Знакомство с КМОП-сенсорами: современный стандарт для большинства изображений |

От смартфонов до научных приборов — датчики изображения лежат в основе современных визуальных технологий. Среди них КМОП-сенсоры стали доминирующей силой, обеспечивая всё: от обычной фотографии до сложной микроскопии и контроля полупроводников.

Технология «комплементарный металл-оксид-полупроводник» (КМОП) — это электронная архитектура и набор технологических процессов, применение которых невероятно обширно. Можно сказать, что КМОП-технология лежит в основе современной цифровой эпохи.

Что такое КМОП-сенсор?

В КМОП-датчиках изображения (CIS) используются активные пиксели, то есть в каждом пикселе камеры используется три или более транзисторов. Пиксели ПЗС и EMCCD не содержат транзисторов.

Транзисторы в каждом пикселе позволяют управлять этими «активными» пикселями, усиливать сигналы через полевые транзисторы и получать доступ к их данным – всё это параллельно. Вместо единого пути считывания для всего датчика или его значительной части,КМОП-камераВключает в себя как минимум один ряд считывающих АЦП, по одному (или более) на каждый столбец датчика. Каждый из них может считывать значение своего столбца одновременно. Кроме того, эти датчики с «активными пикселями» совместимы с цифровой КМОП-логикой, что расширяет потенциальную функциональность датчика.

В совокупности эти качества обеспечивают КМОП-сенсорам высокую скорость. Однако благодаря этому повышению параллелизма отдельные АЦП могут измерять обнаруженные сигналы дольше и с большей точностью. Более длительное время преобразования обеспечивает очень низкий уровень шума, даже при большем количестве пикселей. Благодаря этому и другим инновациям шум чтения КМОП-сенсоров, как правило, в 5–10 раз ниже, чем у ПЗС.

Современные научные КМОП-камеры (sCMOS) представляют собой специализированный подтип КМОП, предназначенный для малошумной и высокоскоростной съемки в исследовательских целях.

Как работают КМОП-сенсоры? (В том числе с использованием вращающегося и глобального затвора)

Принцип работы типичного КМОП-сенсора показан на рисунке и описан ниже. Обратите внимание, что из-за перечисленных ниже различий в работе, время и процесс экспозиции будут различаться для КМОП-камер с глобальным и скользящим затвором.

Рисунок: Процесс считывания данных с КМОП-сенсора

ПРИМЕЧАНИЕ: Процесс считывания данных в КМОП-камерах с «скользящим» и «глобальным» затвором различается, как обсуждалось в тексте. В обоих случаях каждый пиксель содержит конденсатор и усилитель, которые вырабатывают напряжение, зависящее от количества зарегистрированных фотоэлектронов. Для каждой строки напряжения в каждом столбце одновременно измеряются аналогово-цифровыми преобразователями (АЦП) столбцов.

Рольставни

1. Для КМОП-сенсора со скользящим затвором, начиная с верхнего ряда (или с центра для камер с разделенным сенсором), снимите заряд с ряда, чтобы начать экспозицию этого ряда.
2. По истечении «времени строки» (обычно 5–20 мкс) перейдите к следующей строке и повторите с шага 1, пока не будет экспонирован весь датчик.
3. В каждом ряду заряды накапливаются во время экспозиции, пока время экспозиции не завершится. Первый начавший ряд завершит экспозицию первым.
4. После завершения экспозиции ряда перенесите заряды на считывающий конденсатор и усилитель.
5. Напряжение в каждом усилителе в этой строке затем подключается к АЦП столбца, и сигнал измеряется для каждого пикселя в строке.
6. Операция считывания и сброса займет «время строки», после чего следующая строка, которая должна была начать экспонирование, достигнет конца своего времени экспонирования, и процесс повторится с шага 4.
7. Как только считывание данных в верхней строке завершится, при условии, что нижняя строка уже начала экспонирование текущего кадра, верхняя строка может начать экспонирование следующего кадра (режим перекрытия). Если время экспозиции короче времени кадра, верхняя строка должна дождаться начала экспонирования нижней. Минимально возможная экспозиция обычно составляет время одной строки.

Охлаждаемая CMOS-камера FL 26BW от Tucsen, оснащенная датчиком Sony IMX533, использует технологию вращающегося затвора.

Глобальный затвор

Источник:Датчик изображения CMOS с глобальным затвором GMAX3412

1. Для начала сбора данных одновременно происходит сброс заряда со всего сенсора (глобальный сброс ячейки пикселя).
2. Заряд накапливается во время воздействия.
3. По окончании экспозиции накопленные заряды перемещаются в замаскированную ячейку внутри каждого пикселя, где они могут ожидать считывания без подсчёта новых зарегистрированных фотонов. Некоторые камеры на этом этапе перемещают заряды в конденсатор пикселя.
4. При сохранении обнаруженных зарядов в маскированной области каждого пикселя активная область пикселя может начать экспонирование следующего кадра (режим перекрытия).
5. Процесс считывания из замаскированной области происходит так же, как и для датчиков с вращающимся затвором: по одной строке за раз, сверху датчика, заряды переносятся из замаскированной области на считывающий конденсатор и усилитель.
6. Напряжение в каждом усилителе в этой строке подключено к АЦП столбца, и сигнал измеряется для каждого пикселя в строке.
7. Операция считывания и сброса займет «время линии», после чего процесс повторится для следующей строки с шага 5.
8. После считывания всех строк камера готова к считыванию следующего кадра, и процесс можно повторить с шага 2 или шага 3, если время экспозиции уже истекло.

