25/08/05Від смартфонів до наукових приладів, датчики зображення є основою сучасних візуальних технологій. Серед них CMOS-датчики стали домінуючою силою, що забезпечує роботу всього: від повсякденних фотографій до передової мікроскопії та інспекції напівпровідників.
Технологія «комплементарних металоксидних напівпровідників» (КМОП) — це електронна архітектура та набір технологій виробничих процесів, застосування яких неймовірно широке. Дійсно, можна сказати, що КМОП-технологія лежить в основі сучасної цифрової епохи.
Що таке CMOS-сенсор?
CMOS-датчики зображення (CIS) використовують активні пікселі, тобто використовують три або більше транзисторів у кожному пікселі камери. Пікселі CCD та EMCCD не містять транзисторів.
Транзистори в кожному пікселі дозволяють керувати цими «активними» пікселями, посилювати сигнали через «польові» транзистори та отримувати доступ до їхніх даних, все паралельно. Замість єдиного шляху зчитування для всього датчика або значної його частини,CMOS-камеравключає щонайменше один цілий ряд АЦП зчитування, один (або більше) АЦП для кожного стовпця датчика. Кожен з них може одночасно зчитувати значення свого стовпця. Крім того, ці датчики з «активним пікселем» сумісні з цифровою логікою CMOS, що розширює потенційну функціональність датчика.
Разом ці якості забезпечують швидкість роботи CMOS-сенсорів. Однак, завдяки збільшенню паралелізму, окремі АЦП можуть вимірювати виявлені сигнали довше та з більшою точністю. Ці довший час перетворення забезпечує дуже низький рівень шуму, навіть для більшої кількості пікселів. Завдяки цьому та іншим інноваціям, шум зчитування CMOS-сенсорів, як правило, у 5-10 разів нижчий, ніж у CCD-матриць.
Сучасні наукові CMOS-камери (sCMOS) – це спеціалізований підтип CMOS, розроблений для низькошвидкісного отримання зображень з низьким рівнем шуму в дослідницьких застосуваннях.
Як працюють CMOS-сенсори? (Включаючи рухомий та глобальний затвор)
Роботу типового CMOS-сенсора показано на рисунку та описано нижче. Зверніть увагу, що через відмінності в роботі, наведені нижче, час та робота експозиції відрізнятимуться для CMOS-камер з глобальним затвором та камер з рухомим затвором.
Рисунок: Процес зчитування даних для CMOS-сенсора
ПРИМІТКАПроцес зчитування даних для CMOS-камер відрізняється для камер із «рухомим затвором» та «глобальним затвором», як обговорюється в тексті. В обох випадках кожен піксель містить конденсатор і підсилювач, які виробляють напругу на основі виявленої кількості фотоелектронів. Для кожного рядка напруга для кожного стовпця вимірюється одночасно аналого-цифровими перетворювачами стовпців.
Ролетний затвор
1. Для CMOS-сенсора з рухомим затвором, починаючи з верхнього ряду (або центру для камер із розділеним сенсором), зніміть заряд з ряду, щоб розпочати експозицію цього ряду.
2. Після закінчення «часу лінії» (зазвичай 5-20 мкс) перейдіть до наступного ряду та повторюйте дії з кроку 1, доки не буде експоновано весь датчик.
3. Для кожного ряду заряди накопичуються під час експозиції, доки цей ряд не завершить свій час експозиції. Ряд, який розпочнеться першим, закінчиться першим.
4. Після завершення експозиції для ряду перенесіть заряди на зчитувальний конденсатор та підсилювач.
5. Напруга в кожному підсилювачі в цьому рядку потім підключається до стовпцевого АЦП, і сигнал вимірюється для кожного пікселя в рядку.
6. Операція зчитування та скидання займе «час лінії», після чого наступний рядок для початку експозиції досягне кінця свого часу експозиції, і процес повториться з кроку 4.
7. Щойно зчитування для верхнього рядка завершено, за умови, що нижній рядок почав експозицію поточного кадру, верхній рядок може розпочати експозицію наступного кадру (режим перекриття). Якщо час експозиції коротший за час кадру, верхній рядок повинен чекати, поки нижній рядок розпочне експозицію. Найкоротша можлива експозиція зазвичай становить час одного рядка.
Охолоджувана CMOS-камера Tucsen FL 26BWз сенсором Sony IMX533 використовує цю технологію рухомого затвора.
Глобальний затвор
1. Щоб розпочати зчитування даних, заряд одночасно знімається з усього датчика (глобальне скидання піксельної лунки).
2. Заряд накопичується під час впливу.
3. Після завершення експозиції зібрані заряди переміщуються в замасковану лунку в кожному пікселі, де вони можуть чекати на зчитування без підрахунку нових виявлених фотонів. Деякі камери переміщують заряди в піксельний конденсатор на цьому етапі.
4. Після того, як виявлені заряди збережені в замаскованій області кожного пікселя, активна область пікселя може розпочати експозицію наступного кадру (режим перекриття).
5. Процес зчитування з маскованої області відбувається так само, як і для датчиків рухомого затвора: по рядку за раз, з верхньої частини датчика, заряди переносяться з маскованої свердловини до конденсатора зчитування та підсилювача.
6. Напруга в кожному підсилювачі в цьому рядку підключена до стовпцевого АЦП, і сигнал вимірюється для кожного пікселя в рядку.
7. Операція зчитування та скидання займе «лінійний час», після чого процес повториться для наступного рядка з кроку 5.
8. Після зчитування всіх рядків камера готова зчитувати наступний кадр, і процес можна повторити з кроку 2 або кроку 3, якщо час експозиції вже минув.
