25/08/05Od smartfonów po instrumenty naukowe, czujniki obrazu stanowią serce dzisiejszej technologii wizualnej. Wśród nich dominującą siłą są matryce CMOS, napędzające wszystko – od codziennych zdjęć po zaawansowaną mikroskopię i inspekcję półprzewodników.
Technologia „Complementary Metal Oxide Semiconductor” (CMOS) to architektura elektroniczna i zestaw technologii procesów produkcyjnych, których zastosowania są niezwykle szerokie. Można wręcz powiedzieć, że technologia CMOS stanowi fundament współczesnej ery cyfrowej.
Czym jest czujnik CMOS?
Czujniki obrazu CMOS (CIS) wykorzystują aktywne piksele, co oznacza zastosowanie trzech lub więcej tranzystorów w każdym pikselu kamery. Piksele CCD i EMCCD nie zawierają tranzystorów.
Tranzystory w każdym pikselu umożliwiają sterowanie tymi „aktywnymi” pikselami, wzmacnianie sygnałów przez tranzystory polowe i dostęp do ich danych – wszystko równolegle. Zamiast pojedynczej ścieżki odczytu dla całego czujnika lub znacznej jego części,Kamera CMOSZawiera co najmniej jeden pełny rząd przetworników ADC, jeden (lub więcej) dla każdej kolumny czujnika. Każdy z nich może jednocześnie odczytywać wartość ze swojej kolumny. Co więcej, te czujniki „aktywnych pikseli” są kompatybilne z cyfrową logiką CMOS, co zwiększa potencjalną funkcjonalność czujnika.
Łącznie te cechy zapewniają matrycom CMOS ich szybkość. Jednak dzięki temu wzrostowi paralelizmu, poszczególne przetworniki ADC mogą potrzebować więcej czasu na pomiar wykrytych sygnałów z większą dokładnością. Te dłuższe czasy konwersji pozwalają na bardzo niski poziom szumów, nawet przy większej liczbie pikseli. Dzięki temu i innym innowacjom, szum odczytu matryc CMOS jest zazwyczaj nawet 5–10 razy niższy niż w przypadku matryc CCD.
Nowoczesne naukowe kamery CMOS (sCMOS) stanowią specjalistyczny podtyp kamer CMOS zaprojektowanych z myślą o uzyskiwaniu obrazów o niskim poziomie szumów i dużej szybkości w zastosowaniach badawczych.
Jak działają czujniki CMOS? (w tym migawka rolowana i globalna)
Działanie typowego czujnika CMOS pokazano na rysunku i opisano poniżej. Należy pamiętać, że ze względu na różnice w działaniu, czas i działanie ekspozycji będą się różnić w przypadku kamer CMOS z migawką globalną i ruchomą.
UWAGA: Proces odczytu w kamerach CMOS różni się w przypadku kamer z migawką toczącą się (rolling shutter) i kamer z migawką globalną (global shutter), jak omówiono w tekście. W obu przypadkach każdy piksel zawiera kondensator i wzmacniacz, które generują napięcie na podstawie wykrytej liczby fotoelektronów. Dla każdego wiersza napięcia dla każdej kolumny są mierzone jednocześnie przez przetworniki analogowo-cyfrowe.
Roleta rolowana
1. W przypadku matrycy CMOS z migawką toczącą się, zaczynając od górnego rzędu (lub środka w przypadku aparatów z matrycą dzieloną), usuń ładunek z rzędu, aby rozpocząć naświetlanie tego rzędu.
2. Po upływie „czasu linii” (zwykle 5–20 μs) przejdź do następnego rzędu i powtórz czynność od kroku 1, aż cały czujnik zostanie naświetlony.
3. Dla każdego rzędu ładunki kumulują się podczas ekspozycji, aż do zakończenia czasu ekspozycji danego rzędu. Pierwszy rząd, który zacznie, zakończy naświetlanie jako pierwszy.
4. Po zakończeniu ekspozycji dla danego rzędu przenieś ładunki do kondensatora odczytowego i wzmacniacza.
5. Napięcie w każdym wzmacniaczu w tym rzędzie jest następnie podłączane do kolumny ADC, a sygnał jest mierzony dla każdego piksela w rzędzie.
6. Operacja odczytu i resetowania zajmie „czas liniowy”, po czym kolejny wiersz, dla którego ma rozpocząć się ekspozycja, osiągnie koniec swojego czasu ekspozycji, a proces zostanie powtórzony od kroku 4.