Монохромная sCMOS-камера Tucsen Libra 3412Mиспользует технологию глобального затвора, обеспечивающую четкую и быструю фиксацию движущихся образцов.

Плюсы и минусы КМОП-сенсоров

Плюсы

● Более высокие скорости: Датчики CMOS обычно на 1–2 порядка быстрее по скорости передачи данных, чем датчики CCD или EMCCD.
● Датчики большего размера: Более высокая скорость передачи данных позволяет использовать большее количество пикселей и более широкие поля зрения — до десятков или сотен мегапикселей.
● Низкий уровень шума: Некоторые датчики CMOS могут иметь уровень шума при считывании до 0,25e-, что сопоставимо с EMCCD, но без необходимости умножения заряда, которое добавляет дополнительные источники шума.
● Гибкость размера пикселей: Датчики камер потребительских товаров и смартфонов позволяют уменьшить размер пикселя до ~1 мкм, а в научных камерах распространены пиксели размером до 11 мкм, а доступны и до 16 мкм.
● Низкое энергопотребление: Низкое энергопотребление CMOS-камер позволяет использовать их в более широком спектре научных и промышленных приложений.
● Цена и срок службы: КМОП-камеры начального уровня, как правило, стоят столько же или дешевле, чем ПЗС-камеры, а КМОП-камеры высокого уровня стоят значительно дешевле EMCCD-камер. Ожидаемый срок их службы должен значительно превышать срок службы EMCCD-камер.

Минусы

● Рольставни: Большинство научных КМОП-камер оснащены вращающимся затвором, что может усложнить экспериментальные рабочие процессы или исключить некоторые приложения.
● Более высокий темный токт: Большинство CMOS-камер имеют гораздо более высокий темновой ток, чем датчики CCD и EMCCD, что иногда приводит к появлению значительного шума при длительной выдержке (> 1 секунды).

Где сегодня используются КМОП-сенсоры

Благодаря своей универсальности КМОП-датчики находят широкое применение:

● Бытовая электроника: Смартфоны, веб-камеры, зеркальные фотокамеры, экшн-камеры.
● Науки о жизни: Мощность КМОП-датчиковмикроскопические камерыиспользуется в флуоресцентной визуализации и медицинской диагностике.

● Астрономия: Телескопы и устройства космической съемки часто используют научную КМОП-матрицу (sCMOS) для обеспечения высокого разрешения и низкого уровня шума.
● Промышленная инспекция: Автоматизированный оптический контроль (AOI), робототехника икамеры для контроля полупроводниковположитесь на КМОП-датчики для скорости и точности.

● Автомобильная промышленность: Современные системы помощи водителю (ADAS), камеры заднего вида и парковочные камеры.
● Наблюдение и безопасность: Системы обнаружения слабого освещения и движения.

Благодаря своей скорости и экономической эффективности КМОП является оптимальным решением как для массового коммерческого использования, так и для специализированной научной работы.

Почему КМОП теперь является современным стандартом

Переход с ПЗС на КМОП-матрицу произошёл не в одночасье, но был неизбежен. Вот почему КМОП-матрица теперь является краеугольным камнем индустрии обработки изображений:

● Преимущество производства: Создано на основе стандартных линий по производству полупроводников, что снижает стоимость и повышает масштабируемость.
● Повышение производительности: Возможности вращающегося и глобального затвора, улучшенная чувствительность при слабом освещении и более высокая частота кадров.
● Интеграция и интеллект: КМОП-датчики теперь поддерживают внутрикристальную обработку ИИ, периферийные вычисления и анализ в реальном времени.
● Инновации: Новые типы датчиков, такие как стекированные КМОП, квантовые датчики изображения и изогнутые датчики, построены на платформах КМОП.

От смартфонов донаучные камерыТехнология CMOS доказала свою гибкость, мощность и готовность к будущему.

Заключение

КМОП-сенсоры стали современным стандартом для большинства приложений обработки изображений благодаря сочетанию производительности, эффективности и стоимости. Будь то съемка повседневных воспоминаний или высокоскоростной научный анализ, технология КМОП лежит в основе современного мира изображений.

Поскольку такие инновации, как глобальный затвор CMOS и sCMOS, продолжают расширять возможности технологии, ее доминирование, несомненно, сохранится еще долгие годы.

Часто задаваемые вопросы

В чем разница между рольставнями и глобальными затворами?

Роллинговый затвор считывает данные изображения строка за строкой, что может привести к появлению артефактов движения (например, перекосу или дрожанию) при съемке быстро движущихся объектов.

Глобальный затвор захватывает весь кадр одновременно, устраняя искажения, вызванные движением. Он идеально подходит для высокоскоростной обработки изображений, например, для машинного зрения и научных экспериментов.

Что такое режим перекрытия CMOS-матрицы Rolling Shutter?

В КМОП-камерах с скользящим затвором в режиме перекрытия экспонирование следующего кадра может начинаться до полного завершения текущего, что позволяет увеличить частоту кадров. Это возможно благодаря тому, что экспозиция и считывание каждой строки разнесены во времени.

Этот режим полезен в приложениях, где критичны максимальная частота кадров и пропускная способность, например, при высокоскоростном контроле или отслеживании в реальном времени. Однако он может несколько усложнить синхронизацию и синхронизацию.