CMOS Sensörlerini Anlamak: Çoğu görüntüleme için modern standart |

Akıllı telefonlardan bilimsel cihazlara kadar, görüntü sensörleri günümüz görsel teknolojisinin merkezinde yer almaktadır. Bunlar arasında, CMOS sensörler baskın güç haline gelmiş ve günlük fotoğraflardan gelişmiş mikroskopi ve yarı iletken incelemelerine kadar her şeye güç vermektedir.

'Tamamlayıcı Metal Oksit Yarı İletken' (CMOS) teknolojisi, uygulamaları inanılmaz derecede geniş olan bir elektronik mimari ve üretim süreçleri teknolojisi kümesidir. CMOS teknolojisinin modern dijital çağın temelini oluşturduğu söylenebilir.

CMOS Sensörü Nedir?

CMOS görüntü sensörleri (CIS), aktif pikseller kullanır; bu, kameranın her pikselinde üç veya daha fazla transistör kullanılması anlamına gelir. CCD ve EMCCD pikselleri transistör içermez.

Her pikseldeki transistörler, bu 'aktif' piksellerin kontrol edilmesini, sinyallerin 'alan etkili' transistörler aracılığıyla yükseltilmesini ve verilerine paralel olarak erişilmesini sağlar. Bir sensörün tamamı veya önemli bir kısmı için tek bir okuma yolu yerine,CMOS kameraSensörün her sütunu için bir (veya daha fazla) ADC olmak üzere en az bir tam satır okuma ADC'si içerir. Bunların her biri, kendi sütun değerlerini aynı anda okuyabilir. Ayrıca, bu "aktif piksel" sensörleri CMOS dijital mantığıyla uyumludur ve bu da potansiyel sensör işlevselliğini artırır.

Bu özellikler bir araya geldiğinde, CMOS sensörlere hız kazandırır. Ancak, paralellikteki bu artış sayesinde, bağımsız ADC'ler algılanan sinyalleri daha doğru bir şekilde ölçmek için daha uzun süreye ihtiyaç duyar. Bu daha uzun dönüşüm süreleri, daha yüksek piksel sayılarında bile çok düşük gürültülü çalışmaya olanak tanır. Bu ve diğer yenilikler sayesinde, CMOS sensörlerin okuma gürültüsü, CCD'lere kıyasla genellikle 5 ila 10 kat daha düşüktür.

Modern bilimsel CMOS (sCMOS) kameralar, araştırma uygulamalarında düşük gürültülü ve yüksek hızlı görüntüleme için tasarlanmış CMOS'un özel bir alt türüdür.

CMOS Sensörler Nasıl Çalışır? (Rolling ve Global Shutter Dahil)

Tipik bir CMOS sensörünün çalışma prensibi şekilde gösterilmiş ve aşağıda özetlenmiştir. Aşağıdaki çalışma farklılıkları nedeniyle, pozlama zamanlaması ve işleyişinin küresel ve yuvarlanan deklanşörlü CMOS kameralar için farklı olacağını unutmayın.

Şekil: CMOS sensörü için okuma süreci

NOTCMOS kameralar için okuma süreci, metinde de açıklandığı gibi, 'rolling shutter' ve 'global shutter' kameralar arasında farklılık gösterir. Her iki durumda da, her piksel, algılanan fotoelektron sayısına bağlı olarak bir voltaj üreten bir kapasitör ve amplifikatör içerir. Her satır için, her sütundaki voltajlar, sütun analog-dijital dönüştürücüler tarafından aynı anda ölçülür.

Kepenk

1. Yuvarlanan deklanşörlü bir CMOS sensör için, en üst sıradan (veya bölünmüş sensörlü kameralar için ortada) başlayarak, o sıranın pozlamasını başlatmak için şarjı sıradan temizleyin.
2. 'Çizgi süresi' geçtikten sonra (genellikle 5-20 μs), bir sonraki satıra geçin ve tüm sensör pozlanana kadar 1. adımdan itibaren tekrarlayın.
3. Her satır için, pozlama süresi bitene kadar pozlama boyunca yükler birikir. İlk başlayan satır, ilk önce biter.
4. Bir satır için pozlama tamamlandığında, yükleri okuma kapasitörüne ve amplifikatöre aktarın.
5. Daha sonra o satırdaki her bir amplifikatördeki voltaj sütun ADC'sine bağlanır ve satırdaki her piksel için sinyal ölçülür.
6. Okuma ve sıfırlama işlemi 'satır süresi' kadar sürecektir, bundan sonra pozlamaya başlayacak bir sonraki satır pozlama süresinin sonuna ulaşacak ve işlem 4. adımdan itibaren tekrarlanacaktır.
7. Üst satır için okuma işlemi tamamlanır tamamlanmaz, alt satır mevcut kareyi pozlamaya başlamışsa, üst satır bir sonraki karenin pozlamasını başlatabilir (üst üste binme modu). Pozlama süresi kare süresinden kısaysa, üst satır, alt satırın pozlamaya başlamasını beklemelidir. Mümkün olan en kısa pozlama genellikle bir satır süresidir.

