25/08/05Mula sa mga smartphone hanggang sa mga siyentipikong instrumento, ang mga sensor ng imahe ay nasa puso ng visual na teknolohiya ngayon. Kabilang sa mga ito, ang mga sensor ng CMOS ay naging nangingibabaw na puwersa, na pinapagana ang lahat mula sa pang-araw-araw na mga larawan hanggang sa advanced na microscopy at semiconductor inspection.
Ang teknolohiyang 'Complementary Metal Oxide Semiconductor' (CMOS) ay isang elektronikong arkitektura at hanay ng mga teknolohiyang proseso ng fabrication na ang mga aplikasyon ay hindi kapani-paniwalang malawak. Sa katunayan, ang teknolohiya ng CMOS ay masasabing nagpapatibay sa modernong digital age.
Ano ang isang CMOS Sensor?
Gumagamit ang mga CMOS image sensor (CIS) ng mga aktibong pixel, ibig sabihin ay ang paggamit ng tatlo o higit pang transistor sa bawat pixel ng camera. Ang mga pixel ng CCD at EMCCD ay hindi naglalaman ng mga transistor.
Ang mga transistor sa bawat pixel ay nagbibigay-daan sa mga 'aktibong' pixel na ito na makontrol, ang mga signal na pinalaki sa pamamagitan ng 'field effect' na mga transistor, at ang kanilang data ay na-access, lahat ay magkatulad. Sa halip ng iisang readout path para sa isang buong sensor o isang makabuluhang bahagi ng isang sensor, aCMOS cameramay kasamang hindi bababa sa isang buong hilera ng mga readout na ADC, isa (o higit pa) ADC para sa bawat column ng sensor. Mababasa ng bawat isa sa mga ito ang halaga ng kanilang column nang sabay-sabay. Dagdag pa, ang mga 'active pixel' na sensor na ito ay katugma sa CMOS digital logic, na nagpapataas ng potensyal na paggana ng sensor.
Magkasama, ang mga katangiang ito ay nagbibigay sa mga sensor ng CMOS ng kanilang bilis. Gayunpaman, salamat sa pagtaas ng parallelism na ito, ang mga indibidwal na ADC ay nakakapagtagal upang sukatin ang kanilang mga natukoy na signal nang mas tumpak. Ang mas mahabang oras ng conversion na ito ay nagbibigay-daan para sa napakababang operasyon ng ingay, kahit na para sa mas mataas na bilang ng pixel. Dahil dito, at iba pang mga inobasyon, ang nabasang ingay ng mga sensor ng CMOS ay may posibilidad na maging kasing dami ng 5x - 10x na mas mababa kaysa sa mga CCD.
Ang mga modernong siyentipikong CMOS (sCMOS) na mga camera ay isang espesyal na subtype ng CMOS na idinisenyo para sa mababang ingay at high-speed na imaging sa mga aplikasyon ng pananaliksik.
Paano Gumagana ang Mga Sensor ng CMOS? (Kabilang ang Rolling vs Global Shutter)
Ang pagpapatakbo ng isang tipikal na sensor ng CMOS ay ipinapakita sa figure at nakabalangkas sa ibaba. Tandaan na bilang resulta ng mga pagkakaiba sa pagpapatakbo sa ibaba, mag-iiba ang tiyempo at pagpapatakbo ng pagkakalantad para sa mga global versus rolling shutter CMOS camera.
Figure: Proseso ng pagbabasa para sa CMOS sensor
TANDAAN: Ang proseso ng readout para sa mga CMOS camera ay naiiba sa pagitan ng 'rolling shutter' at 'global shutter' camera, gaya ng tinalakay sa text. Sa alinmang kaso, ang bawat pixel ay naglalaman ng capacitor at amplifier na gumagawa ng boltahe batay sa nakitang bilang ng photoelectron. Para sa bawat hilera, ang mga boltahe para sa bawat column ay sinusukat nang sabay-sabay sa pamamagitan ng column analogue sa mga digital converter.
Rolling Shutter
1. Para sa isang rolling shutter CMOS sensor, simula sa itaas na row (o center para sa mga splitsensor camera), tanggalin ang charge mula sa row upang simulan ang exposure ng row na iyon.
2. Pagkatapos lumipas ang 'oras ng linya' (karaniwang 5-20 μs), lumipat sa susunod na row at ulitin mula sa hakbang 1, hanggang sa lumantad ang buong sensor.
3. Para sa bawat row, naiipon ang mga singil sa panahon ng exposure, hanggang sa matapos ang row na iyon sa oras ng exposure nito. Ang unang hilera na magsisimula ay matatapos muna.
4. Kapag natapos na ang exposure para sa isang row, ilipat ang mga singil sa readout capacitor at amplifier.
5. Ang boltahe sa bawat amplifier sa row na iyon ay konektado sa column ADC, at ang signal ay sinusukat para sa bawat pixel sa row.
