Înțelegerea senzorilor CMOS: Standardul modern pentru majoritatea imagisticii |

De la smartphone-uri la instrumente științifice, senzorii de imagine sunt în centrul tehnologiei vizuale actuale. Printre aceștia, senzorii CMOS au devenit forța dominantă, alimentând totul, de la fotografiile de zi cu zi până la microscopia avansată și inspecția semiconductorilor.

Tehnologia „Complementary Metal Oxide Semiconductor” (CMOS) este o arhitectură electronică și un set de tehnologii de procese de fabricație ale căror aplicații sunt incredibil de largi. Într-adevăr, s-ar putea spune că tehnologia CMOS stă la baza erei digitale moderne.

Ce este un senzor CMOS?

Senzorii de imagine CMOS (CIS) utilizează pixeli activi, ceea ce înseamnă utilizarea a trei sau mai multe tranzistoare în fiecare pixel al camerei. Pixelii CCD și EMCCD nu conțin tranzistoare.

Tranzistoarele din fiecare pixel permit controlul acestor pixeli „activi”, amplificarea semnalelor prin tranzistoare cu „efect de câmp” și accesarea datelor acestora, toate în paralel. În locul unei singure căi de citire pentru un întreg senzor sau o fracțiune semnificativă a unui senzor, unCameră CMOSinclude cel puțin un rând întreg de convertoare analogice-digitale (ADC) de citire, unul (sau mai multe) ADC pentru fiecare coloană a senzorului. Fiecare dintre acestea poate citi simultan valoarea coloanei sale. În plus, acești senzori cu „pixeli activi” sunt compatibili cu logica digitală CMOS, crescând potențialul de funcționalitate al senzorului.

Împreună, aceste calități conferă senzorilor CMOS viteza lor. Totuși, datorită acestei creșteri a paralelismului, convertoarele analogice-digitale individuale pot necesita mai mult timp pentru a măsura semnalele detectate cu o precizie mai mare. Acești timpi de conversie mai lungi permit o funcționare cu zgomot foarte redus, chiar și pentru un număr mai mare de pixeli. Datorită acestui fapt și altor inovații, zgomotul de citire al senzorilor CMOS tinde să fie de până la 5x - 10x mai mic decât cel al CCD-urilor.

Camerele CMOS științifice moderne (sCMOS) sunt un subtip specializat de CMOS conceput pentru imagistică cu zgomot redus și viteză mare în aplicații de cercetare.

Cum funcționează senzorii CMOS? (Inclusiv Rolling Shutter vs. Global Shutter)

Funcționarea unui senzor CMOS tipic este prezentată în figură și schițată mai jos. Rețineți că, din cauza diferențelor operaționale de mai jos, momentul și funcționarea expunerii vor diferi pentru camerele CMOS cu obturator global față de cele cu obturator rotativ.

NOTĂ: Procesul de citire pentru camerele CMOS diferă între camerele cu „obturator rulant” și cele cu „obturator global”, așa cum se discută în text. În ambele cazuri, fiecare pixel conține un condensator și un amplificator care produc o tensiune bazată pe numărul de fotoelectroni detectați. Pentru fiecare rând, tensiunile pentru fiecare coloană sunt măsurate simultan prin convertoare analog-digitale pe coloană.

Obturator rulant

1. Pentru un senzor CMOS cu obturator rotativ, începând de la rândul de sus (sau din centru pentru camerele cu senzor divizat), eliminați încărcarea de pe rândul pentru a începe expunerea rândului respectiv.
2. După ce s-a scurs „timpul liniei” (de obicei 5-20 μs), treceți la rândul următor și repetați de la pasul 1, până când întregul senzor este expus.
3. Pentru fiecare rând, sarcinile se acumulează în timpul expunerii, până când rândul respectiv și-a terminat timpul de expunere. Primul rând care începe va termina primul.
4. După ce expunerea este finalizată pentru un rând, transferați sarcinile către condensatorul de citire și amplificator.
5. Tensiunea din fiecare amplificator din rândul respectiv este apoi conectată la convertorul analogic-digital (ADC) de pe coloană, iar semnalul este măsurat pentru fiecare pixel din rând.
6. Operațiunea de citire și resetare va dura „timpul liniei” pentru a se finaliza, după care următorul rând pentru începerea expunerii va fi ajuns la sfârșitul timpului său de expunere, iar procesul se va repeta de la pasul 4.
7. De îndată ce citirea este completă pentru rândul de sus, cu condiția ca rândul de jos să fi început expunerea cadrului curent, rândul de sus poate începe expunerea cadrului următor (mod suprapunere). Dacă timpul de expunere este mai scurt decât timpul cadrului, rândul de sus trebuie să aștepte ca rândul de jos să înceapă expunerea. Cea mai scurtă expunere posibilă este de obicei o linie.