Монографічна sCMOS-камера Tucsen Libra 3412Mвикористовує технологію глобального затвора, що дозволяє чітко та швидко знімати рухомі зразки.
Плюси та мінуси CMOS-сенсорів
Плюси
● Вищі швидкостіCMOS-сенсори зазвичай на 1-2 порядки швидше обробляють дані, ніж CCD- або EMCCD-сенсори.
● Більші сенсориШвидша пропускна здатність даних забезпечує більшу кількість пікселів та більші поля зору, аж до десятків або сотень мегапікселів.
● Низький рівень шумуДеякі CMOS-сенсори можуть мати шум зчитування до 0,25e-, що конкурує з EMCCD без необхідності множення заряду, яке додає додаткові джерела шуму.
● Гнучкість розміру пікселівСпоживчі та смартфонні камери дозволяють зменшити розмір пікселів до ~1 мкм, а наукові камери з розміром пікселя до 11 мкм є поширеними, а доступні й до 16 мкм.
● Нижче енергоспоживанняНизькі вимоги до енергоспоживання CMOS-камер дозволяють використовувати їх у ширшому спектрі наукових та промислових застосувань.
● Ціна та термін службиБюджетні CMOS-камери зазвичай мають таку ж або нижчу вартість, як і CCD-камери, а високоякісні CMOS-камери набагато нижчі за EMCCD-камери. Їхній очікуваний термін служби має значно перевищувати термін служби EMCCD-камери.
Мінуси
● Рулонний затворБільшість наукових CMOS-камер мають рухомий затвор, що може ускладнити експериментальні робочі процеси або виключити деякі застосування.
● Вищий темний струмt: Більшість CMOS-камер мають набагато вищий темновий струм, ніж CCD- та EMCCD-сенсори, що іноді призводить до значного шуму при тривалих витримках (> 1 секунди).
Де CMOS-сенсори використовуються сьогодні
Завдяки своїй універсальності, CMOS-сенсори знаходять застосування в широкому спектрі:
● Побутова електронікаСмартфони, веб-камери, дзеркальні фотоапарати, екшн-камери.
● Науки про життяЖивлення CMOS-сенсорівмікроскопічні камеривикористовується у флуоресцентній візуалізації та медичній діагностиці.
● АстрономіяТелескопи та пристрої космічної зйомки часто використовують наукові CMOS-матриці (sCMOS) для високої роздільної здатності та низького рівня шуму.
● Промислова інспекціяАвтоматизована оптична інспекція (AOI), робототехніка такамери для перевірки напівпровідниківпокладаються на CMOS-сенсори для швидкості та точності.
● Автомобільна промисловість: Розширені системи допомоги водієві (ADAS), камери заднього виду та паркування.
● Спостереження та безпекаСистеми виявлення руху та слабкого освітлення.
Завдяки своїй швидкості та економічній ефективності, КМОП-технології є ідеальним рішенням як для комерційного використання великих обсягів, так і для спеціалізованої наукової роботи.
Чому CMOS зараз є сучасним стандартом
Перехід від CCD до CMOS не стався за одну ніч, але був неминучим. Ось чому CMOS зараз є наріжним каменем індустрії обробки зображень:
● Виробнича перевагаПобудовано на стандартних лініях виробництва напівпровідників, що знижує вартість та покращує масштабованість.
● Підвищення продуктивності: Опції рухомого та глобального затвора, покращена чутливість до слабкого освітлення та вища частота кадрів.
● Інтеграція та інтелектCMOS-сенсори тепер підтримують вбудовану обробку даних на основі штучного інтелекту, периферійні обчислення та аналіз у режимі реального часу.
● ІнноваціїНові типи датчиків, такі як багатошарові CMOS-датчики, квантові датчики зображення та вигнуті датчики, побудовані на CMOS-платформах.
Від смартфонів донаукові камериCMOS довела свою адаптивність, потужність та готовність до майбутнього.
Висновок
Завдяки поєднанню продуктивності, ефективності та вартості, CMOS-сенсори стали сучасним стандартом для більшості застосувань обробки зображень. Незалежно від того, чи йдеться про захоплення повсякденних спогадів, чи про проведення високошвидкісного наукового аналізу, технологія CMOS забезпечує основу для сучасного візуального світу.
Оскільки такі інновації, як CMOS з глобальним затвором та sCMOS, продовжують розширювати можливості технології, її домінування, ймовірно, збережеться ще багато років.
Найчастіші запитання
Яка різниця між рухомим затвором та глобальним затвором?
Ролінг-шторм зчитує дані зображення рядок за рядком, що може спричиняти артефакти руху (наприклад, перекіс або коливання) під час зйомки швидкорухомих об'єктів.
Глобальний затвор захоплює весь кадр одночасно, усуваючи спотворення від руху. Він ідеально підходить для високошвидкісної обробки зображень, такої як машинний зір та наукові експерименти.
Що таке режим перекриття CMOS Rolling Shutter?
Для CMOS-камер із рухомим затвором у режимі перекриття експозиція наступного кадру може розпочатися до того, як поточний повністю завершиться, що дозволяє досягати вищої частоти кадрів. Це можливо завдяки тому, що експозиція та зчитування кожного рядка розподілені за часом.
Цей режим корисний у застосунках, де максимальна частота кадрів та пропускна здатність є критично важливими, наприклад, під час високошвидкісної перевірки або відстеження в режимі реального часу. Однак він може дещо збільшити складність визначення часу та синхронізації.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Усі права захищено. Під час цитування, будь ласка, вкажіть джерело:www.tucsen.com
