn CCD- og EMCCD-sensorer, og introduserer noen ganger betydelig støy ved lange eksponeringer (> 1 sekund).
Hvor CMOS-sensorer brukes i dag
Takket være allsidigheten finnes CMOS-sensorer i en rekke bruksområder:
● ForbrukerelektronikkSmarttelefoner, webkameraer, speilreflekskameraer, actionkameraer.
● BiovitenskapCMOS-sensorer strømforsyningmikroskopikameraerbrukt i fluorescensavbildning og medisinsk diagnostikk.
● AstronomiTeleskoper og romavbildningsenheter bruker ofte vitenskapelig CMOS (sCMOS) for høy oppløsning og lav støy.
● Industriell inspeksjonAutomatisert optisk inspeksjon (AOI), robotikk ogkameraer for halvlederinspeksjonStol på CMOS-sensorer for hastighet og nøyaktighet.
● BilindustrienAvanserte førerassistansesystemer (ADAS), ryggekameraer og parkeringskameraer.
● Overvåking og sikkerhetSystemer for svakt lys og bevegelsesdeteksjon.
Hastigheten og kostnadseffektiviteten deres gjør CMOS til den foretrukne løsningen for både kommersiell bruk i store mengder og spesialisert vitenskapelig arbeid.
Hvorfor CMOS nå er den moderne standarden
Overgangen fra CCD til CMOS skjedde ikke over natten, men det var uunngåelig. Her er grunnen til at CMOS nå er hjørnesteinen i bildebransjen:
● ProduksjonsfordelBygget på standard halvlederfabrikasjonslinjer, noe som reduserer kostnader og forbedrer skalerbarhet.
● YtelsesgevinsterRullende og globale lukkeralternativer, forbedret følsomhet for svakt lys og høyere bildefrekvenser.
● Integrasjon og intelligensCMOS-sensorer støtter nå innebygd AI-prosessering, kantdatabehandling og sanntidsanalyse.
● InnovasjonNye sensortyper som stablet CMOS, kvantebildesensorer og buede sensorer er bygget på CMOS-plattformer.
Fra smarttelefoner tilvitenskapelige kameraer, CMOS har vist seg å være tilpasningsdyktig, kraftig og fremtidsklar.
Konklusjon
CMOS-sensorer har utviklet seg til den moderne standarden for de fleste bildebehandlingsapplikasjoner, takket være deres balanse mellom ytelse, effektivitet og kostnad. Enten det gjelder å fange opp hverdagsminner eller utføre høyhastighets vitenskapelig analyse, danner CMOS-teknologi grunnlaget for dagens visuelle verden.
Etter hvert som innovasjoner som global shutter CMOS og sCMOS fortsetter å utvide teknologiens muligheter, er det ventet at dominansen vil fortsette i årene som kommer.
Vanlige spørsmål
Hva er forskjellen mellom en rullende lukker og en global lukker?
En rullende lukker leser ut bildedata linje for linje, noe som kan forårsake bevegelsesartefakter (f.eks. skjevhet eller vingling) når man fotograferer motiver i rask bevegelse.
En global lukker fanger opp hele bildet samtidig, og eliminerer forvrengning fra bevegelse. Den er ideell for høyhastighetsbildebehandling som maskinsyn og vitenskapelige eksperimenter.
Hva er Rolling Shutter CMOS Overlap Mode?
For CMOS-kameraer med rullende lukker kan eksponeringen av neste bilde i overlappingsmodus begynne før det nåværende er helt fullført, noe som gir høyere bildefrekvenser. Dette er mulig fordi eksponeringen og avlesningen for hver rad er forskjøvet i tid.
Denne modusen er nyttig i applikasjoner der maksimal bildefrekvens og gjennomstrømning er kritisk, for eksempel ved høyhastighetsinspeksjon eller sporing i sanntid. Den kan imidlertid øke kompleksiteten til timing og synkronisering noe.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Alle rettigheter forbeholdt. Vennligst oppgi kilden ved sitering:www.tucsen.com
