05.08.2025От смартфонов до научных приборов, датчики изображения лежат в основе современных визуальных технологий. Среди них CMOS-сенсоры стали доминирующей силой, обеспечивая работу всего, от обычных фотографий до передовой микроскопии и контроля полупроводников.
Технология «комплементарного металлооксидного полупроводника» (CMOS) — это электронная архитектура и набор технологических процессов изготовления, область применения которых невероятно широка. Действительно, можно сказать, что технология CMOS лежит в основе современной цифровой эпохи.
Что такое CMOS-сенсор?
В CMOS-матрицах (CIS) используются активные пиксели, то есть в каждом пикселе камеры используется три или более транзисторов. В пикселях CCD и EMCCD транзисторы отсутствуют.
Транзисторы в каждом пикселе позволяют управлять этими «активными» пикселями, усиливать сигналы через «полевые» транзисторы и получать доступ к их данным — всё параллельно. Вместо единого пути считывания для всего датчика или значительной его части,CMOS-камераВключает в себя как минимум один полный ряд АЦП для считывания, по одному (или более) АЦП для каждого столбца датчика. Каждый из них может одновременно считывать значение своего столбца. Кроме того, эти датчики с «активными пикселями» совместимы с цифровой логикой CMOS, что расширяет потенциальную функциональность датчика.
В совокупности эти качества обеспечивают высокую скорость работы CMOS-сенсоров. Однако благодаря увеличению параллелизма, отдельным АЦП требуется больше времени для более точного измерения детектируемых сигналов. Более длительное время преобразования позволяет добиться очень низкого уровня шума даже при большом количестве пикселей. Благодаря этому и другим нововведениям, уровень шума считывания CMOS-сенсоров, как правило, в 5–10 раз ниже, чем у ПЗС-матриц.
Современные научные CMOS-камеры (sCMOS) — это специализированный подтип CMOS-матриц, разработанный для получения изображений с низким уровнем шума и высокой скоростью в исследовательских приложениях.
Как работают CMOS-сенсоры? (Включая сравнение скользящего и глобального затвора)
Принцип работы типичного CMOS-сенсора показан на рисунке и описан ниже. Обратите внимание, что из-за указанных ниже различий в работе, время и параметры экспозиции будут отличаться для CMOS-камер с глобальным и скользящим затвором.
ПРИМЕЧАНИЕ: Процесс считывания данных для CMOS-камер различается для камер с «роллинг-шаттером» и «глобальным затвором», как описано в тексте. В обоих случаях каждый пиксель содержит конденсатор и усилитель, которые генерируют напряжение в зависимости от количества обнаруженных фотоэлектронов. Для каждой строки напряжения для каждого столбца измеряются одновременно аналого-цифровыми преобразователями столбцов.
Роллетные ворота
1. Для CMOS-сенсора с эффектом «скользящего затвора» начиная с верхнего ряда (или центра для камер с раздельным сенсором), необходимо сбросить заряд в этом ряду, чтобы начать экспозицию.
2. После истечения «времени строки» (обычно 5-20 мкс) перейдите к следующему ряду и повторите шаги с 1 до тех пор, пока не будет полностью экспонирован сенсор.
3. В каждом ряду заряды накапливаются в течение времени экспозиции, пока не закончится время экспозиции этого ряда. Первый ряд, который начнет экспозицию, завершит ее первым.
4. После завершения экспозиции ряда перенесите заряды на считывающий конденсатор и усилитель.
5. Затем напряжение в каждом усилителе в этом ряду подключается к столбцовому АЦП, и измеряется сигнал для каждого пикселя в ряду.
6. Операция считывания и сброса займет «время строки», после чего следующая строка, с которой начнется экспозиция, достигнет конца своего времени экспозиции, и процесс повторится, начиная с шага 4.
7. Как только считывание данных для верхнего ряда завершится, при условии, что нижний ряд начал экспонирование текущего кадра, верхний ряд может начать экспонирование следующего кадра (режим перекрытия). Если время экспозиции короче времени кадра, верхний ряд должен дождаться начала экспозиции нижнего ряда. Минимально возможная экспозиция обычно составляет одну строку.
Охлаждаемая CMOS-камера FL 26BW от компании TucsenВ этом устройстве, оснащенном сенсором Sony IMX533, используется технология «скользящего затвора».
Глобальный затвор
1. Для начала сбора данных заряд одновременно сбрасывается со всего датчика (глобальный сброс пиксельной ячейки).
2. В процессе воздействия накапливается заряд.
3. По окончании экспозиции собранные заряды перемещаются в замаскированную ячейку внутри каждого пикселя, где они могут ожидать считывания без учета новых обнаруженных фотонов. В некоторых камерах на этом этапе заряды перемещаются в конденсатор пикселя.
4. Благодаря обнаруженным зарядам, хранящимся в замаскированной области каждого пикселя, активная область пикселя может начать экспозицию следующего кадра (режим перекрытия).
5. Процесс считывания с замаскированной области происходит так же, как и для датчиков с скользящим затвором: по одному ряду за раз, сверху датчика, заряды передаются из замаскированной области на считывающий конденсатор и усилитель.
6. Напряжение в каждом усилителе в этой строке подключается к АЦП столбца, и измеряется сигнал для каждого пикселя в строке.
7. Операция считывания и сброса займет "время строки", после чего процесс повторится для следующей строки, начиная с шага 5.
8. После считывания всех строк камера готова к считыванию следующего кадра, и процесс можно повторить с шага 2 или с шага 3, если время экспозиции уже истекло.
