25/08/05Од паметних телефона до научних инструмената, сензори слике су у срцу данашње визуелне технологије. Међу њима, CMOS сензори су постали доминантна снага, покрећући све, од свакодневних фотографија до напредне микроскопије и инспекције полупроводника.
„Комплементарна метал-оксид-полупроводничка“ (CMOS) технологија је електронска архитектура и скуп технологија процеса производње чије су примене невероватно широке. Заиста, могло би се рећи да CMOS технологија подржава модерно дигитално доба.
Шта је CMOS сензор?
CMOS сензори слике (CIS) користе активне пикселе, што значи употребу три или више транзистора у сваком пикселу камере. CCD и EMCCD пиксели не садрже транзисторе.
Транзистори у сваком пикселу омогућавају паралелно управљање овим „активним“ пикселима, појачавање сигнала путем транзистора са „ефектом поља“ и приступ њиховим подацима. Уместо једне путање очитавања за цео сензор или значајан део сензора,...ЦМОС камераукључује најмање један цео ред А/Д претварача за очитавање, један (или више) А/Д претварача за сваку колону сензора. Сваки од њих може истовремено да очитава вредност своје колоне. Штавише, ови сензори са „активним пикселом“ су компатибилни са CMOS дигиталном логиком, повећавајући потенцијалну функционалност сензора.
Заједно, ове особине дају CMOS сензорима њихову брзину. Па ипак, захваљујући овом повећању паралелизма, појединачни ADC-ови могу дуже да мере своје детектоване сигнале са већом прецизношћу. Ова дужа времена конверзије омогућавају рад са веома ниским нивоом шума, чак и за већи број пиксела. Захваљујући овоме и другим иновацијама, шум при читању CMOS сензора је обично чак 5x – 10x нижи од шума код CCD сензора.
Модерне научне CMOS (sCMOS) камере су специјализовани подтип CMOS-а дизајниран за снимање са ниским нивоом шума и великом брзином у истраживачким применама.
Како раде CMOS сензори? (Укључујући ролинг наспрам глобалног затварача)
Рад типичног CMOS сензора је приказан на слици и описан у наставку. Имајте на уму да ће се, као резултат разлика у раду наведених у наставку, време и рад експозиције разликовати за CMOS камере са глобалним сензором у односу на камере са покретним затварачем.
Слика: Процес очитавања за CMOS сензор
НАПОМЕНАПроцес очитавања за CMOS камере разликује се код камера са „ролинг схуттером“ и „глобалним схуттером“, као што је објашњено у тексту. У оба случаја, сваки пиксел садржи кондензатор и појачало који производе напон на основу детектованог броја фотоелектрона. За сваки ред, напони за сваку колону се мере истовремено помоћу аналогно-дигиталних конвертора колоне.
Роло затварач
1. За CMOS сензор са ротирајућим затварачем, почевши од горњег реда (или центра за камере са подељеним сензором), обришите наелектрисање из реда да бисте започели експозицију тог реда.
2. Након што је истекло „време линије“ (обично 5-20 μs), пређите на следећи ред и поновите поступак од корака 1, док се цео сензор не открије.
3. За сваки ред, наелектрисања се акумулирају током експозиције, све док тај ред не заврши своје време експозиције. Ред који први почне ће се први завршити.
4. Када се експозиција заврши за један ред, пребаците наелектрисање на кондензатор за очитавање и појачало.
5. Напон у сваком појачавачу у том реду се затим повезује са колонским АЦП-ом, а сигнал се мери за сваки пиксел у реду.
6. Операција очитавања и ресетовања ће трајати „време линије“, након чега ће следећи ред за почетак експозиције достићи крај свог времена експозиције, а процес ће се поновити од корака 4.
7. Чим се заврши очитавање за горњи ред, под условом да је доњи ред почео да експонира тренутни кадар, горњи ред може да започне експозицију следећег кадара (режим преклапања). Ако је време експозиције краће од времена кадра, горњи ред мора да сачека да доњи ред започне експозицију. Најкраћа могућа експозиција је обично време једне линије.
Тусенова FL 26BW хлађена CMOS камера, са Sony IMX533 сензором, користи ову технологију роло затварача.
Глобални затварач
1. Да би се започело снимање, наелектрисање се истовремено брише са целог сензора (глобално ресетовање пикселног бунара).
2. Наелектрисање се акумулира током излагања.
3. На крају експозиције, сакупљена наелектрисања се премештају у маскирани бунар унутар сваког пиксела, где могу чекати очитавање без бројања новодетектованих фотона. Неке камере у овој фази премештају наелектрисања у пикселни кондензатор.
4. Са детектованим наелектрисањима сачуваним у маскираном подручју сваког пиксела, активно подручје пиксела може започети експозицију следећег кадра (режим преклапања).
5. Процес очитавања из маскираног подручја се одвија као код сензора са ротирајућим затварачем: Ред по ред, са врха сензора, наелектрисања се преносе из маскираног бунара на кондензатор за очитавање и појачало.
6. Напон у сваком појачавачу у том реду је повезан са колонским АЦП-ом, а сигнал се мери за сваки пиксел у реду.
7. Операција очитавања и ресетовања ће трајати „време линије“, након чега ће се процес поновити за следећи ред из корака 5.