Tucsen'in FL 26BW Soğutmalı CMOS KamerasıSony IMX533 sensörlü , bu yuvarlanan deklanşör teknolojisini kullanıyor.

Küresel Deklanşör

Kaynak:GMAX3412 Küresel Deklanşör CMOS Görüntü Sensörü

1. Edinimi başlatmak için, eş zamanlı olarak tüm sensörden yük temizlenir (piksel kuyusunun genel olarak sıfırlanması).
2. Maruz kalma süresince yük birikir.
3. Pozlamanın sonunda, toplanan yükler her pikselin içindeki maskelenmiş bir kuyuya taşınır ve burada yeni algılanan fotonlar sayılmadan okumayı beklerler. Bazı kameralar bu aşamada yükleri piksel kapasitörüne taşır.
4. Tespit edilen yükler her pikselin maskelenmiş alanına depolandığında, pikselin aktif alanı bir sonraki karenin pozlamasına başlayabilir (üst üste binme modu).
5. Maskelenmiş alandan okuma işlemi, yuvarlanan kepenk sensörlerinde olduğu gibi ilerler: Sensörün üst kısmından, her seferinde bir satır olmak üzere, yükler maskelenmiş alandan okuma kapasitörüne ve yükseltecine aktarılır.
6. Söz konusu satırdaki her bir amplifikatördeki voltaj, sütun ADC'sine bağlanır ve satırdaki her piksel için sinyal ölçülür.
7. Okuma ve sıfırlama işlemi 'satır süresi' kadar sürecek ve ardından işlem 5. adımdan sonraki satır için tekrarlanacaktır.
8. Tüm satırlar okunduktan sonra, kamera bir sonraki kareyi okumaya hazır hale gelir ve işlem 2. adımdan veya pozlama süresi geçmişse 3. adımdan tekrarlanabilir.

Tucsen'in Libra 3412M Mono sCMOS Kamerasıküresel deklanşör teknolojisini kullanarak hareketli örneklerin net ve hızlı bir şekilde yakalanmasını sağlar.

CMOS Sensörlerin Artıları ve Eksileri

Artıları

● Daha yüksek hızlar: CMOS sensörleri, veri aktarım hızı bakımından CCD veya EMCCD sensörlerinden genellikle 1 ila 2 kat daha hızlıdır.
● Daha büyük sensörler: Daha hızlı veri akışı, daha yüksek piksel sayılarına ve onlarca veya yüzlerce megapiksele kadar daha geniş görüş alanlarına olanak tanır.
● Düşük gürültü:Bazı CMOS sensörler, ek gürültü kaynakları ekleyen yük çoğaltmaya ihtiyaç duymadan EMCCD'lerle rekabet edebilecek şekilde 0,25e- kadar düşük okuma gürültüsüne sahip olabilir.
● Piksel boyutu esnekliğiTüketici ve akıllı telefon kamera sensörleri piksel boyutlarını ~1 μm aralığına kadar düşürüyor ve piksel boyutu 11 μm'ye kadar olan bilimsel kameralar yaygın olup 16 μm'ye kadar olanlar da mevcuttur.
● Daha düşük güç tüketimiCMOS kameraların düşük güç gereksinimleri, bunların daha geniş çeşitlilikte bilimsel ve endüstriyel uygulamalarda kullanılmasını sağlar.
● Fiyat ve kullanım ömrü: Düşük seviye CMOS kameralar genellikle CCD kameralara benzer veya daha düşük maliyetlidir ve yüksek seviye CMOS kameralar, EMCCD kameralardan çok daha düşük maliyetlidir. Beklenen hizmet ömürleri, bir EMCCD kameranın hizmet ömrünü önemli ölçüde aşmalıdır.

