Compreendendo os sensores CMOS: o padrão moderno para a maioria das imagens |

De smartphones a instrumentos científicos, os sensores de imagem estão no cerne da tecnologia visual atual. Entre eles, os sensores CMOS se tornaram a força dominante, impulsionando tudo, desde fotos do dia a dia até microscopia avançada e inspeção de semicondutores.

A tecnologia "Complementary Metal Oxide Semiconductor" (CMOS) é uma arquitetura eletrônica e um conjunto de tecnologias de processos de fabricação cujas aplicações são incrivelmente amplas. De fato, pode-se dizer que a tecnologia CMOS sustenta a era digital moderna.

O que é um sensor CMOS?

Os sensores de imagem CMOS (CIS) utilizam pixels ativos, ou seja, três ou mais transistores em cada pixel da câmera. Os pixels CCD e EMCCD não contêm transistores.

Os transistores em cada pixel permitem que esses pixels "ativos" sejam controlados, os sinais amplificados por transistores de "efeito de campo" e seus dados acessados, tudo em paralelo. Em vez de um único caminho de leitura para um sensor inteiro ou uma fração significativa de um sensor, umCâmera CMOSInclui pelo menos uma linha inteira de ADCs de leitura, um (ou mais) ADCs para cada coluna do sensor. Cada um deles pode ler o valor da sua coluna simultaneamente. Além disso, esses sensores de "pixel ativo" são compatíveis com a lógica digital CMOS, aumentando a funcionalidade potencial do sensor.

Juntas, essas qualidades conferem aos sensores CMOS sua velocidade. No entanto, graças a esse aumento no paralelismo, os ADCs individuais conseguem levar mais tempo para medir os sinais detectados com maior precisão. Esses tempos de conversão mais longos permitem uma operação com ruído muito baixo, mesmo para contagens de pixels mais altas. Graças a isso e a outras inovações, o ruído de leitura dos sensores CMOS tende a ser de 5 a 10 vezes menor do que o dos CCDs.

As câmeras CMOS científicas modernas (sCMOS) são um subtipo especializado de CMOS, projetadas para geração de imagens de baixo ruído e alta velocidade em aplicações de pesquisa.

Como funcionam os sensores CMOS? (Incluindo obturador de rolamento e obturador global)

O funcionamento de um sensor CMOS típico é mostrado na figura e descrito abaixo. Observe que, devido às diferenças operacionais abaixo, o tempo e a operação de exposição serão diferentes para câmeras CMOS globais e de obturador rolante.

Figura: Processo de leitura para sensor CMOS

OBSERVAÇÃO: O processo de leitura para câmeras CMOS difere entre câmeras de "obturador rolante" e "obturador global", conforme discutido no texto. Em ambos os casos, cada pixel contém um capacitor e um amplificador que produzem uma tensão com base na contagem de fotoelétrons detectada. Para cada linha, as tensões de cada coluna são medidas simultaneamente por conversores analógico-digitais de coluna.

Persiana Rolante

1. Para um sensor CMOS de obturador rolante, começando na linha superior (ou no centro para câmeras com sensor dividido), limpe a carga da linha para iniciar a exposição dessa linha.
2. Após o 'tempo de linha' ter decorrido (normalmente 5-20 μs), passe para a próxima linha e repita a partir da etapa 1, até que todo o sensor esteja exposto.
3. Para cada fileira, as cargas se acumulam durante a exposição, até que a fileira termine seu tempo de exposição. A primeira fileira a começar terminará primeiro.
4. Após terminar a exposição de uma linha, transfira as cargas para o capacitor de leitura e o amplificador.
5. A voltagem em cada amplificador naquela linha é então conectada ao ADC da coluna, e o sinal é medido para cada pixel na linha.
6. A operação de leitura e reinicialização levará o 'tempo de linha' para ser concluída, após o qual a próxima linha a iniciar a exposição terá atingido o fim do seu tempo de exposição, e o processo será repetido a partir da etapa 4.
7. Assim que a leitura da linha superior estiver concluída, desde que a linha inferior tenha iniciado a exposição do quadro atual, a linha superior pode iniciar a exposição do próximo quadro (modo de sobreposição). Se o tempo de exposição for menor que o tempo do quadro, a linha superior deve aguardar que a linha inferior inicie a exposição. A menor exposição possível normalmente é de uma linha.

Câmera CMOS refrigerada FL 26BW da Tucsen, com o sensor Sony IMX533, usa essa tecnologia de obturador giratório.

Obturador global

Fonte:Sensor de imagem CMOS de obturador global GMAX3412

1. Para iniciar a aquisição, a carga é simultaneamente removida de todo o sensor (redefinição global do poço de pixels).
2. A carga se acumula durante a exposição.
3. Ao final da exposição, as cargas coletadas são movidas para um poço mascarado dentro de cada pixel, onde podem aguardar a leitura sem que novos fótons detectados sejam contados. Algumas câmeras movem cargas para o capacitor do pixel nesta etapa.
4. Com as cargas detectadas armazenadas na área mascarada de cada pixel, a área ativa do pixel pode iniciar a exposição do próximo quadro (modo de sobreposição).
5. O processo de leitura da área mascarada ocorre como nos sensores de obturador rolante: uma fileira de cada vez, a partir do topo do sensor, as cargas são transferidas do poço mascarado para o capacitor de leitura e o amplificador.
6. A voltagem em cada amplificador naquela linha é conectada ao ADC da coluna, e o sinal é medido para cada pixel na linha.
7. A operação de leitura e reinicialização levará o 'tempo de linha' para ser concluída, após o qual o processo será repetido para a próxima linha da etapa 5.
8. Depois que todas as linhas forem lidas, a câmera estará pronta para ler o próximo quadro, e o processo poderá ser repetido a partir da etapa 2, ou da etapa 3, se o tempo de exposição já tiver decorrido.