7. Gdy tylko odczyt dla górnego rzędu zostanie zakończony, a dolny rząd rozpoczął naświetlanie bieżącej klatki, górny rząd może rozpocząć naświetlanie kolejnej klatki (tryb nakładania). Jeśli czas naświetlania jest krótszy niż czas klatki, górny rząd musi poczekać na rozpoczęcie naświetlania przez dolny rząd. Najkrótszy możliwy czas naświetlania to zazwyczaj czas jednej linii.
Kamera chłodzona CMOS FL 26BW firmy Tucsen, wyposażony w czujnik Sony IMX533, wykorzystuje technologię migawki toczącej.
Globalna migawka
1. Aby rozpocząć akwizycję, należy jednocześnie usunąć ładunek z całego czujnika (globalne resetowanie obszaru pikseli).
2. Ładunek gromadzi się podczas ekspozycji.
3. Pod koniec ekspozycji zebrane ładunki są przenoszone do zamaskowanej studzienki w każdym pikselu, gdzie mogą czekać na odczyt bez zliczania nowych wykrytych fotonów. Niektóre kamery przenoszą ładunki do kondensatora piksela na tym etapie.
4. Po zapisaniu wykrytych ładunków w zamaskowanym obszarze każdego piksela, aktywny obszar piksela może rozpocząć naświetlanie kolejnej klatki (tryb nakładania).
5. Proces odczytu z obszaru maskowanego przebiega tak samo, jak w przypadku czujników z migawką toczącą: ładunki są przesyłane rzędami, począwszy od górnej części czujnika, z maskowanego obszaru do kondensatora odczytowego i wzmacniacza.
6. Napięcie w każdym wzmacniaczu w tym rzędzie jest podłączone do kolumny ADC, a sygnał jest mierzony dla każdego piksela w rzędzie.
7. Operacja odczytu i resetowania zajmie „czas wiersza”, po czym proces zostanie powtórzony dla następnego wiersza od kroku 5.
8. Po odczytaniu wszystkich wierszy kamera jest gotowa do odczytania kolejnej klatki. Proces można powtórzyć od kroku 2 lub, jeśli czas ekspozycji już upłynął, od kroku 3.
Kamera monochromatyczna sCMOS Tucsen's Libra 3412Mwykorzystuje technologię globalnej migawki, umożliwiającą wyraźne i szybkie uchwycenie ruchomych próbek.
Zalety i wady czujników CMOS
Zalety
● Wyższe prędkości:Czujniki CMOS zapewniają zazwyczaj od 1 do 2 rzędów wielkości szybszą przepustowość danych niż czujniki CCD lub EMCCD.
● Większe czujniki:Szybsza przepustowość danych umożliwia zastosowanie większej liczby pikseli i większego pola widzenia, nawet do dziesiątek lub setek megapikseli.
● Niski poziom hałasu:Niektóre czujniki CMOS mogą charakteryzować się szumem odczytu na poziomie zaledwie 0,25e-, co dorównuje czujnikom EMCCD bez konieczności mnożenia ładunku, które powoduje zwiększenie liczby źródeł szumu.
● Elastyczność rozmiaru pikseli:Matryce aparatów konsumenckich i smartfonów pozwalają na zmniejszenie rozmiaru pikseli do zakresu ~1 μm, natomiast powszechnie stosowane aparaty naukowe charakteryzują się rozmiarem pikseli do 11 μm, przy czym dostępne są modele o rozmiarze do 16 μm.
● Niższe zużycie energiiNiskie zapotrzebowanie na energię w kamerach CMOS pozwala na ich wykorzystanie w szerszej gamie zastosowań naukowych i przemysłowych.
● Cena i żywotność:Kamery CMOS niskiej klasy są zazwyczaj droższe od kamer CCD lub tańsze, a kamery CMOS wysokiej klasy są znacznie tańsze niż kamery EMCCD. Ich przewidywana żywotność powinna znacznie przewyższać żywotność kamery EMCCD.
Wady
● RoletaWiększość naukowych kamer CMOS ma migawkę toczną, co może utrudniać pracę eksperymentalną lub uniemożliwiać niektóre zastosowania.
● Wyższy prąd ciemnyt: Większość kamer CMOS charakteryzuje się znacznie wyższym prądem ciemnym niż czujniki CCD i EMCCD, co czasami powoduje znaczny szum przy długich ekspozycjach (> 1 sekundy).