6. Aabutin ng 'line time' ang readout at reset operation para makumpleto, pagkatapos nito ang susunod na row para simulan ang exposure ay aabot sa katapusan ng exposure time nito, at ang proseso ay mauulit mula sa hakbang 4.
7. Sa sandaling makumpleto ang pagbabasa para sa itaas na hilera, kung ang ilalim na hilera ay nagsimulang ilantad ang kasalukuyang frame, ang itaas na hilera ay maaaring simulan ang pagkakalantad ng susunod na frame (overlap mode). Kung ang oras ng pagkakalantad ay mas maikli kaysa sa oras ng frame, ang itaas na hilera ay dapat maghintay para sa ibabang hilera upang simulan ang pagkakalantad. Ang pinakamaikling posibleng pagkakalantad ay karaniwang isang oras ng linya.
Tucsen's FL 26BW Cooled CMOS Camera, na nagtatampok ng Sony IMX533 sensor, ay gumagamit ng rolling shutter technology na ito.
Global Shutter
Pinagmulan:GMAX3412 Global Shutter CMOS Image Sensor
1. Upang simulan ang pagkuha, sabay-sabay na na-clear ang singil mula sa buong sensor (global reset ng pixel well).
2. Naiipon ang singil sa panahon ng pagkakalantad.
3. Sa pagtatapos ng pagkakalantad, ang mga nakolektang singil ay inililipat sa isang nakamaskara na balon sa loob ng bawat pixel, kung saan maaari silang maghintay ng pagbabasa nang hindi binibilang ang mga bagong nakitang photon. Ang ilang mga camera ay naglilipat ng mga singil sa pixel capacitor sa yugtong ito.
4. Sa mga natukoy na singil na nakaimbak sa masked area ng bawat pixel, ang aktibong bahagi ng pixel ay maaaring magsimula ng exposure ng susunod na frame (overlap mode).
5. Ang proseso ng readout mula sa masked area ay nagpapatuloy tulad ng para sa rolling shutter sensors: Isang row sa isang pagkakataon, mula sa tuktok ng sensor, ang mga singil ay inililipat mula sa masked well patungo sa readout capacitor at amplifier.
6. Ang boltahe sa bawat amplifier sa row na iyon ay konektado sa column ADC, at ang signal ay sinusukat para sa bawat pixel sa row.
7. Aabutin ng 'line time' ang readout at reset operation upang makumpleto, kung saan ang proseso ay mauulit para sa susunod na row mula sa hakbang 5.
8. Kapag nabasa na ang lahat ng row, handa na ang camera na basahin ang susunod na frame, at maaaring ulitin ang proseso mula sa hakbang 2, o hakbang 3 kung lumipas na ang oras ng pagkakalantad.
Tucsen's Libra 3412M Mono sCMOS Cameragumagamit ng pandaigdigang teknolohiya ng shutter, na nagbibigay-daan sa malinaw at mabilis na pagkuha ng mga gumagalaw na sample.
Mga kalamangan at kahinaan ng mga CMOS Sensor
Mga pros
● Mas mataas na bilis: Ang mga sensor ng CMOS ay karaniwang 1 hanggang 2 order ng magnitude na mas mabilis sa throughput ng data kaysa sa mga sensor ng CCD o EMCCD.
● Mas malalaking sensor: Ang mas mabilis na data throughput ay nagbibigay-daan sa mas mataas na bilang ng pixel at mas malalaking field ng view, hanggang sampu o daan-daang megapixel.
● Mababang ingay: Ang ilang mga sensor ng CMOS ay maaaring magbasa ng ingay na kasingbaba ng 0.25e-, na nakikipagkumpitensya sa mga EMCCD nang hindi nangangailangan ng pagpaparami ng singil na nagdaragdag ng mga karagdagang pinagmumulan ng ingay.
● Flexibility ng laki ng pixel: Ang mga sensor ng camera ng consumer at smartphone ay nagtutulak ng mga laki ng pixel pababa sa hanay na ~1 μm, at karaniwan ang mga pang-agham na camera na hanggang 11 μm sa laki ng pixel, at hanggang 16 μm ang available.
● Mas mababang pagkonsumo ng kuryente: Ang mababang kapangyarihan na kinakailangan ng mga CMOS camera ay nagbibigay-daan sa mga ito para magamit sa mas malawak na iba't ibang mga pang-agham at pang-industriyang aplikasyon.
● Presyo at panghabambuhay: Ang mga low-end na CMOS camera ay karaniwang katulad o mas mababa ang halaga sa mga CCD camera, at ang mga high-end na CMOS camera ay mas mababa ang halaga kaysa sa mga EMCCD camera. Ang kanilang inaasahang buhay ng serbisyo ay dapat na higit pa kaysa sa isang EMCCD camera.
Cons
● Rolling shutter: Ang karamihan sa mga siyentipikong CMOS camera ay may rolling shutter, na maaaring magdagdag ng pagiging kumplikado sa mga pang-eksperimentong daloy ng trabaho o maalis ang ilang mga application.
