25/08/05Från smartphones till vetenskapliga instrument är bildsensorer kärnan i dagens visuella teknologi. Bland dessa har CMOS-sensorer blivit den dominerande kraften och driver allt från vardagliga foton till avancerad mikroskopi och halvledarinspektion.
CMOS-teknik (Complementary Metal Oxide Semiconductor) är en elektronisk arkitektur och uppsättning tillverkningsprocesser vars tillämpningar är otroligt breda. CMOS-tekniken kan faktiskt sägas ligga till grund för den moderna digitala tidsåldern.
Vad är en CMOS-sensor?
CMOS-bildsensorer (CIS) använder aktiva pixlar, vilket innebär att man använder tre eller fler transistorer i varje pixel i kameran. CCD- och EMCCD-pixlar innehåller inte transistorer.
Transistorerna i varje pixel gör att dessa "aktiva" pixlar kan styras, signaler förstärkas genom "fälteffekttransistorer" och deras data nås, allt parallellt. Istället för en enda avläsningsväg för en hel sensor eller en betydande del av en sensor, enCMOS-kamerainkluderar minst en hel rad avläsnings-ADC:er, en (eller flera) ADC:er för varje kolumn i sensorn. Var och en av dessa kan läsa sin kolumns värde samtidigt. Dessutom är dessa "aktiva pixel"-sensorer kompatibla med digital CMOS-logik, vilket ökar sensorns potentiella funktionalitet.
Tillsammans ger dessa egenskaper CMOS-sensorer deras hastighet. Ändå, tack vare denna ökade parallellitet, kan enskilda ADC:er ta längre tid att mäta sina detekterade signaler med större noggrannhet. Dessa längre konverteringstider möjliggör drift med mycket lågt brus, även för högre pixelantal. Tack vare detta, och andra innovationer, tenderar läsbruset från CMOS-sensorer att vara så mycket som 5–10 gånger lägre än för CCD:er.
Moderna vetenskapliga CMOS-kameror (sCMOS) är en specialiserad undertyp av CMOS utformad för lågt brus och höghastighetsavbildning i forskningsapplikationer.
Hur fungerar CMOS-sensorer? (Inklusive rullande vs. global slutare)
Funktionen hos en typisk CMOS-sensor visas i figuren och beskrivs nedan. Observera att på grund av de funktionella skillnaderna nedan kommer exponeringstidpunkten och exponeringsfunktionen att skilja sig åt för globala kontra rullande slutar-CMOS-kameror.
OBS: Avläsningsprocessen för CMOS-kameror skiljer sig mellan kameror med "rullande slutare" och kameror med "global slutare", vilket diskuteras i texten. I båda fallen innehåller varje pixel en kondensator och förstärkare som producerar en spänning baserad på det detekterade antalet fotoelektroner. För varje rad mäts spänningarna för varje kolumn samtidigt med analog-till-digital-omvandlare för kolumner.
Rullande jalusi
1. För en CMOS-sensor med rullande slutare, börja från den översta raden (eller mitten för kameror med splitsensor), och ta bort laddningen från raden för att påbörja radens exponering.
2. När 'linjetiden' har gått (vanligtvis 5–20 μs), gå vidare till nästa rad och upprepa från steg 1 tills hela sensorn är exponerad.
3. För varje rad ackumuleras laddningar under exponeringen, tills raden har avslutat sin exponeringstid. Den första raden som börjar kommer att avslutas först.
4. När exponeringen är klar för en rad, överför laddningar till avläsningskondensatorn och förstärkaren.
5. Spänningen i varje förstärkare i den raden ansluts sedan till kolumnens ADC, och signalen mäts för varje pixel i raden.
6. Avläsningen och återställningen tar linjetiden att slutföra, varefter nästa rad som ska starta exponeringen har nått slutet av sin exponeringstid, och processen upprepas från steg 4.
7. Så snart avläsningen är klar för den översta raden, förutsatt att den nedersta raden har börjat exponera den aktuella bilden, kan den översta raden starta exponeringen av nästa bildruta (överlappningsläge). Om exponeringstiden är kortare än bildrutetiden måste den översta raden vänta på att den nedersta raden ska börja exponera. Kortast möjliga exponering är vanligtvis en linjetid.
Tucsens FL 26BW kylda CMOS-kamera, med Sony IMX533-sensorn, använder denna rullande slutarteknik.
Global slutare
1. För att påbörja registreringen rensas laddningen samtidigt från hela sensorn (global återställning av pixelbrunnen).
2. Laddning ackumuleras under exponering.
3. Vid slutet av exponeringen flyttas de insamlade laddningarna till en maskerad brunn inom varje pixel, där de kan vänta på avläsning utan att nya detekterade fotoner räknas. Vissa kameror flyttar laddningar in i pixelkondensatorn i detta skede.
4. Med de detekterade laddningarna lagrade i det maskerade området för varje pixel kan pixelns aktiva område påbörja exponeringen av nästa bildruta (överlappningsläge).
5. Avläsningsprocessen från det maskerade området fortskrider som för rullande jalusisensorer: En rad i taget, från sensorns topp, överförs laddningar från den maskerade brunnen till avläsningskondensatorn och förstärkaren.
6. Spänningen i varje förstärkare i den raden är ansluten till kolumnens ADC, och signalen mäts för varje pixel i raden.
7. Avläsningen och återställningen tar samma tid som 'linjetiden' att slutföra, varefter processen upprepas för nästa rad från steg 5.
