25/08/05Nga telefonat inteligjentë te instrumentet shkencore, sensorët e imazhit janë në zemër të teknologjisë vizuale të sotme. Midis tyre, sensorët CMOS janë bërë forca mbizotëruese, duke fuqizuar gjithçka, nga fotot e përditshme te mikroskopia e përparuar dhe inspektimi i gjysmëpërçuesve.
Teknologjia 'Gjysmëpërçues i Oksidit Metalik Plotësues' (CMOS) është një arkitekturë elektronike dhe një sërë teknologjish të proceseve të prodhimit, zbatimet e të cilave janë tepër të gjera. Në të vërtetë, mund të thuhet se teknologjia CMOS mbështet epokën moderne dixhitale.
Çfarë është një sensor CMOS?
Sensorët e imazhit CMOS (CIS) përdorin pikselë aktivë, që do të thotë përdorimi i tre ose më shumë transistorëve në secilin piksel të kamerës. Pikselët CCD dhe EMCCD nuk përmbajnë transistorë.
Transistorët në secilin piksel mundësojnë që këto pikselë 'aktivë' të kontrollohen, sinjalet të amplifikohen përmes transistorëve të 'efektit të fushës' dhe të dhënat e tyre të aksesohen, të gjitha paralelisht. Në vend të një rruge të vetme leximi për një sensor të tërë ose një pjesë të konsiderueshme të një sensori, njëKamera CMOSpërfshin të paktën një rresht të tërë ADC-sh leximi, një (ose më shumë) ADC për secilën kolonë të sensorit. Secili prej tyre mund të lexojë vlerën e kolonës së vet njëkohësisht. Për më tepër, këta sensorë 'piksel aktiv' janë të pajtueshëm me logjikën dixhitale CMOS, duke rritur funksionalitetin potencial të sensorit.
Së bashku, këto cilësi u japin sensorëve CMOS shpejtësinë e tyre. Megjithatë, falë kësaj rritjeje të paralelizmit, ADC-të individuale janë në gjendje të marrin më shumë kohë për të matur sinjalet e tyre të zbuluara me më shumë saktësi. Këto kohë më të gjata konvertimi lejojnë funksionim me zhurmë shumë të ulët, madje edhe për numër më të lartë pikselësh. Falë kësaj dhe inovacioneve të tjera, zhurma e leximit të sensorëve CMOS tenton të jetë deri në 5x - 10x më e ulët se ajo e CCD-ve.
Kamerat moderne shkencore CMOS (sCMOS) janë një nëntip i specializuar i CMOS i projektuar për imazhe me zhurmë të ulët dhe shpejtësi të lartë në aplikimet kërkimore.
Si funksionojnë sensorët CMOS? (Përfshirë Rolling kundrejt Global Shutter)
Funksionimi i një sensori tipik CMOS tregohet në figurë dhe përshkruhet më poshtë. Vini re se si rezultat i ndryshimeve operative më poshtë, koha dhe funksionimi i ekspozimit do të ndryshojnë për kamerat CMOS me qepen global kundrejt atyre me rrotullim.
Figura: Procesi i leximit për sensorin CMOS
SHËNIMProcesi i leximit për kamerat CMOS ndryshon midis kamerave 'rolling shutter' dhe 'global shutter', siç diskutohet në tekst. Në të dyja rastet, çdo piksel përmban një kondensator dhe një amplifikator të cilët prodhojnë një tension bazuar në numrin e fotoelektroneve të zbuluara. Për çdo rresht, tensionet për çdo kolonë maten njëkohësisht nga konvertuesit analogë në dixhitalë të kolonës.
Qepen me rrotullim
1. Për një sensor CMOS me qepen rrotullues, duke filluar nga rreshti i sipërm (ose qendra për kamerat me sensor të ndarë), hiqni ngarkesën nga rreshti për të filluar ekspozimin e atij rreshti.
2. Pasi të ketë kaluar 'koha e vijës' (zakonisht 5-20 μs), kaloni në rreshtin tjetër dhe përsëriteni nga hapi 1, derisa të ekspozohet i gjithë sensori.
3. Për çdo rresht, ngarkesat grumbullohen gjatë ekspozimit, derisa ai rresht të ketë mbaruar kohën e ekspozimit. Rreshti i parë që do të fillojë do të përfundojë i pari.
4. Pasi të keni mbaruar ekspozimin për një rresht, transferoni ngarkesat në kondensatorin e leximit dhe amplifikatorin.
5. Tensioni në secilin amplifikator në atë rresht lidhet më pas me ADC-në e kolonës dhe sinjali matet për çdo piksel në rresht.
6. Operacioni i leximit dhe rivendosjes do të kërkojë 'kohën e rreshtit' për t'u përfunduar, pas së cilës rreshti tjetër për të filluar ekspozimin do të ketë arritur fundin e kohës së tij të ekspozimit dhe procesi do të përsëritet nga hapi 4.