● Mas mataas na dark current: Karamihan sa mga CMOS camera ay may mas mataas na dark current kaysa sa mga sensor ng CCD at EMCCD, kung minsan ay nagpapakilala ng makabuluhang ingay sa mahabang exposure (> 1 segundo).
Kung Saan Ginagamit Ngayon ang Mga CMOS Sensor
Salamat sa kanilang versatility, ang mga CMOS sensor ay matatagpuan sa isang malawak na hanay ng mga application:
● Consumer Electronics: Mga smartphone, webcam, DSLR, action cam.
● Life Sciences: Lakas ng mga sensor ng CMOSmga camera ng mikroskopyaginagamit sa fluorescence imaging at mga medikal na diagnostic.
● Astronomiya: Ang mga teleskopyo at space imaging device ay kadalasang gumagamit ng scientific CMOS (sCMOS) para sa mataas na resolution at mababang ingay.
● Industrial Inspection: Automated optical inspection (AOI), robotics, atmga camera para sa inspeksyon ng semiconductorumasa sa mga sensor ng CMOS para sa bilis at katumpakan.
● Automotive: Advanced Driver Assistance Systems (ADAS), rear-view at parking camera.
● Pagsubaybay at Seguridad: Low-light at motion detection system.
Ang kanilang bilis at cost-efficiency ay ginagawang CMOS ang go-to solution para sa parehong mataas na volume na komersyal na paggamit at espesyal na gawaing siyentipiko.
Bakit Ang CMOS Ngayon ang Modernong Pamantayan
Ang paglipat mula sa CCD patungo sa CMOS ay hindi nangyari nang magdamag, ngunit ito ay hindi maiiwasan. Narito kung bakit CMOS ngayon ang pundasyon ng industriya ng imaging:
● Kalamangan sa Paggawa: Itinayo sa karaniwang mga linya ng paggawa ng semiconductor, binabawasan ang gastos at pagpapabuti ng scalability.
● Mga Nadagdag sa Pagganap: Rolling at global shutter na opsyon, pinahusay na low-light sensitivity, at mas mataas na frame rate.
● Integrasyon at Intelligence: Sinusuportahan na ngayon ng mga sensor ng CMOS ang on-chip na pagproseso ng AI, edge computing, at real-time na pagsusuri.
● Innovation: Ang mga umuusbong na uri ng sensor tulad ng stacked CMOS, quanta image sensor, at curved sensor ay binuo sa mga platform ng CMOS.
Mula sa mga smartphone hanggangmga siyentipikong kamera, napatunayan ng CMOS na madaling ibagay, makapangyarihan, at handa sa hinaharap.
Konklusyon
Ang mga sensor ng CMOS ay umunlad sa modernong pamantayan para sa karamihan ng mga aplikasyon ng imaging, salamat sa kanilang balanse sa pagganap, kahusayan, at gastos. Kung kumukuha man ng mga pang-araw-araw na alaala o pagsasagawa ng high-speed na siyentipikong pagsusuri, ang teknolohiya ng CMOS ay nagbibigay ng pundasyon para sa visual na mundo ngayon.
Habang patuloy na pinapalawak ng mga inobasyon tulad ng global shutter CMOS at sCMOS ang mga kakayahan ng teknolohiya, nakatakdang magpatuloy ang pangingibabaw nito sa mga darating na taon.
Mga FAQ
Ano ang pagkakaiba sa pagitan ng rolling shutter at global shutter?
Binabasa ng rolling shutter ang data ng imahe sa bawat linya, na maaaring magdulot ng mga motion artifact (hal., skew o wobble) kapag kumukuha ng mabilis na paggalaw ng mga paksa.
Kinukuha ng pandaigdigang shutter ang buong frame nang sabay-sabay, inaalis ang distortion mula sa paggalaw. Perpekto ito para sa mga high-speed imaging application tulad ng machine vision at siyentipikong mga eksperimento.
Ano ang Rolling Shutter CMOS Overlap Mode?
Para sa mga rolling shutter CMOS camera, sa overlap mode, maaaring magsimula ang exposure ng susunod na frame bago ganap na makumpleto ang kasalukuyang, na nagbibigay-daan para sa mas mataas na frame rate. Posible ito dahil ang pagkakalantad at pagbabasa ng bawat hilera ay pasuray-suray sa oras.
Ang mode na ito ay kapaki-pakinabang sa mga application kung saan ang maximum na frame rate at throughput ay kritikal, tulad ng sa high-speed inspection o real-time na pagsubaybay. Gayunpaman, maaari nitong bahagyang tumaas ang pagiging kumplikado ng timing at pag-synchronize.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Nakalaan ang lahat ng karapatan. Kapag nagbabanggit, mangyaring kilalanin ang pinagmulan:www.tucsen.com