Camera CMOS răcită FL 26BW de la Tucsen, dotat cu senzorul Sony IMX533, folosește această tehnologie de tip rolling shutter.

Obturator global

1. Pentru a începe achiziția, sarcina este eliminată simultan din întregul senzor (resetare globală a puțului de pixel).
2. Sarcina se acumulează în timpul expunerii.
3. La sfârșitul expunerii, sarcinile colectate sunt mutate într-un puț mascat în interiorul fiecărui pixel, unde pot aștepta citirea fără a fi numărați noii fotoni detectați. Unele camere mută sarcinile în condensatorul pixelului în această etapă.
4. Odată cu sarcinile detectate stocate în zona mascată a fiecărui pixel, zona activă a pixelului poate începe expunerea următorului cadru (mod suprapunere).
5. Procesul de citire din zona mascată se desfășoară ca în cazul senzorilor cu obturator rulant: Pe rând, din partea superioară a senzorului, sarcinile sunt transferate din puțul mascat către condensatorul și amplificatorul de citire.
6. Tensiunea din fiecare amplificator din rândul respectiv este conectată la convertorul analogic-digital (ADC) de pe coloană, iar semnalul este măsurat pentru fiecare pixel din rând.
7. Operațiunea de citire și resetare va dura „timpul liniei” pentru a fi finalizată, după care procesul se va repeta pentru următorul rând de la pasul 5.
8. După ce toate rândurile au fost citite, camera este gata să citească următorul cadru, iar procesul poate fi repetat de la pasul 2 sau de la pasul 3 dacă timpul de expunere a expirat deja.

Camera sCMOS mono Libra 3412M de la Tucsenutilizează tehnologia globală a obturatorului, permițând capturarea clară și rapidă a mostrelor în mișcare.

Avantajele și dezavantajele senzorilor CMOS

Pro

● Viteze mai mariSenzorii CMOS au de obicei un debit de date cu 1 până la 2 ordine de mărime mai rapid decât senzorii CCD sau EMCCD.
● Senzori mai mariUn debit de date mai rapid permite un număr mai mare de pixeli și câmpuri vizuale mai mari, de până la zeci sau sute de megapixeli.
● Zgomot redusUnii senzori CMOS pot avea un zgomot de citire de până la 0,25e-, rivalizând cu senzorii EMCCD fără a fi nevoie de multiplicarea sarcinii care adaugă surse suplimentare de zgomot.
● Flexibilitate a dimensiunii pixelilorSenzorii camerelor de consum și ai smartphone-urilor reduc dimensiunile pixelilor până la aproximativ 1 μm, iar camerele științifice cu dimensiuni de până la 11 μm sunt comune și sunt disponibile până la 16 μm.
● Consum redus de energieCerințele reduse de energie ale camerelor CMOS le permit utilizarea într-o varietate mai largă de aplicații științifice și industriale.
● Preț și durată de viațăCamerele CMOS de gamă inferioară sunt de obicei similare sau mai ieftine ca preț cu camerele CCD, iar camerele CMOS de gamă superioară sunt mult mai ieftine decât camerele EMCCD. Durata lor de viață estimată ar trebui să o depășească cu mult pe cea a unei camere EMCCD.

