25/08/05Kuanzia simu mahiri hadi ala za kisayansi, vitambuzi vya picha ndio kiini cha teknolojia ya kisasa ya kuona. Kati ya hizi, vitambuzi vya CMOS vimekuwa nguvu kuu, vinavyowezesha kila kitu kutoka kwa picha za kila siku hadi ukaguzi wa hali ya juu wa hadubini na semiconductor.
Teknolojia ya 'Complementary Metal Oxide Semiconductor' (CMOS) ni usanifu wa kielektroniki na seti ya teknolojia za uundaji ambazo matumizi yake ni mapana sana. Kwa kweli, teknolojia ya CMOS inaweza kusemwa kusisitiza enzi ya kisasa ya dijiti.
Sensorer ya CMOS ni nini?
Vihisi picha vya CMOS (CIS) hutumia pikseli amilifu, kumaanisha matumizi ya transistors tatu au zaidi katika kila pikseli ya kamera. Saizi za CCD na EMCCD hazina transistors.
Transistors katika kila pikseli huwezesha pikseli hizi 'amilifu' kudhibitiwa, mawimbi hukuzwa kupitia transistors za 'athari ya uwanja', na data zao kufikiwa, zote kwa sambamba. Badala ya njia moja ya kusoma kwa kihisi kizima au sehemu kubwa ya kitambuzi, aKamera ya CMOSinajumuisha angalau safu mlalo moja ya ADC za kusomwa, ADC moja (au zaidi) kwa kila safu wima ya kitambuzi. Kila moja ya hizi inaweza kusoma thamani ya safu zao kwa wakati mmoja. Zaidi ya hayo, vitambuzi hivi vya 'pixel amilifu' vinaoana na mantiki ya kidijitali ya CMOS, na hivyo kuongeza utendakazi unaowezekana wa vitambuzi.
Kwa pamoja, sifa hizi huwapa vitambuzi vya CMOS kasi yao. Hata hivyo, kutokana na ongezeko hili la usambamba, ADCs binafsi zinaweza kuchukua muda mrefu kupima mawimbi yao yaliyotambuliwa kwa usahihi zaidi. Nyakati hizi ndefu za ubadilishaji huruhusu utendakazi wa chini sana wa kelele, hata kwa hesabu za juu za pikseli. Shukrani kwa hili, na ubunifu mwingine, kelele ya kusoma ya sensorer za CMOS huwa na 5x - 10x chini kuliko ile ya CCDs.
Kamera za kisasa za kisayansi za CMOS (sCMOS) ni aina ndogo maalum ya CMOS iliyoundwa kwa kelele ya chini na upigaji picha wa kasi ya juu katika matumizi ya utafiti.
Sensorer za CMOS hufanyaje kazi? (Ikiwa ni pamoja na Rolling vs Global Shutter)
Uendeshaji wa sensor ya kawaida ya CMOS inavyoonyeshwa kwenye takwimu na imeelezwa hapa chini. Kumbuka kuwa kutokana na tofauti za kiutendaji zilizo hapa chini, muda na utendakazi wa kufichua zitatofautiana kwa kamera za kimataifa dhidi ya zile zinazosonga za CMOS.
Kielelezo: Mchakato wa kusoma kwa kihisi cha CMOS
KUMBUKA: Mchakato wa kusoma kwa kamera za CMOS hutofautiana kati ya kamera za 'rolling shutter' na 'global shutter', kama inavyojadiliwa katika maandishi. Kwa vyovyote vile, kila pikseli ina capacitor na amplifier ambayo hutoa voltage kulingana na hesabu ya photoelectron iliyotambuliwa. Kwa kila safu, voltages kwa kila safu hupimwa wakati huo huo na analog ya safu hadi vibadilishaji vya dijiti.
Shutter ya Rolling
1. Kwa kihisi cha shutter cha CMOS, kuanzia safu mlalo ya juu (au katikati ya kamera za vidhibiti), futa malipo kwenye safu mlalo ili kuanza kufichua kwa safu mlalo hiyo.
2. Baada ya 'muda wa mstari' kupita (kawaida 5-20 μs), nenda kwenye safu mlalo inayofuata na urudie kutoka hatua ya 1, hadi kitambuzi kizima kiwe wazi.
3. Kwa kila safu mlalo, gharama hujilimbikiza wakati wa kukaribia aliyeambukizwa, hadi safu mlalo hiyo ikamilishe muda wake wa kukaribia aliyeambukizwa. Safu mlalo ya kwanza itakayoanza itamaliza kwanza.
4. Mara tu mwangaza unapokamilika kwa safu mlalo, hamishia gharama hadi kwa capacitor ya kusoma na amplifier.
5. Voltage katika kila amplifier katika safu hiyo huunganishwa kwenye safu wima ya ADC, na mawimbi hupimwa kwa kila pikseli kwenye safu mlalo.
