25. 8. 2005Od smartfónov až po vedecké prístroje sú obrazové senzory srdcom dnešnej vizuálnej technológie. Spomedzi nich sa CMOS senzory stali dominantnou silou a poháňajú všetko od bežných fotografií až po pokročilú mikroskopiu a kontrolu polovodičov.
Technológia „komplementárnych polovodičov kov-oxid“ (CMOS) je elektronická architektúra a súbor technológií výrobných procesov, ktorých aplikácie sú neuveriteľne široké. Dalo by sa povedať, že technológia CMOS je základom moderného digitálneho veku.
Čo je to CMOS snímač?
Obrazové snímače CMOS (CIS) používajú aktívne pixely, čo znamená použitie troch alebo viacerých tranzistorov v každom pixeli fotoaparátu. Pixely CCD a EMCCD neobsahujú tranzistory.
Tranzistory v každom pixeli umožňujú paralelné riadenie týchto „aktívnych“ pixelov, zosilňovanie signálov prostredníctvom tranzistorov s efektom poľa a prístup k ich údajom. Namiesto jednej čítacej cesty pre celý senzor alebo jeho významnú časť,...CMOS kamerazahŕňa aspoň jeden celý riadok ADC snímacích obvodov, jeden (alebo viac) ADC pre každý stĺpec senzora. Každý z nich dokáže súčasne čítať hodnotu svojho stĺpca. Okrem toho sú tieto senzory s „aktívnym pixelom“ kompatibilné s digitálnou logikou CMOS, čo zvyšuje potenciálnu funkčnosť senzora.
Tieto vlastnosti spolu zabezpečujú rýchlosť CMOS senzorov. Vďaka tomuto zvýšeniu paralelnosti však jednotlivé ADC prevodníky dokážu merať detekované signály s väčšou presnosťou dlhšie. Tieto dlhšie časy prevodu umožňujú prevádzku s veľmi nízkym šumom, a to aj pri vyššom počte pixelov. Vďaka tomu a ďalším inováciám je šum pri čítaní CMOS senzorov až 5x – 10x nižší ako u CCD snímačov.
Moderné vedecké CMOS (sCMOS) kamery sú špecializovaným podtypom CMOS určeným pre nízkošumové a vysokorýchlostné zobrazovanie vo výskumných aplikáciách.
Ako fungujú CMOS senzory? (Vrátane rolovacej uzávierky a globálnej uzávierky)
Fungovanie typického CMOS snímača je znázornené na obrázku a načrtnuté nižšie. Upozorňujeme, že v dôsledku nižšie uvedených prevádzkových rozdielov sa načasovanie a prevádzka expozície budú líšiť pre CMOS kamery s globálnou a rolujúcou uzávierkou.
Obrázok: Proces čítania údajov zo snímača CMOS
POZNÁMKAProces čítania údajov pre CMOS kamery sa líši medzi kamerami s „rolujúcou uzávierkou“ a kamerami s „globálnou uzávierkou“, ako je uvedené v texte. V oboch prípadoch každý pixel obsahuje kondenzátor a zosilňovač, ktoré produkujú napätie na základe detekovaného počtu fotoelektrónov. Pre každý riadok sa napätia pre každý stĺpec merajú súčasne pomocou analógovo-digitálnych prevodníkov stĺpcov.
Rolovacie uzávierky
1. V prípade snímača CMOS s rolovacou uzávierkou, začnite v hornom riadku (alebo v strede v prípade kamier s deleným snímačom) a vymažte náboj z riadku, aby sa začala expozícia v danom riadku.
2. Po uplynutí „času linky“ (zvyčajne 5 – 20 μs) prejdite na ďalší riadok a opakujte od kroku 1, kým nie je exponovaný celý senzor.
3. V každom riadku sa počas expozície hromadia náboje, až kým sa nedokončí čas expozície daného riadku. Riadok, ktorý začne ako prvý, skončí ako prvý.
4. Po skončení expozície pre jeden riadok preneste náboje do odčítacieho kondenzátora a zosilňovača.
5. Napätie v každom zosilňovači v danom riadku sa potom pripojí k stĺpcovému ADC a signál sa meria pre každý pixel v riadku.
