25. 8. 2005Od pametnih telefonov do znanstvenih instrumentov so slikovni senzorji v središču današnje vizualne tehnologije. Med njimi so CMOS senzorji postali prevladujoča sila, ki poganja vse od vsakdanjih fotografij do napredne mikroskopije in pregledovanja polprevodnikov.
Tehnologija »komplementarnih kovinsko-oksidnih polprevodnikov« (CMOS) je elektronska arhitektura in niz tehnologij proizvodnih procesov, katerih uporaba je neverjetno široka. Pravzaprav bi lahko rekli, da je tehnologija CMOS temelj sodobne digitalne dobe.
Kaj je CMOS senzor?
Slikovni senzorji CMOS (CIS) uporabljajo aktivne slikovne pike, kar pomeni uporabo treh ali več tranzistorjev v vsaki slikovni piki kamere. Slikovni senzorji CCD in EMCCD ne vsebujejo tranzistorjev.
Tranzistorji v vsakem slikovnem elementu omogočajo vzporedno krmiljenje teh »aktivnih« slikovnih elementov, ojačanje signalov prek tranzistorjev s »učinkom polja« in dostop do njihovih podatkov. Namesto ene same poti odčitavanja za celoten senzor ali pomemben del senzorja, aCMOS kameravključuje vsaj eno celotno vrstico odčitanih ADC-jev, enega (ali več) ADC-jev za vsak stolpec senzorja. Vsak od teh lahko hkrati odčita vrednost svojega stolpca. Poleg tega so ti senzorji z "aktivnimi piksli" združljivi z digitalno logiko CMOS, kar povečuje potencialno funkcionalnost senzorja.
Zaradi teh lastnosti so CMOS senzorji hitri. Vendar pa lahko zaradi povečane vzporednosti posamezni ADC-ji merijo zaznane signale dlje in natančneje. Ti daljši časi pretvorbe omogočajo delovanje z zelo nizkim šumom, tudi pri večjem številu slikovnih pik. Zahvaljujoč temu in drugim inovacijam je bralni šum CMOS senzorjev običajno kar 5- do 10-krat nižji kot pri CCD-jih.
Sodobne znanstvene CMOS (sCMOS) kamere so specializirana podvrsta CMOS-a, zasnovana za slikanje z nizkim šumom in visoko hitrostjo v raziskovalnih aplikacijah.
Kako delujejo CMOS senzorji? (Vključno z Rolling Shutterjem in Global Shutterjem)
Delovanje tipičnega CMOS senzorja je prikazano na sliki in opisano spodaj. Upoštevajte, da se bosta zaradi spodnjih razlik v delovanju čas in delovanje osvetlitve razlikovala pri CMOS kamerah z globalnim in CMOS kamerah z rolling shutterjem.
Slika: Postopek branja za CMOS senzor
OPOMBAPostopek odčitavanja pri CMOS kamerah se razlikuje pri kamerah z "rolling shutter" in "global shutter", kot je opisano v besedilu. V obeh primerih vsaka slikovna pika vsebuje kondenzator in ojačevalnik, ki proizvajata napetost na podlagi zaznanega števila fotoelektronov. Za vsako vrstico se napetosti za vsak stolpec merijo hkrati z analogno-digitalnimi pretvorniki stolpcev.
Rolo zaklop
1. Pri CMOS-senzorju z zasunom, začenši v zgornji vrstici (ali na sredini pri kamerah z deljenim senzorjem), odstranite naboj iz vrstice, da začnete osvetlitev te vrstice.
2. Po preteku »časa linije« (običajno 5–20 μs) se premaknite v naslednjo vrsto in ponavljajte postopek od 1. koraka, dokler ni izpostavljen celoten senzor.
3. Za vsako vrsto se naboji med osvetlitvijo kopičijo, dokler se čas osvetlitve te vrste ne konča. Vrsta, ki se prva začne, se bo prva končala.
4. Ko je osvetlitev za vrsto končana, prenesite naboje na odčitovalni kondenzator in ojačevalnik.
5. Napetost v vsakem ojačevalniku v tej vrstici se nato priključi na stolpčni ADC, signal pa se izmeri za vsak slikovni element v vrstici.