8. När alla rader har lästs är kameran redo att läsa nästa bildruta, och processen kan upprepas från steg 2, eller steg 3 om exponeringstiden redan har gått ut.
Tucsens Libra 3412M Mono sCMOS-kameraanvänder global slutarteknik, vilket möjliggör tydlig och snabb bild av rörliga prover.
För- och nackdelar med CMOS-sensorer
Fördelar
● Högre hastigheterCMOS-sensorer har vanligtvis 1 till 2 storleksordningar snabbare dataflöde än CCD- eller EMCCD-sensorer.
● Större sensorerSnabbare datagenomströmning möjliggör högre pixelantal och större synfält, upp till tiotals eller hundratals megapixlar.
● Lågt ljudVissa CMOS-sensorer kan ha läsbrus så lågt som 0,25e-, vilket konkurrerar med EMCCD:er utan att behöva laddningsmultiplikation som lägger till ytterligare bruskällor.
● Flexibilitet i pixelstorlekSensorer för konsument- och smartphonekameror minskar pixelstorlekarna till ~1 μm, och vetenskapliga kameror upp till 11 μm i pixelstorlek är vanliga, och upp till 16 μm finns tillgängliga.
● Lägre strömförbrukningCMOS-kamerors låga strömförbrukning gör att de kan användas i en bredare mängd olika vetenskapliga och industriella tillämpningar.
● Pris och livslängdEnklare CMOS-kameror är vanligtvis lika dyra som CCD-kameror, och avancerade CMOS-kameror är mycket billigare än EMCCD-kameror. Deras förväntade livslängd bör vida överstiga den för en EMCCD-kamera.
Nackdelar
● Rullande jalusiDe flesta vetenskapliga CMOS-kameror har rullande slutare, vilket kan öka komplexiteten i experimentella arbetsflöden eller utesluta vissa tillämpningar.
● Högre mörkströmt: De flesta CMOS-kameror har mycket högre mörkerström än CCD- och EMCCD-sensorer, vilket ibland introducerar betydande brus vid långa exponeringar (> 1 sekund).
Var CMOS-sensorer används idag
Tack vare sin mångsidighet finns CMOS-sensorer i en mängd olika tillämpningar:
● KonsumentelektronikSmartphones, webbkameror, systemkameror, actionkameror.
● BiovetenskapCMOS-sensorernas strömförsörjningmikroskopikameroranvänds inom fluorescensavbildning och medicinsk diagnostik.
● AstronomiTeleskop och rymdavbildningsenheter använder ofta vetenskapliga CMOS (sCMOS) för hög upplösning och lågt brus.
● Industriell inspektionAutomatiserad optisk inspektion (AOI), robotteknik ochkameror för halvledarinspektionförlita dig på CMOS-sensorer för hastighet och noggrannhet.
● FordonAvancerade förarstödsystem (ADAS), backkamera och parkeringskameror.
● Övervakning och säkerhetSystem för svagt ljus och rörelsedetektering.
Deras hastighet och kostnadseffektivitet gör CMOS till den självklara lösningen för både kommersiell användning i stora volymer och specialiserat vetenskapligt arbete.
Varför CMOS nu är den moderna standarden
Övergången från CCD till CMOS skedde inte över en natt, men den var oundviklig. Här är anledningen till att CMOS nu är bildindustrins hörnsten:
● TillverkningsfördelByggd på standardiserade halvledartillverkningslinjer, vilket minskar kostnader och förbättrar skalbarheten.
● PrestandaökningarRullande och global slutartid, förbättrad känslighet i svagt ljus och högre bildfrekvenser.
● Integration och intelligensCMOS-sensorer stöder nu AI-bearbetning på chip, edge computing och realtidsanalys.
● InnovationFramväxande sensortyper som staplade CMOS, kvantabildsensorer och böjda sensorer är byggda på CMOS-plattformar.
Från smartphones tillvetenskapliga kameror, CMOS har visat sig vara anpassningsbart, kraftfullt och framtidsklart.
Slutsats
CMOS-sensorer har utvecklats till den moderna standarden för de flesta bildtillämpningar, tack vare deras balans mellan prestanda, effektivitet och kostnad. Oavsett om det gäller att fånga vardagsminnen eller utföra vetenskaplig analys i hög hastighet, utgör CMOS-tekniken grunden för dagens visuella värld.
I takt med att innovationer som global shutter CMOS och sCMOS fortsätter att utöka teknikens möjligheter, förväntas dess dominans fortsätta under de kommande åren.
Vanliga frågor
Vad är skillnaden mellan en rullande slutare och en global slutare?
En rullande slutare läser ut bilddata rad för rad, vilket kan orsaka rörelseartefakter (t.ex. skevhet eller vinglingar) vid fotografering av snabbt rörliga motiv.
En global slutare fångar hela bilden samtidigt och eliminerar distorsion från rörelse. Den är idealisk för höghastighetsavbildningstillämpningar som maskinseende och vetenskapliga experiment.
Vad är Rolling Shutter CMOS Overlap Mode?
För CMOS-kameror med rullande slutare kan exponeringen av nästa bildruta i överlappningsläge börja innan den nuvarande är helt klar, vilket möjliggör högre bildfrekvenser. Detta är möjligt eftersom varje rads exponering och avläsning är förskjutna i tid.
Det här läget är användbart i applikationer där maximal bildhastighet och dataflöde är avgörande, till exempel vid höghastighetsinspektion eller realtidsspårning. Det kan dock öka komplexiteten i timing och synkronisering något.