6. Operácia načítania a resetovania bude trvať „čas linky“, po ktorom ďalší riadok, ktorý má začať expozíciu, dosiahne koniec svojho času expozície a proces sa zopakuje od kroku 4.
7. Hneď ako je načítanie údajov pre horný riadok dokončené a za predpokladu, že spodný riadok začal exponovať aktuálny záber, môže horný riadok spustiť expozíciu nasledujúceho záberu (režim prekrývania). Ak je expozičný čas kratší ako čas záberu, horný riadok musí počkať, kým spodný riadok začne exponovať. Najkratšia možná expozícia je zvyčajne čas jedného riadku.
Chladená CMOS kamera Tucsen FL 26BW, vybavený snímačom Sony IMX533, využíva túto technológiu rolovacej uzávierky.
Globálna uzávierka
1. Na začatie snímania sa súčasne vymaže náboj z celého senzora (globálny reset pixelovej jamky).
2. Počas expozície sa akumuluje náboj.
3. Na konci expozície sa zozbierané náboje presunú do maskovanej jamky v každom pixeli, kde môžu čakať na odčítanie bez toho, aby sa počítali nové detekované fotóny. Niektoré fotoaparáty v tejto fáze presúvajú náboje do pixelového kondenzátora.
4. Po uložení detekovaných nábojov v maskovanej oblasti každého pixelu môže aktívna oblasť pixelu začať s expozíciou ďalšieho snímku (režim prekrývania).
5. Proces odčítania z maskovanej oblasti prebieha rovnako ako pri senzoroch s rolovacou uzávierkou: Postupne, po jednom riadku, z vrchu senzora, sa náboje prenášajú z maskovanej jamky do odčítacieho kondenzátora a zosilňovača.
6. Napätie v každom zosilňovači v danom riadku je pripojené k stĺpcovému ADC a signál sa meria pre každý pixel v riadku.
7. Operácia načítania a resetovania bude trvať „čas linky“, načo sa proces zopakuje pre ďalší riadok od kroku 5.
8. Po prečítaní všetkých riadkov je fotoaparát pripravený načítať ďalší záber a proces sa môže opakovať od kroku 2 alebo kroku 3, ak už uplynul expozičný čas.
Tucsenova mono sCMOS kamera Libra 3412Mvyužíva technológiu globálnej uzávierky, ktorá umožňuje jasné a rýchle zachytenie pohybujúcich sa vzoriek.
Výhody a nevýhody CMOS senzorov
Výhody
● Vyššie rýchlostiCMOS senzory sú zvyčajne o 1 až 2 rády rýchlejšie v priepustnosti dát ako CCD alebo EMCCD senzory.
● Väčšie senzoryRýchlejšia priepustnosť dát umožňuje vyšší počet pixelov a väčšie zorné polia, až do desiatok alebo stoviek megapixelov.
● Nízka hlučnosťNiektoré CMOS senzory môžu mať šum pri čítaní až 0,25e-, čím konkurujú EMCCD bez nutnosti násobenia náboja, ktoré pridáva ďalšie zdroje šumu.
● Flexibilita veľkosti pixelovSnímače fotoaparátov pre spotrebiteľov a smartfóny znižujú veľkosť pixelov na približne 1 μm a vedecké fotoaparáty s veľkosťou pixelov do 11 μm sú bežné a dostupné až do 16 μm.
● Nižšia spotreba energieNízke nároky na spotrebu energie CMOS kamier umožňujú ich použitie v širšej škále vedeckých a priemyselných aplikácií.
● Cena a životnosťNízkonákladové CMOS kamery sú zvyčajne cenovo podobné alebo lacnejšie ako CCD kamery a špičkové CMOS kamery sú oveľa lacnejšie ako EMCCD kamery. Ich očakávaná životnosť by mala výrazne presiahnuť životnosť EMCCD kamery.
Nevýhody
● Rolovacia uzávierkaVäčšina vedeckých CMOS kamier má rolovaciu uzávierku, ktorá môže zvýšiť zložitosť experimentálnych pracovných postupov alebo vylúčiť niektoré aplikácie.
● Vyšší temný prúdt: Väčšina CMOS kamier má oveľa vyšší tmavý prúd ako CCD a EMCCD snímače, čo niekedy spôsobuje značný šum pri dlhých expozíciách (> 1 sekunda).