6. Postopek odčitavanja in ponastavitve bo trajal »čas vrstice«, po katerem bo naslednja vrstica, ki bo začela osvetljevati, dosegla konec časa osvetlitve in postopek se bo ponovil od 4. koraka naprej.
7. Takoj ko je odčitavanje za zgornjo vrstico končano in je spodnja vrstica že začela osvetljevati trenutni kader, lahko zgornja vrstica začne osvetljevati naslednji kader (način prekrivanja). Če je čas osvetlitve krajši od časa kadra, mora zgornja vrstica počakati, da spodnja vrstica začne osvetljevati. Najkrajša možna osvetlitev je običajno čas ene vrstice.
Tucsenova FL 26BW hlajena CMOS kamera, ki ima senzor Sony IMX533, uporablja to tehnologijo rolo zaklopa.
Globalni zaklop
1. Za začetek zajemanja se hkrati iz celotnega senzorja izprazni naboj (globalna ponastavitev slikovne vdolbinice).
2. Naboj se med izpostavljenostjo kopiči.
3. Na koncu osvetlitve se zbrani naboji premaknejo v maskirano vdolbinico znotraj vsakega slikovnega elementa, kjer lahko počakajo na odčitavanje, ne da bi se prešteli novi zaznani fotoni. Nekatere kamere na tej stopnji premaknejo naboje v slikovni kondenzator.
4. Ko se zaznani naboji shranijo v maskiranem območju vsakega slikovnega elementa, lahko aktivno območje slikovnega elementa začne osvetljevati naslednji kader (način prekrivanja).
5. Postopek odčitavanja iz maskiranega območja poteka enako kot pri senzorjih z zasunom: Ena vrsta naenkrat se z vrha senzorja naboji prenašajo iz maskiranega jaška na odčitovalni kondenzator in ojačevalnik.
6. Napetost v vsakem ojačevalniku v tej vrstici je priključena na stolpčni ADC, signal pa se meri za vsak slikovni element v vrstici.
7. Postopek branja in ponastavitve bo trajal »čas vrstice«, nakar se bo postopek ponovil za naslednjo vrstico od koraka 5.
8. Ko so prebrane vse vrstice, je kamera pripravljena za branje naslednjega kadra in postopek se lahko ponovi od 2. koraka ali 3. koraka, če je čas osvetlitve že potekel.
Tucsenova mono sCMOS kamera Libra 3412Muporablja tehnologijo globalnega zaklopa, ki omogoča jasen in hiter zajem vzorcev v gibanju.
Prednosti in slabosti CMOS senzorjev
Prednosti
● Višje hitrostiCMOS senzorji so običajno za 1 do 2 velikostna reda hitrejši pri pretoku podatkov kot CCD ali EMCCD senzorji.
● Večji senzorjiHitrejši prenos podatkov omogoča večje število slikovnih pik in večja vidna polja, do deset ali sto milijonov slikovnih pik.
● Nizka raven hrupaNekateri CMOS senzorji imajo lahko šum pri branju že od 0,25e-, kar konkurira EMCCD senzorjem, ne da bi bilo potrebno množenje naboja, ki bi dodajalo dodatne vire šuma.
● Prilagodljivost velikosti slikovnih pikSenzorji kamer za potrošnike in pametne telefone zmanjšujejo velikosti slikovnih pik na območje ~1 μm, znanstvene kamere pa so pogoste z velikostjo slikovnih pik do 11 μm, na voljo pa so tudi do 16 μm.
● Nižja poraba energijeNizke porabe energije CMOS kamer omogočajo njihovo uporabo v širšem naboru znanstvenih in industrijskih aplikacij.
● Cena in življenjska dobaNizkocenovne CMOS kamere so običajno podobne ali cenejše od CCD kamer, visokocenovne CMOS kamere pa so precej cenejše od EMCCD kamer. Njihova pričakovana življenjska doba bi morala precej preseči življenjsko dobo EMCCD kamere.
Slabosti
● Rolo zaklopVečina znanstvenih CMOS kamer ima rolo zaklop, kar lahko poveča zapletenost eksperimentalnih delovnih procesov ali izključi nekatere aplikacije.