8. Када се прочитају сви редови, камера је спремна да прочита следећи кадар, а поступак се може поновити од корака 2 или корака 3 ако је време експозиције већ прошло.
Тусенова моно sCMOS камера Libra 3412Mкористи технологију глобалног затварача, омогућавајући јасно и брзо снимање покретних узорака.
Предности и мане CMOS сензора
Професионалци
● Веће брзинеCMOS сензори су обично 1 до 2 реда величине бржи у протоку података од CCD или EMCCD сензора.
● Већи сензориБржи проток података омогућава већи број пиксела и већа видна поља, до десетина или стотина мегапиксела.
● Низак ниво букеНеки CMOS сензори могу имати шум при читању и до 0,25e-, што је ривалство са EMCCD сензорима без потребе за множењем наелектрисања које додаје додатне изворе шума.
● Флексибилност величине пикселаСензори камера потрошача и паметних телефона смањују величине пиксела до опсега од ~1 μm, а научне камере са величином пиксела до 11 μm су уобичајене, а доступне су и до 16 μm.
● Мања потрошња енергијеНиске потребе за напајањем CMOS камера омогућавају им употребу у ширем спектру научних и индустријских примена.
● Цена и век трајањаНискоквалитетне CMOS камере су обично сличне или јефтиније од CCD камера, а висококвалитетне CMOS камере су много јефтиније од EMCCD камера. Њихов очекивани век трајања требало би да знатно премаши век трајања EMCCD камере.
Мане
● РолетнаВећина научних CMOS камера има ролетни затварач, што може додатно сложити експерименталне токове рада или искључити неке примене.
● Виша тамна струјаt: Већина CMOS камера има много већу струју таме од CCD и EMCCD сензора, понекад уносећи значајан шум при дугим експозицијама (> 1 секунда).
Где се данас користе CMOS сензори
Захваљујући својој свестраности, CMOS сензори се налазе у широком спектру примена:
● Потрошачка електроникаПаметни телефони, веб камере, DSLR фотоапарати, акционе камере.
● Биолошке наукеНапајање CMOS сензорамикроскопске камерекористи се у флуоресцентном снимању и медицинској дијагностици.
● АстрономијаТелескопи и уређаји за снимање свемира често користе научне CMOS (sCMOS) сензоре за високу резолуцију и низак ниво шума.
● Индустријска инспекцијаАутоматизована оптичка инспекција (AOI), роботика икамере за инспекцију полупроводникаослањају се на CMOS сензоре за брзину и тачност.
● Аутомобилска индустријаНапредни системи помоћи возачу (ADAS), камере за вожњу уназад и паркирање.
● Надзор и безбедностСистеми за детекцију слабог осветљења и покрета.
Њихова брзина и исплативост чине CMOS решењем како за комерцијалну употребу великих количина, тако и за специјализовани научни рад.
Зашто је CMOS сада модерни стандард
Прелазак са CCD на CMOS није се догодио преко ноћи, али је био неизбежан. Ево зашто је CMOS сада камен темељац индустрије снимања:
● Предност у производњиИзграђено на стандардним линијама за производњу полупроводника, смањујући трошкове и побољшавајући скалабилност.
● Побољшања у перформансамаОпције за покретни и глобални затварач, побољшана осетљивост при слабом осветљењу и већа брзина кадрова.
● Интеграција и интелигенцијаCMOS сензори сада подржавају обраду података помоћу вештачке интелигенције на чипу, рачунарство на рубу података и анализу у реалном времену.
● ИновацијаНови типови сензора попут сложених CMOS сензора, квантних сензора слике и закривљених сензора су изграђени на CMOS платформама.
Од паметних телефона донаучне камереCMOS се показао као прилагодљив, моћан и спреман за будућност.
Закључак
CMOS сензори су еволуирали у модерни стандард за већину примена у области снимања, захваљујући равнотежи између перформанси, ефикасности и цене. Без обзира да ли снимају свакодневна сећања или спроводе брзу научну анализу, CMOS технологија пружа основу за данашњи визуелни свет.
Како иновације попут CMOS технологије са глобалним затварачем и sCMOS технологије настављају да проширују могућности технологије, њена доминација ће се наставити годинама које долазе.
Честа питања
Која је разлика између ролетне и глобалне затвараче?
Ролтинг затварач очитава податке слике ред по ред, што може изазвати артефакте кретања (нпр. искривљење или подрхтавање) приликом снимања брзо покретних објеката.
Глобални затварач истовремено снима цео кадар, елиминишући изобличења услед кретања. Идеалан је за брзе примене снимања попут машинског вида и научних експеримената.
Шта је режим преклапања CMOS-а са ротирајућим затварањем?
Код CMOS камера са ротирајућим затварачем, у режиму преклапања, експозиција следећег кадра може почети пре него што се тренутни потпуно заврши, што омогућава веће бројеве слика у секунди. То је могуће зато што су експозиција и очитавање сваког реда временски распоређени.
Овај режим је користан у апликацијама где су максимална брзина кадрова и пропусност критични, као што је инспекција великом брзином или праћење у реалном времену. Међутим, може мало повећати сложеност мерења времена и синхронизације.
Тусен Фотоникс Ко., Лтд. Сва права задржана. Приликом цитирања, молимо вас да наведете извор:www.tucsen.com