Kde sa dnes používajú CMOS senzory
Vďaka svojej všestrannosti sa CMOS senzory nachádzajú v širokej škále aplikácií:
● Spotrebná elektronikaSmartfóny, webkamery, digitálne zrkadlovky, akčné kamery.
● Biologické vedyNapájanie CMOS snímačovmikroskopické kamerypoužíva sa vo fluorescenčnom zobrazovaní a lekárskej diagnostike.
● AstronómiaTeleskopy a zariadenia na zobrazovanie vesmíru často používajú vedecké CMOS (sCMOS) pre vysoké rozlíšenie a nízky šum.
● Priemyselná inšpekciaAutomatizovaná optická kontrola (AOI), robotika akamery na kontrolu polovodičovspoliehajte sa na CMOS senzory pre rýchlosť a presnosť.
● Automobilový priemyselPokročilé asistenčné systémy vodiča (ADAS), cúvacie a parkovacie kamery.
● Dohľad a bezpečnosťSystémy na detekciu slabého osvetlenia a pohybu.
Vďaka svojej rýchlosti a nákladovej efektívnosti sú CMOS riešením pre veľkoobjemové komerčné použitie aj pre špecializovanú vedeckú prácu.
Prečo je CMOS teraz moderným štandardom
Prechod z CCD na CMOS sa nestal cez noc, ale bol nevyhnutný. Tu je dôvod, prečo je CMOS teraz základným kameňom zobrazovacieho priemyslu:
● Výhoda výrobyPostavené na štandardných linkách na výrobu polovodičov, čo znižuje náklady a zlepšuje škálovateľnosť.
● Zvýšenie výkonuMožnosti rolovacej a globálnej uzávierky, vylepšená citlivosť pri slabom osvetlení a vyššie snímkové frekvencie.
● Integrácia a inteligenciaCMOS senzory teraz podporujú spracovanie údajov pomocou umelej inteligencie na čipe, edge computing a analýzu v reálnom čase.
● InováciaNové typy senzorov, ako sú vrstvené CMOS, kvantové obrazové senzory a zakrivené senzory, sú postavené na platformách CMOS.
Od smartfónov až povedecké kameryCMOS sa ukázal ako prispôsobivý, výkonný a pripravený na budúcnosť.
Záver
Snímače CMOS sa vďaka svojej rovnováhe medzi výkonom, efektivitou a cenou vyvinuli do moderného štandardu pre väčšinu zobrazovacích aplikácií. Či už ide o zachytávanie každodenných spomienok alebo vykonávanie vysokorýchlostných vedeckých analýz, technológia CMOS poskytuje základ dnešného vizuálneho sveta.
Keďže inovácie ako globálna uzávierka CMOS a sCMOS naďalej rozširujú možnosti tejto technológie, jej dominancia bude pokračovať aj v nasledujúcich rokoch.
Často kladené otázky
Aký je rozdiel medzi rolovacou uzávierkou a globálnou uzávierkou?
Rolovacia uzávierka číta obrazové dáta riadok po riadku, čo môže pri snímaní rýchlo sa pohybujúcich objektov spôsobiť pohybové artefakty (napr. skreslenie alebo chvenie).
Globálna uzávierka zachytáva celý záber súčasne, čím eliminuje skreslenie spôsobené pohybom. Je ideálna pre vysokorýchlostné zobrazovacie aplikácie, ako je strojové videnie a vedecké experimenty.
Čo je režim prekrývania CMOS s rolovacou uzávierkou?
Pri CMOS kamerách s postupnou uzávierkou môže v režime prekrývania expozícia nasledujúceho snímku začať ešte predtým, ako sa aktuálna snímka úplne dokončí, čo umožňuje vyššiu snímkovú frekvenciu. Je to možné, pretože expozícia a odčítanie každého riadku sú časovo rozložené.
Tento režim je užitočný v aplikáciách, kde je kritická maximálna snímková frekvencia a priepustnosť, napríklad pri vysokorýchlostnej kontrole alebo sledovaní v reálnom čase. Môže však mierne zvýšiť zložitosť načasovania a synchronizácie.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Všetky práva vyhradené. Pri citovaní uveďte zdroj:www.tucsen.com