● Višji temni tokt: Večina CMOS kamer ima veliko višji temni tok kot CCD in EMCCD senzorji, kar včasih pri dolgih osvetlitvah (> 1 sekunda) povzroča precejšen šum.
Kje se danes uporabljajo CMOS senzorji
Zaradi svoje vsestranskosti se CMOS senzorji uporabljajo v najrazličnejših aplikacijah:
● Potrošniška elektronikaPametni telefoni, spletne kamere, DSLR-ji, akcijske kamere.
● Biološke vedeMoč CMOS senzorjevmikroskopske kamereuporablja se v fluorescenčnem slikanju in medicinski diagnostiki.
● AstronomijaTeleskopi in naprave za vesoljsko slikanje pogosto uporabljajo znanstveni CMOS (sCMOS) za visoko ločljivost in nizek šum.
● Industrijski pregledAvtomatiziran optični pregled (AOI), robotika inkamere za pregled polprevodnikovza hitrost in natančnost se zanašajte na CMOS senzorje.
● Avtomobilska industrijaNapredni sistemi za pomoč vozniku (ADAS), kamere za vzvratno vožnjo in parkiranje.
● Nadzor in varnostSistemi za zaznavanje šibke svetlobe in gibanja.
Zaradi njihove hitrosti in stroškovne učinkovitosti so CMOS idealna rešitev tako za komercialno uporabo v velikih količinah kot za specializirano znanstveno delo.
Zakaj je CMOS zdaj sodobni standard
Prehod s CCD na CMOS se ni zgodil čez noč, je bil pa neizogiben. Tukaj je razlog, zakaj je CMOS zdaj temelj industrije slikanja:
● Prednost v proizvodnjiZgrajeno na standardnih linijah za izdelavo polprevodnikov, kar zmanjšuje stroške in izboljšuje skalabilnost.
● Izboljšave zmogljivostiMožnosti zaklopa z vrtenjem in globalnega zaklopa, izboljšana občutljivost pri šibki svetlobi in višje število sličic.
● Integracija in obveščevalni podatkiCMOS senzorji zdaj podpirajo obdelavo z umetno inteligenco na čipu, robno računalništvo in analizo v realnem času.
● InovacijeNove vrste senzorjev, kot so zložene CMOS, kvantne slikovne senzorje in ukrivljene senzorje, so zgrajene na platformah CMOS.
Od pametnih telefonov doznanstvene kamereCMOS se je izkazal za prilagodljivega, zmogljivega in pripravljenega na prihodnost.
Zaključek
CMOS senzorji so se zaradi svojega ravnovesja med zmogljivostjo, učinkovitostjo in stroški razvili v sodobni standard za večino slikovnih aplikacij. Ne glede na to, ali zajemate vsakdanje spomine ali izvajate visokohitrostne znanstvene analize, tehnologija CMOS zagotavlja temelje za današnji vizualni svet.
Ker inovacije, kot sta CMOS z globalnim zaklopom in sCMOS, še naprej širijo zmogljivosti tehnologije, se bo njena prevlada nadaljevala še vrsto let.
Pogosta vprašanja
Kakšna je razlika med rolo zaklopom in globalnim zaklopom?
Rolling shutter bere slikovne podatke vrstico za vrstico, kar lahko povzroči artefakte gibanja (npr. poševnost ali nihanje) pri zajemanju hitro premikajočih se motivov.
Globalni zaklop zajame celoten kader hkrati in odpravi popačenje zaradi gibanja. Idealen je za hitro slikanje, kot sta strojni vid in znanstveni poskusi.
Kaj je način prekrivanja CMOS-a z zvitim zaklopom?
Pri CMOS kamerah z zasunom se lahko v načinu prekrivanja osvetlitev naslednjega kadra začne, še preden se trenutni v celoti zaključi, kar omogoča višje hitrosti sličic. To je mogoče, ker sta osvetlitev in odčitavanje vsake vrstice časovno zamaknjena.
Ta način je uporaben v aplikacijah, kjer sta največja hitrost sličic in prepustnost ključnega pomena, na primer pri hitrem pregledu ali sledenju v realnem času. Vendar pa lahko nekoliko poveča kompleksnost časovnega usklajevanja in sinhronizacije.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Vse pravice pridržane. Pri citiranju navedite vir:www.tucsen.com