Contra

● Obturator rulantMajoritatea camerelor CMOS științifice au un obturator rulant, ceea ce poate adăuga complexitate fluxurilor de lucru experimentale sau poate exclude anumite aplicații.
● Monedă neagră mai maret: Majoritatea camerelor CMOS au un curent de întuneric mult mai mare decât senzorii CCD și EMCCD, introducând uneori zgomot semnificativ la expuneri lungi (> 1 secundă).

Unde sunt utilizați senzorii CMOS astăzi

Datorită versatilității lor, senzorii CMOS se găsesc într-o gamă vastă de aplicații:

● Electronică de larg consumSmartphone-uri, camere web, DSLR-uri, camere de acțiune.
● Științe ale viețiiPutere senzori CMOScamere de microscopieutilizat în imagistica fluorescentă și diagnosticul medical.

● AstronomieTelescoapele și dispozitivele de imagistică spațială utilizează adesea CMOS științific (sCMOS) pentru rezoluție înaltă și zgomot redus.
● Inspecție industrialăInspecție optică automată (AOI), robotică șicamere pentru inspecția semiconductorilorse bazează pe senzori CMOS pentru viteză și precizie.

● AutomotiveSisteme avansate de asistență a șoferului (ADAS), camere video pentru vedere spate și parcare.
● Supraveghere și securitateSisteme de detectare a mișcării și a luminii slabe.

Viteza și eficiența costurilor fac din CMOS soluția ideală atât pentru utilizarea comercială de volum mare, cât și pentru lucrările științifice specializate.

De ce CMOS este acum standardul modern

Trecerea de la CCD la CMOS nu s-a produs peste noapte, dar a fost inevitabilă. Iată de ce CMOS este acum piatra de temelie a industriei de imagistică:

● Avantaj în producțieConstruit pe linii standard de fabricație a semiconductorilor, reducând costurile și îmbunătățind scalabilitatea.
● Creșteri de performanțăOpțiuni de obturator rulant și global, sensibilitate îmbunătățită la lumină slabă și rate de cadre mai mari.
● Integrare și inteligențăSenzorii CMOS acceptă acum procesarea inteligenței artificiale pe cip, edge computing și analiza în timp real.
● InovațieTipurile de senzori emergente, cum ar fi CMOS suprapuse, senzorii de imagine cuantică și senzorii curbați, sunt construite pe platforme CMOS.

De la smartphone-uri lacamere științificeCMOS s-a dovedit a fi adaptabil, puternic și pregătit pentru viitor.

Concluzie

Senzorii CMOS au evoluat în standardul modern pentru majoritatea aplicațiilor de imagistică, datorită echilibrului dintre performanță, eficiență și cost. Fie că surprind amintiri de zi cu zi sau efectuează analize științifice de mare viteză, tehnologia CMOS oferă fundația lumii vizuale de astăzi.

Pe măsură ce inovații precum CMOS cu obturator global și sCMOS continuă să extindă capacitățile tehnologiei, dominația acesteia este menită să continue în anii următori.

Întrebări frecvente

Care este diferența dintre un obturator rulant și un obturator global?

Un obturator rulant citește datele de imagine linie cu linie, ceea ce poate cauza artefacte de mișcare (de exemplu, înclinare sau oscilație) atunci când se captează subiecte în mișcare rapidă.

Un obturator global capturează simultan întregul cadru, eliminând distorsiunile cauzate de mișcare. Este ideal pentru aplicații de imagistică de mare viteză, cum ar fi viziunea artificială și experimentele științifice.

Ce este modul de suprapunere CMOS Rolling Shutter?

Pentru camerele CMOS cu obturator rotativ, în modul suprapunere, expunerea următorului cadru poate începe înainte ca cel curent să se fi finalizat complet, permițând rate de cadre mai mari. Acest lucru este posibil deoarece expunerea și citirea fiecărui rând sunt eșalonate în timp.

Acest mod este util în aplicații în care rata maximă de cadre și debitul sunt critice, cum ar fi în inspecția de mare viteză sau urmărirea în timp real. Cu toate acestea, poate crește ușor complexitatea temporizării și sincronizării.