Gdzie obecnie stosuje się czujniki CMOS
Dzięki swojej wszechstronności czujniki CMOS znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach:
● Elektronika użytkowa:Smartfony, kamery internetowe, lustrzanki, kamery sportowe.
● Nauki o życiu:Moc czujników CMOSkamery mikroskopowestosowany w obrazowaniu fluorescencyjnym i diagnostyce medycznej.
● Astronomia:Teleskopy i urządzenia do obrazowania kosmosu często wykorzystują naukową technologię CMOS (sCMOS) w celu uzyskania wysokiej rozdzielczości i niskiego poziomu szumów.
● Inspekcja przemysłowa:Automatyczna kontrola optyczna (AOI), robotyka ikamery do inspekcji półprzewodnikówpolegaj na czujnikach CMOS, jeśli chodzi o szybkość i dokładność.
● Motoryzacja: Zaawansowane systemy wspomagania kierowcy (ADAS), kamery cofania i parkowania.
● Nadzór i bezpieczeństwo:Systemy wykrywania ruchu i słabego oświetlenia.
Ich szybkość i opłacalność sprawiają, że technologia CMOS jest rozwiązaniem idealnym zarówno do zastosowań komercyjnych o dużej objętości, jak i do specjalistycznych prac naukowych.
Dlaczego CMOS jest obecnie nowoczesnym standardem
Przejście z CCD na CMOS nie nastąpiło z dnia na dzień, ale było nieuniknione. Oto dlaczego CMOS jest obecnie kamieniem węgielnym branży obrazowania:
● Zaleta produkcyjna:Zbudowany na standardowych liniach produkcyjnych półprzewodników, co pozwala na redukcję kosztów i poprawę skalowalności.
● Wzrost wydajności: Opcje migawki toczącej się i globalnej, zwiększona czułość przy słabym oświetleniu i wyższa liczba klatek na sekundę.
● Integracja i inteligencja:Czujniki CMOS obsługują teraz przetwarzanie AI na układzie scalonym, przetwarzanie brzegowe i analizę w czasie rzeczywistym.
● Innowacje:Nowoczesne typy czujników, takie jak matryce CMOS, matryce kwantowe i matryce zakrzywione, są budowane na platformach CMOS.
Od smartfonów dokamery naukoweTechnologia CMOS okazała się wszechstronna, wydajna i gotowa na wyzwania przyszłości.
Wniosek
Matryce CMOS stały się nowoczesnym standardem w większości zastosowań obrazowania, dzięki równowadze między wydajnością, efektywnością i ceną. Niezależnie od tego, czy chodzi o utrwalanie codziennych wspomnień, czy o szybką analizę naukową, technologia CMOS stanowi fundament dzisiejszego świata wizualnego.
W miarę jak innowacje takie jak technologia CMOS z globalną migawką i sCMOS poszerzają możliwości tej technologii, jej dominująca pozycja utrzyma się przez kolejne lata.
Często zadawane pytania
Jaka jest różnica między migawką ruchomą a migawką globalną?
Migawka tocząca odczytuje dane obrazu linia po linii, co może powodować powstawanie artefaktów ruchowych (np. przekoszenie lub drganie) podczas rejestrowania szybko poruszających się obiektów.
Migawka globalna rejestruje cały kadr jednocześnie, eliminując zniekształcenia spowodowane ruchem. Idealnie nadaje się do zastosowań wymagających dużej szybkości przetwarzania obrazu, takich jak systemy wizyjne i eksperymenty naukowe.
Czym jest tryb nakładania się matrycy CMOS Rolling Shutter?
W przypadku kamer CMOS z funkcją rolling shutter, w trybie nakładania, naświetlanie kolejnej klatki może rozpocząć się przed zakończeniem naświetlania bieżącej, co pozwala na uzyskanie większej liczby klatek na sekundę. Jest to możliwe, ponieważ naświetlanie i odczytywanie każdego wiersza obrazu są rozłożone w czasie.
Ten tryb jest przydatny w aplikacjach, w których maksymalna liczba klatek na sekundę i przepustowość mają kluczowe znaczenie, na przykład w przypadku szybkiej inspekcji lub śledzenia w czasie rzeczywistym. Może on jednak nieznacznie zwiększyć złożoność synchronizacji czasowej.