Câmera Libra 3412M Mono sCMOS da Tucsenutiliza tecnologia de obturador global, permitindo a captura clara e rápida de amostras em movimento.

Prós e contras dos sensores CMOS

Prós

● Maiores velocidades:Os sensores CMOS são normalmente 1 a 2 ordens de magnitude mais rápidos na taxa de transferência de dados do que os sensores CCD ou EMCCD.
● Sensores maiores: A taxa de transferência de dados mais rápida permite contagens de pixels mais altas e campos de visão maiores, de até dezenas ou centenas de megapixels.
● Baixo ruído:Alguns sensores CMOS podem ter ruído de leitura tão baixo quanto 0,25e-, rivalizando com EMCCDs sem precisar de multiplicação de carga que adiciona fontes de ruído adicionais.
● Flexibilidade de tamanho de pixel: Sensores de câmeras de consumidores e smartphones reduzem o tamanho dos pixels para a faixa de ~1 μm, e câmeras científicas com tamanho de pixel de até 11 μm são comuns, e até 16 μm estão disponíveis.
● Menor consumo de energia:Os baixos requisitos de energia das câmeras CMOS permitem que elas sejam usadas em uma variedade maior de aplicações científicas e industriais.
● Preço e vida útilCâmeras CMOS de baixo custo geralmente têm custo semelhante ou inferior ao de câmeras CCD, e câmeras CMOS de alto desempenho têm custo muito menor do que câmeras EMCCD. Sua vida útil esperada deve ser muito superior à de uma câmera EMCCD.

Contras

● Persiana de enrolar:A maioria das câmeras CMOS científicas tem um obturador rotativo, o que pode adicionar complexidade aos fluxos de trabalho experimentais ou descartar algumas aplicações.
● Corrente escura mais altat: A maioria das câmeras CMOS tem corrente escura muito maior que os sensores CCD e EMCCD, às vezes introduzindo ruído significativo em exposições longas (> 1 segundo).

Onde os sensores CMOS são usados hoje

Graças à sua versatilidade, os sensores CMOS são encontrados em uma ampla gama de aplicações:

● Eletrônicos de consumo: Smartphones, webcams, DSLRs, câmeras de ação.
● Ciências da Vida: Potência dos sensores CMOScâmeras de microscopiausado em imagens de fluorescência e diagnósticos médicos.

● Astronomia:Telescópios e dispositivos de geração de imagens espaciais geralmente usam CMOS científico (sCMOS) para alta resolução e baixo ruído.
● Inspeção Industrial: Inspeção óptica automatizada (AOI), robótica ecâmeras para inspeção de semicondutoresconfie nos sensores CMOS para velocidade e precisão.

● Automotivo: Sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS), câmeras de visão traseira e de estacionamento.
● Vigilância e Segurança: Sistemas de detecção de movimento e pouca luz.

Sua velocidade e custo-benefício fazem do CMOS a solução ideal tanto para uso comercial de alto volume quanto para trabalho científico especializado.

Por que o CMOS agora é o padrão moderno

A mudança do CCD para o CMOS não aconteceu da noite para o dia, mas era inevitável. Veja por que o CMOS é agora a pedra angular da indústria de imagem:

● Vantagem de fabricação: Construído em linhas de fabricação de semicondutores padrão, reduzindo custos e melhorando a escalabilidade.
● Ganhos de desempenho: Opções de obturador global e rotativo, sensibilidade aprimorada em baixa luminosidade e taxas de quadros mais altas.
● Integração e Inteligência: Os sensores CMOS agora oferecem suporte a processamento de IA no chip, computação de ponta e análise em tempo real.
● Inovação: Tipos emergentes de sensores, como CMOS empilhados, sensores de imagem quânticos e sensores curvos, são construídos em plataformas CMOS.

De smartphones paracâmeras científicas, o CMOS provou ser adaptável, poderoso e pronto para o futuro.

Conclusão

Os sensores CMOS evoluíram para o padrão moderno para a maioria das aplicações de imagem, graças ao seu equilíbrio entre desempenho, eficiência e custo. Seja capturando memórias do dia a dia ou realizando análises científicas de alta velocidade, a tecnologia CMOS fornece a base para o mundo visual atual.

À medida que inovações como CMOS de obturador global e sCMOS continuam a expandir as capacidades da tecnologia, seu domínio deverá continuar nos próximos anos.

Perguntas frequentes

Qual é a diferença entre uma persiana rolante e uma persiana global?

Um obturador lê os dados da imagem linha por linha, o que pode causar artefatos de movimento (por exemplo, inclinação ou oscilação) ao capturar objetos em movimento rápido.

Um obturador global captura todo o quadro simultaneamente, eliminando a distorção causada pelo movimento. É ideal para aplicações de geração de imagens de alta velocidade, como visão computacional e experimentos científicos.

O que é o modo de sobreposição CMOS do Rolling Shutter?

Para câmeras CMOS de obturador rolante, no modo de sobreposição, a exposição do próximo quadro pode começar antes que o atual seja totalmente concluído, permitindo taxas de quadros mais altas. Isso é possível porque a exposição e a leitura de cada linha são escalonadas no tempo.

Este modo é útil em aplicações onde a taxa de quadros e a taxa de transferência máximas são críticas, como em inspeções de alta velocidade ou rastreamento em tempo real. No entanto, pode aumentar ligeiramente a complexidade da temporização e da sincronização.