7. Sapo të përfundojë leximi për rreshtin e sipërm, me kusht që rreshti i poshtëm të ketë filluar ekspozimin e kuadrit aktual, rreshti i sipërm mund të fillojë ekspozimin e kuadrit tjetër (modaliteti i mbivendosjes). Nëse koha e ekspozimit është më e shkurtër se koha e kuadrit, rreshti i sipërm duhet të presë që rreshti i poshtëm të fillojë ekspozimin. Ekspozimi më i shkurtër i mundshëm është zakonisht koha e një rreshti.
Kamera CMOS me ftohje FL 26BW e Tucsen-it, që paraqet sensorin Sony IMX533, përdor këtë teknologji të qepenit me rrotullim.
Global Shutter
1. Për të filluar marrjen, ngarkesa hiqet njëkohësisht nga i gjithë sensori (rivendosja globale e pusit të pikselit).
2. Ngarkesa grumbullohet gjatë ekspozimit.
3. Në fund të ekspozimit, ngarkesat e mbledhura zhvendosen në një pus të maskuar brenda secilit piksel, ku mund të presin leximin pa u numëruar fotonet e reja të zbuluara. Disa kamera zhvendosin ngarkesa në kondensatorin e pikselit në këtë fazë.
4. Me ngarkesat e zbuluara të ruajtura në zonën e maskuar të secilit piksel, zona aktive e pikselit mund të fillojë ekspozimin e kuadrit tjetër (modaliteti i mbivendosjes).
5. Procesi i leximit nga zona e maskuar vazhdon si për sensorët e qepenave rrotulluese: Një rresht në të njëjtën kohë, nga maja e sensorit, ngarkesat transferohen nga pusi i maskuar në kondensatorin dhe amplifikatorin e leximit.
6. Tensioni në secilin amplifikator në atë rresht është i lidhur me ADC-në e kolonës, dhe sinjali matet për çdo piksel në rresht.
7. Operacioni i leximit dhe rivendosjes do të kërkojë 'kohën e rreshtit' për t'u përfunduar, pas së cilës procesi do të përsëritet për rreshtin tjetër nga hapi 5.
8. Pasi të jenë lexuar të gjitha rreshtat, kamera është gati të lexojë kuadrin tjetër dhe procesi mund të përsëritet nga hapi 2 ose hapi 3 nëse koha e ekspozimit ka kaluar tashmë.
Kamera Mono sCMOS Libra 3412M e Tucsen-itpërdor teknologjinë globale të qepenit, duke mundësuar kapjen e qartë dhe të shpejtë të mostrave në lëvizje.
Pro dhe Kundra të Sensorëve CMOS
Pro
● Shpejtësi më të lartaSensorët CMOS janë zakonisht 1 deri në 2 urdhra madhësie më të shpejtë në transmetimin e të dhënave sesa sensorët CCD ose EMCCD.
● Sensorë më të mëdhenjRendimenti më i shpejtë i të dhënave mundëson numër më të lartë pikselësh dhe fusha shikimi më të mëdha, deri në dhjetëra ose qindra megapikselë.
● Zhurmë e ulëtDisa sensorë CMOS mund të kenë zhurmë leximi deri në 0.25e-, duke rivalizuar EMCCD-të pa pasur nevojë për shumëzimin e ngarkesës që shton burime shtesë zhurme.
● Fleksibilitet në madhësinë e pikselëveSensorët e kamerave të konsumatorëve dhe telefonave inteligjentë i ulin madhësitë e pikselëve në diapazonin ~1 μm, dhe kamerat shkencore me madhësi pikseli deri në 11 μm janë të zakonshme, dhe në dispozicion janë deri në 16 μm.
● Konsum më i ulët i energjisëKërkesat e ulëta për energji të kamerave CMOS i mundësojnë ato të përdoren në një gamë më të gjerë aplikimesh shkencore dhe industriale.
● Çmimi dhe jetëgjatësiaKamerat CMOS të nivelit të ulët zakonisht kanë kosto të ngjashme ose më të ulët se kamerat CCD, dhe kamerat CMOS të nivelit të lartë kanë kosto shumë më të ulët se kamerat EMCCD. Jetëgjatësia e tyre e pritur e shërbimit duhet të tejkalojë shumë atë të një kamere EMCCD.
Kundër
● Qepen rrotulluesShumica e kamerave shkencore CMOS kanë një qepen rrotullues, i cili mund t'i shtojë kompleksitet rrjedhave të punës eksperimentale ose të përjashtojë disa aplikime.