Eksileri

● Kepenk:Bilimsel CMOS kameraların çoğunda yuvarlanan deklanşör bulunur; bu da deneysel iş akışlarına karmaşıklık katabilir veya bazı uygulamaları ortadan kaldırabilir.
● Daha yüksek koyu akımt: Çoğu CMOS kameranın karanlık akımı, CCD ve EMCCD sensörlerinden çok daha yüksektir ve bu durum bazen uzun pozlamalarda (> 1 saniye) önemli miktarda gürültüye neden olur.

CMOS Sensörleri Günümüzde Nerede Kullanılıyor?

CMOS sensörleri çok yönlülükleri sayesinde çok çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır:

● Tüketici Elektroniği: Akıllı telefonlar, web kameraları, DSLR'ler, aksiyon kameraları.
● Yaşam Bilimleri: CMOS sensör gücümikroskopi kameralarıFloresan görüntüleme ve tıbbi teşhislerde kullanılır.

● Astronomi:Teleskoplar ve uzay görüntüleme aygıtları yüksek çözünürlük ve düşük gürültü için genellikle bilimsel CMOS (sCMOS) kullanır.
● Endüstriyel Muayene: Otomatik optik muayene (AOI), robotik veyarı iletken muayenesi için kameralarhız ve doğruluk için CMOS sensörlerine güvenin.

● Otomotiv: Gelişmiş Sürücü Destek Sistemleri (ADAS), geri görüş ve park kameraları.
● Gözetim ve Güvenlik: Loş ışık ve hareket algılama sistemleri.

Hızı ve maliyet etkinliği, CMOS'u hem yüksek hacimli ticari kullanım hem de uzmanlaşmış bilimsel çalışmalar için tercih edilen çözüm haline getiriyor.

CMOS Neden Artık Modern Standarttır?

CCD'den CMOS'a geçiş bir gecede gerçekleşmedi, ancak kaçınılmazdı. CMOS'un artık görüntüleme sektörünün temel taşı olmasının nedeni şu:

● Üretim Avantajı: Standart yarı iletken üretim hatları üzerine inşa edilmiştir, maliyeti düşürür ve ölçeklenebilirliği artırır.
● Performans Kazanımları: Yuvarlanan ve küresel deklanşör seçenekleri, iyileştirilmiş düşük ışık hassasiyeti ve daha yüksek kare hızları.
● Entegrasyon ve Zeka: CMOS sensörleri artık çip üzerinde yapay zeka işlemeyi, uç bilişimi ve gerçek zamanlı analizi destekliyor.
● Yenilik:Yığınlanmış CMOS, kuanta görüntü sensörleri ve kavisli sensörler gibi yeni ortaya çıkan sensör tipleri CMOS platformları üzerine inşa edilmiştir.

Akıllı telefonlardanbilimsel kameralarCMOS'un uyarlanabilir, güçlü ve geleceğe hazır olduğu kanıtlanmıştır.

Çözüm

CMOS sensörleri, performans, verimlilik ve maliyet dengesi sayesinde çoğu görüntüleme uygulaması için modern standart haline gelmiştir. İster günlük anıları yakalayın, ister yüksek hızlı bilimsel analizler yapın, CMOS teknolojisi günümüzün görsel dünyasının temelini oluşturur.

Küresel deklanşör CMOS ve sCMOS gibi yenilikler teknolojinin yeteneklerini genişletmeye devam ettikçe, hakimiyetinin önümüzdeki yıllarda da devam etmesi bekleniyor.

SSS

Rolling shutter ile global shutter arasındaki fark nedir?

Yuvarlanan deklanşör, görüntü verilerini satır satır okur ve bu da hızlı hareket eden nesneleri çekerken hareket eserlerine (örneğin, eğrilik veya titreme) neden olabilir.

Küresel deklanşör, tüm kareyi aynı anda yakalayarak hareketten kaynaklanan bozulmayı ortadan kaldırır. Makine görüşü ve bilimsel deneyler gibi yüksek hızlı görüntüleme uygulamaları için idealdir.

Rolling Shutter CMOS Overlap Modu Nedir?

Rolling shutter CMOS kameralarda, üst üste binme modunda, bir sonraki karenin pozlaması, mevcut karenin pozlaması tamamen tamamlanmadan başlayabilir ve bu da daha yüksek kare hızlarına olanak tanır. Bu, her satırın pozlaması ve okumasının zaman içinde kademeli olması sayesinde mümkündür.

Bu mod, yüksek hızlı inceleme veya gerçek zamanlı izleme gibi maksimum kare hızı ve verimin kritik olduğu uygulamalarda kullanışlıdır. Ancak, zamanlama ve senkronizasyon karmaşıklığını biraz artırabilir.