Монофоническая sCMOS-камера Libra 3412M от TucsenИспользуется технология глобального затвора, позволяющая четко и быстро фиксировать движущиеся образцы.
Преимущества и недостатки CMOS-сенсоров
Плюсы
● Более высокие скоростиCMOS-сенсоры, как правило, обеспечивают в 1-2 порядка более высокую скорость передачи данных по сравнению с CCD или EMCCD сенсорами.
● Более крупные датчикиБолее высокая скорость передачи данных позволяет увеличить количество пикселей и расширить поле зрения до десятков или сотен мегапикселей.
● Низкий уровень шумаНекоторые CMOS-сенсоры могут иметь уровень шума считывания всего 0,25e-, что сопоставимо с EMCCD-сенсорами, но при этом не требуют умножения заряда, которое добавляет дополнительные источники шума.
● Гибкость размера пикселяВ потребительских камерах и камерах смартфонов размер пикселей снижается до ~1 мкм, а в научных камерах распространены размеры пикселей до 11 мкм, и доступны модели с размером пикселя до 16 мкм.
● Низкое энергопотреблениеНизкое энергопотребление CMOS-камер позволяет использовать их в более широком спектре научных и промышленных приложений.
● Цена и срок службыНедорогие CMOS-камеры, как правило, стоят примерно столько же или даже дешевле, чем CCD-камеры, а высококачественные CMOS-камеры значительно дешевле, чем EMCCD-камеры. Ожидаемый срок их службы должен значительно превышать срок службы EMCCD-камер.
Минусы
● Роллетные воротаБольшинство научных CMOS-камер имеют эффект «скользящего затвора», что может усложнить экспериментальные процессы или исключить некоторые области применения.
● Более темный кернt: У большинства CMOS-камер темновой ток значительно выше, чем у CCD и EMCCD сенсоров, что иногда приводит к появлению существенного шума при длительных выдержках (> 1 секунды).
Где сегодня используются CMOS-сенсоры
Благодаря своей универсальности, CMOS-сенсоры находят применение в самых разнообразных областях:
● Бытовая электроникаСмартфоны, веб-камеры, цифровые зеркальные камеры, экшн-камеры.
● Биологические наукиПитание CMOS-датчиковмикроскопические камерыИспользуется в флуоресцентной визуализации и медицинской диагностике.
● АстрономияТелескопы и космические устройства для получения изображений часто используют научную КМОП-технологию (sCMOS) для обеспечения высокого разрешения и низкого уровня шума.
● Промышленная инспекция: Автоматизированный оптический контроль (АОИ), робототехника икамеры для контроля полупроводниковполагаются на CMOS-сенсоры для обеспечения скорости и точности.
● Автомобильная промышленность: Усовершенствованные системы помощи водителю (ADAS), камеры заднего вида и парковочные камеры.
● Наблюдение и безопасностьСистемы обнаружения движения и работы в условиях низкой освещенности.
Благодаря своей скорости и экономичности, технология CMOS является оптимальным решением как для крупномасштабного коммерческого использования, так и для специализированных научных работ.
Почему CMOS-технология стала современным стандартом?
Переход от ПЗС-матриц к КМОП-матрицам произошел не мгновенно, но был неизбежен. Вот почему КМОП-матрицы сейчас являются краеугольным камнем индустрии обработки изображений:
● Производственные преимуществаРазработан на основе стандартных линий по производству полупроводников, что снижает затраты и повышает масштабируемость.
● Повышение производительности: Возможность использования скользящего и глобального затвора, улучшенная чувствительность при слабом освещении и более высокая частота кадров.
● Интеграция и интеллект: Теперь CMOS-сенсоры поддерживают обработку данных с помощью ИИ на кристалле, периферийные вычисления и анализ в реальном времени.
● ИнновацииНовые типы датчиков, такие как многослойные CMOS-матрицы, квантовые датчики изображения и изогнутые датчики, создаются на основе CMOS-платформ.
От смартфонов донаучные камерыТехнология CMOS доказала свою адаптивность, мощность и готовность к будущим вызовам.
Заключение
Благодаря оптимальному сочетанию производительности, эффективности и стоимости, CMOS-сенсоры превратились в современный стандарт для большинства задач обработки изображений. Будь то запечатление повседневных моментов или проведение высокоскоростного научного анализа, технология CMOS обеспечивает основу для современного мира визуализации.
Поскольку такие инновации, как КМОП-технология с глобальным затвором и sCMOS-технология, продолжают расширять возможности этой технологии, ее доминирование, по всей видимости, сохранится еще долгие годы.
Часто задаваемые вопросы
В чём разница между рулонными и глобальными жалюзи?
Функция построчного считывания (rolling shutter) считывает данные изображения построчно, что может вызывать артефакты движения (например, искажения или дрожание) при съемке быстро движущихся объектов.
Глобальный затвор захватывает весь кадр одновременно, исключая искажения, вызванные движением. Он идеально подходит для высокоскоростной съемки, например, в системах машинного зрения и научных экспериментах.
Что такое режим перекрытия CMOS-матриц при использовании скользящего затвора?
В CMOS-камерах с скользящим затвором в режиме перекрытия экспозиция следующего кадра может начаться до того, как текущий кадр будет полностью завершен, что позволяет использовать более высокую частоту кадров. Это возможно благодаря тому, что экспозиция и считывание каждой строки происходят с задержкой во времени.
Этот режим полезен в приложениях, где критически важны максимальная частота кадров и пропускная способность, например, при высокоскоростной проверке или отслеживании в реальном времени. Однако он может несколько увеличить сложность синхронизации и управления временем.