6. Operesheni ya kusoma na kuweka upya itachukua 'muda wa mstari' kukamilika, baada ya hapo safu mlalo inayofuata kuanza kukaribia aliyeambukizwa itakuwa imefikia mwisho wa muda wake wa kukaribia aliyeambukizwa, na mchakato unarudiwa kutoka hatua ya 4.
7. Mara tu usomaji unapokamilika kwa safu mlalo ya juu, ikiwa safu mlalo ya chini imeanza kufichua fremu ya sasa, safu mlalo ya juu inaweza kuanza kufichua kwa fremu inayofuata (hali ya kuingiliana). Ikiwa muda wa kukaribia aliyeambukizwa ni mfupi kuliko muda wa fremu, ni lazima safu mlalo ya juu isubiri hadi safu mlalo ya chini kuanza kufichuliwa. Muda mfupi zaidi unaowezekana ni wakati wa mstari mmoja.
Kamera ya CMOS ya Tucsen ya FL 26BW Iliyopozwa, iliyo na kihisi cha Sony IMX533, hutumia teknolojia hii ya shutter inayozunguka.
Shutter ya Ulimwenguni
1. Ili kuanza upataji, malipo yanafutwa wakati huo huo kutoka kwa kihisi kizima (kuweka upya kwa kisima cha pixel kote ulimwenguni).
2. Chaji hujilimbikiza wakati wa mfiduo.
3. Mwishoni mwa muda wa kukaribia aliyeambukizwa, gharama zinazokusanywa huhamishwa hadi kwenye kisima kilichofichwa ndani ya kila pikseli, ambapo zinaweza kusubiri kusomwa bila fotoni mpya zilizotambuliwa kuhesabiwa. Baadhi ya kamera huhamisha malipo kwenye capacitor ya pikseli katika hatua hii.
4. Kwa malipo yaliyotambuliwa yaliyohifadhiwa katika eneo lililofunikwa la kila pikseli, eneo amilifu la pikseli linaweza kuanza kufichuliwa kwa fremu inayofuata (hali ya kuingiliana).
5. Mchakato wa usomaji kutoka kwa eneo lililofunikwa unaendelea kama kwa sensorer za shutter za kusongesha: Safu moja kwa wakati, kutoka juu ya kihisi, chaji huhamishwa kutoka kwa kisima kilichofunikwa hadi kwa capacitor na amplifier ya kusoma.
6. Voltage katika kila amplifier katika safu hiyo imeunganishwa kwenye safu wima ya ADC, na ishara hupimwa kwa kila pikseli kwenye safu.
7. Operesheni ya kusoma na kuweka upya itachukua 'muda wa mstari' kukamilika, ambapo mchakato huo utajirudia kwa safu mlalo inayofuata kutoka hatua ya 5.
8. Mara tu safu mlalo zote zimesomwa, kamera iko tayari kusoma fremu inayofuata, na mchakato unaweza kurudiwa kutoka hatua ya 2, au hatua ya 3 ikiwa muda wa mfiduo tayari umekwisha.
Kamera ya Tucsen ya Libra 3412M Mono sCMOShutumia teknolojia ya kimataifa ya kufunga, kuwezesha kunasa kwa uwazi na kwa haraka sampuli zinazosonga.
Faida na hasara za Sensorer za CMOS
Faida
● Kasi ya juu zaidi: Vihisi vya CMOS kwa kawaida huwa na ukubwa wa mpangilio 1 hadi 2 kwa kasi zaidi katika upitishaji wa data kuliko vihisi vya CCD au EMCCD.
● Vihisi vikubwa zaidi: Upitishaji wa data kwa kasi huwezesha hesabu za pikseli za juu na sehemu kubwa za mwonekano, hadi makumi au mamia ya megapikseli.
● Kelele ya chini: Baadhi ya vitambuzi vya CMOS vinaweza kusoma kelele ya chini kama 0.25e-, zinazoshindana na EMCCD bila kuhitaji kuzidisha chaji ambayo huongeza vyanzo vya ziada vya kelele.
● Kubadilika kwa saizi ya pixel: Vihisi vya kamera ya watumiaji na simu mahiri huendesha saizi za pikseli hadi safu ya ~1 μm, na kamera za kisayansi za hadi 11 μm kwa saizi ya pikseli ni za kawaida, na hadi 16 μm zinapatikana.
● Matumizi ya chini ya nishati: Mahitaji ya chini ya nishati ya kamera za CMOS huziwezesha kutumika katika aina mbalimbali za matumizi ya kisayansi na viwanda.
● Bei na maisha yote: Kamera za hali ya chini za CMOS kwa kawaida hufanana au gharama ya chini kwa kamera za CCD, na kamera za hali ya juu za CMOS zina gharama ya chini zaidi kuliko kamera za EMCCD. Maisha yao ya huduma yanayotarajiwa yanapaswa kuwa zaidi ya kamera ya EMCCD.
Hasara
● Kifunga kinachoviringisha: Kamera nyingi za kisayansi za CMOS zina shutter, ambayo inaweza kuongeza utata kwenye utiririshaji kazi wa majaribio au kuondoa baadhi ya programu.