● Rrymë e errët më e lartët: Shumica e kamerave CMOS kanë rrymë errësire shumë më të lartë sesa sensorët CCD dhe EMCCD, duke shkaktuar ndonjëherë zhurmë të konsiderueshme në ekspozime të gjata (> 1 sekondë).
Ku përdoren sensorët CMOS sot
Falë shkathtësisë së tyre, sensorët CMOS gjenden në një gamë të gjerë aplikimesh:
● Elektronikë për KonsumatorinTelefona inteligjentë, kamera web, DSLR, kamera aksioni.
● Shkencat e Jetës: Fuqia e sensorëve CMOSkamera mikroskopikepërdoret në imazherinë fluoreshente dhe diagnostikën mjekësore.
● AstronomiTeleskopët dhe pajisjet e imazhit hapësinor shpesh përdorin CMOS shkencor (sCMOS) për rezolucion të lartë dhe zhurmë të ulët.
● Inspektim IndustrialInspektim optik i automatizuar (AOI), robotikë dhekamera për inspektimin e gjysmëpërçuesvembështeten në sensorët CMOS për shpejtësi dhe saktësi.
● AutomobilaSisteme të Avancuara të Ndihmës për Shoferin (ADAS), kamera për pamjen e pasme dhe parkimin.
● Mbikëqyrje dhe SiguriSisteme për zbulimin e dritës së ulët dhe lëvizjes.
Shpejtësia dhe efikasiteti i tyre në kosto e bëjnë CMOS-in zgjidhja e preferuar si për përdorim komercial me vëllim të lartë ashtu edhe për punë të specializuar shkencore.
Pse CMOS është tani standardi modern
Kalimi nga CCD në CMOS nuk ndodhi brenda natës, por ishte i pashmangshëm. Ja pse CMOS është tani gurthemeli i industrisë së imazhit:
● Përparësi ProdhimiNdërtuar mbi linja standarde të prodhimit të gjysmëpërçuesve, duke ulur koston dhe duke përmirësuar shkallëzueshmërinë.
● Përmirësime në performancëOpsione të qepenit me rrotullim dhe global, ndjeshmëri e përmirësuar ndaj dritës së ulët dhe shpejtësi më të larta të kuadrove.
● Integrim dhe InteligjencëSensorët CMOS tani mbështesin përpunimin e inteligjencës artificiale në çip, llogaritjen në skaje dhe analizën në kohë reale.
● InovacionLlojet e reja të sensorëve si CMOS i grumbulluar, sensorët e imazhit kuantik dhe sensorët e lakuar janë ndërtuar në platformat CMOS.
Nga telefonat inteligjentë tekamera shkencore, CMOS ka provuar të jetë i adaptueshëm, i fuqishëm dhe i gatshëm për të ardhmen.
Përfundim
Sensorët CMOS kanë evoluar në standardin modern për shumicën e aplikacioneve të imazherisë, falë ekuilibrit të tyre midis performancës, efikasitetit dhe kostos. Qoftë duke kapur kujtimet e përditshme apo duke kryer analiza shkencore me shpejtësi të lartë, teknologjia CMOS ofron themelin për botën vizuale të sotme.
Ndërsa inovacionet si global shutter CMOS dhe sCMOS vazhdojnë të zgjerojnë aftësitë e teknologjisë, dominimi i saj pritet të vazhdojë për vite me radhë.
Pyetje të shpeshta
Cili është ndryshimi midis një qepeni rrotullues dhe një qepeni global?
Një qepen rrotullues lexon të dhënat e imazhit rresht pas rreshti, gjë që mund të shkaktojë artefakte lëvizjeje (p.sh., shtrembërim ose lëkundje) kur kapni subjekte që lëvizin me shpejtësi.
Një qepen global kap të gjithë kuadrin njëkohësisht, duke eliminuar shtrembërimin nga lëvizja. Është ideal për aplikime imazherie me shpejtësi të lartë si vizioni automatik dhe eksperimentet shkencore.
Çfarë është modaliteti i mbivendosjes CMOS me qepen rrotullues?
Për kamerat CMOS me qepen rrotullues, në modalitetin e mbivendosjes, ekspozimi i kuadrit tjetër mund të fillojë përpara se ai aktual të jetë përfunduar plotësisht, duke lejuar shpejtësi më të larta të kuadrit. Kjo është e mundur sepse ekspozimi dhe leximi i secilit rresht janë të shpërndara në kohë.
Ky modalitet është i dobishëm në aplikacionet ku shpejtësia maksimale e kuadrove dhe rendimenti janë kritike, siç është inspektimi me shpejtësi të lartë ose gjurmimi në kohë reale. Megjithatë, mund të rrisë pak kompleksitetin e kohës dhe sinkronizimit.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Të gjitha të drejtat e rezervuara. Kur citoni, ju lutemi përmendni burimin:www.tucsen.com