● Mikondo ya giza zaidit: Kamera nyingi za CMOS zina mkondo wa giza wa juu zaidi kuliko vihisi vya CCD na EMCCD, wakati mwingine huleta kelele kubwa kwenye mwangaza wa muda mrefu (> sekunde 1).
Ambapo Sensorer za CMOS Zinatumika Leo
Shukrani kwa matumizi mengi, sensorer za CMOS zinapatikana katika safu kubwa ya programu:
● Consumer Electronics: Simu mahiri, kamera za wavuti, DSLR, kamera za vitendo.
● Sayansi ya Maisha: Nguvu ya vitambuzi vya CMOSkamera za hadubinihutumika katika upigaji picha wa umeme na uchunguzi wa kimatibabu.
● Astronomia: Darubini na vifaa vya kufikiria angani mara nyingi hutumia CMOS ya kisayansi (sCMOS) kwa ubora wa juu na kelele ya chini.
● Ukaguzi wa Viwanda: Ukaguzi wa otomatiki wa macho (AOI), robotiki, nakamera kwa ajili ya ukaguzi wa semiconductortegemea vihisi vya CMOS kwa kasi na usahihi.
● Magari: Mifumo ya Hali ya Juu ya Usaidizi wa Dereva (ADAS), kamera za kutazama nyuma na maegesho.
● Ufuatiliaji na Usalama: Mifumo ya kugundua yenye mwanga mdogo na mwendo.
Kasi na ufanisi wao wa gharama hufanya CMOS kuwa suluhisho la matumizi ya kibiashara ya kiwango cha juu na kazi maalum ya kisayansi.
Kwa nini CMOS Sasa Ni Kiwango cha Kisasa
Kuhama kutoka CCD hadi CMOS hakutokea mara moja, lakini ilikuwa lazima. Hii ndio sababu CMOS sasa ndio msingi wa tasnia ya upigaji picha:
● Faida ya Utengenezaji: Imeundwa kwa njia za kawaida za utengenezaji wa semicondukta, kupunguza gharama na kuboresha kasi.
● Mafanikio ya Utendaji: Chaguzi za kukunja na za kufunga za kimataifa, unyeti ulioboreshwa wa mwanga wa chini na viwango vya juu vya fremu.
● Ujumuishaji na Akili: Vihisi vya CMOS sasa vinaauni uchakataji wa AI kwenye chip, kompyuta ya pembeni, na uchanganuzi wa wakati halisi.
● Ubunifu: Aina za vitambuzi zinazojitokeza kama vile CMOS zilizopangwa kwa rafu, vitambuzi vya picha za quanta, na vitambuzi vilivyopinda hujengwa kwenye mifumo ya CMOS.
Kuanzia simu mahiri hadikamera za kisayansi, CMOS imethibitisha kuwa inaweza kubadilika, yenye nguvu, na tayari kwa siku zijazo.
Hitimisho
Vihisi vya CMOS vimebadilika kuwa kiwango cha kisasa cha programu nyingi za upigaji picha, kutokana na usawa wao wa utendakazi, ufanisi na gharama. Iwe inanasa kumbukumbu za kila siku au kufanya uchanganuzi wa kisayansi wa kasi ya juu, teknolojia ya CMOS hutoa msingi wa ulimwengu wa kisasa wa kuona.
Huku ubunifu kama vile shutter ya kimataifa ya CMOS na sCMOS inavyoendelea kupanua uwezo wa teknolojia, utawala wake unatarajia kuendelea kwa miaka ijayo.
Maswali Yanayoulizwa Mara kwa Mara
Kuna tofauti gani kati ya shutter inayozunguka na shutter ya kimataifa?
Kifunga kinachosonga husoma data ya picha mstari kwa mstari, ambayo inaweza kusababisha vizalia vya mwendo (km, skew au kuyumba) wakati wa kunasa vitu vinavyosonga haraka.
Kifunga cha kimataifa kinanasa fremu nzima kwa wakati mmoja, na kuondoa upotoshaji kutoka kwa mwendo. Ni bora kwa programu za upigaji picha za kasi ya juu kama vile kuona kwa mashine na majaribio ya kisayansi.
Njia ya Kuingiliana ya Rolling Shutter CMOS ni nini?
Kwa kamera za CMOS za shutter, katika hali ya mwingiliano, udhihirisho wa fremu inayofuata unaweza kuanza kabla ya sasa kukamilika kikamilifu, na hivyo kuruhusu viwango vya juu vya fremu. Hili linawezekana kwa sababu mfiduo na usomaji wa kila safu mlalo hubadilika kwa wakati.
Hali hii ni muhimu katika programu ambapo kasi ya juu zaidi ya fremu na upitishaji ni muhimu, kama vile ukaguzi wa kasi ya juu au ufuatiliaji wa wakati halisi. Hata hivyo, inaweza kuongeza kidogo utata wa muda na ulandanishi.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Haki zote zimehifadhiwa. Unapotaja, tafadhali tambua chanzo:www.tucsen.com
