25/08/05Smartfonlardan tortib ilmiy asboblargacha, tasvir sensorlari bugungi vizual texnologiyaning markazida turadi. Ular orasida CMOS sensorlari asosiy kuchga aylandi, ular kundalik fotosuratlardan tortib ilg'or mikroskopiya va yarimo'tkazgichlarni tekshirishgacha bo'lgan hamma narsani quvvatlantiradi.
"Qo'shimcha metall oksidi yarimo'tkazgich" (CMOS) texnologiyasi - bu elektron arxitektura va ishlab chiqarish jarayonlari texnologiyalari to'plami bo'lib, ularning qo'llanilishi nihoyatda keng. Darhaqiqat, CMOS texnologiyasi zamonaviy raqamli asrning asosini tashkil qiladi, deyish mumkin.
CMOS sensori nima?
CMOS tasvir sensorlari (MDH) faol piksellardan foydalanadi, ya'ni kameraning har bir pikselida uch yoki undan ortiq tranzistorlardan foydalanish. CCD va EMCCD piksellarida tranzistorlar mavjud emas.
Har bir pikseldagi tranzistorlar ushbu "faol" piksellarni boshqarishga, "maydon effekti" tranzistorlari orqali signallarni kuchaytirishga va ularning ma'lumotlariga parallel ravishda kirishga imkon beradi. Butun sensor yoki sensorning muhim qismi uchun bitta o'qish yo'li o'rniga, aCMOS kamerao'qish ADClarining kamida bitta butun qatorini, sensorning har bir ustuni uchun bitta (yoki bir nechta) ADCni o'z ichiga oladi. Ularning har biri bir vaqtning o'zida o'z ustunining qiymatini o'qiy oladi. Bundan tashqari, ushbu "faol piksel" sensorlari CMOS raqamli mantiqqa mos keladi va sensorning potentsial funksionalligini oshiradi.
Bu fazilatlar birgalikda CMOS sensorlariga tezlikni beradi. Shunga qaramay, parallelizmning o'sishi tufayli individual ADClar aniqlangan signallarni aniqroq o'lchash uchun ko'proq vaqt talab qilishi mumkin. Ushbu uzoqroq konvertatsiya qilish vaqtlari hatto yuqori piksellar soni uchun ham juda past shovqin ishlashiga imkon beradi. Bu va boshqa innovatsiyalar tufayli CMOS sensorlarining o'qish shovqini CCD sensorlariga qaraganda 5-10 baravar pastroq bo'ladi.
Zamonaviy ilmiy CMOS (sCMOS) kameralari tadqiqot ilovalarida past shovqin va yuqori tezlikda tasvirlash uchun mo'ljallangan CMOSning ixtisoslashgan kichik turidir.
CMOS sensorlari qanday ishlaydi? (Shu jumladan Rolling vs Global Shutter)
Oddiy CMOS sensorining ishlashi rasmda ko'rsatilgan va quyida keltirilgan. E'tibor bering, quyida keltirilgan operatsion farqlar natijasida, ekspozitsiya vaqti va ishlashi global va aylanma CMOS kameralari uchun farq qiladi.
Rasm: CMOS sensori uchun o'qish jarayoni
ESLATMA: CMOS kameralar uchun o‘qish jarayoni matnda muhokama qilinganidek, “aylanma” va “global deklanşör” kameralari o‘rtasida farqlanadi. Ikkala holatda ham, har bir pikselda aniqlangan fotoelektronlar soniga asoslangan kuchlanish hosil qiluvchi kondansatör va kuchaytirgich mavjud. Har bir satr uchun har bir ustun uchun kuchlanishlar bir vaqtning o'zida raqamli konvertorlarga ustun analoglari bilan o'lchanadi.
Rolling panjur
1. Yuqori qatordan (yoki splitsensorli kameralar uchun markazdan) boshlanadigan CMOS sensori uchun aylanma panjurning ekspozitsiyasini boshlash uchun qatordan zaryadni tozalang.
2. "Chiziq vaqti" o'tgandan so'ng (odatda 5-20 ms), keyingi qatorga o'ting va 1-bosqichdan boshlab butun datchik ochilguncha takrorlang.
3. Har bir satr uchun zaryadlar ekspozitsiya vaqtida, ya'ni bu qator o'zining ta'sir qilish vaqtini tugatmaguncha to'planadi. Boshlash uchun birinchi qator birinchi bo'lib tugaydi.
4. Ekspozitsiya ketma-ket tugallangandan so'ng, zaryadlarni o'qish kondensatoriga va kuchaytirgichga o'tkazing.
5. Keyin bu qatordagi har bir kuchaytirgichdagi kuchlanish ADC ustuniga ulanadi va signal satrdagi har bir piksel uchun o'lchanadi.
6. O‘qish va qayta o‘rnatish operatsiyasi tugallanishi uchun “chiziq vaqti” kerak bo‘ladi, shundan so‘ng ekspozitsiyani boshlash uchun keyingi qator o‘zining ekspozitsiya vaqtining oxiriga yetgan bo‘ladi va jarayon 4-bosqichdan boshlab takrorlanadi.
7. Yuqori qatorni o'qish tugallangandan so'ng, agar pastki qator joriy kadrni ko'rsata boshlagan bo'lsa, yuqori qator keyingi kadrning ekspozitsiyasini boshlashi mumkin (bir-biriga o'xshash rejim). Agar ekspozitsiya vaqti kadr vaqtidan qisqaroq bo'lsa, yuqori qator pastki qatorning ekspozitsiyani boshlashini kutishi kerak. Mumkin bo'lgan eng qisqa ta'sir odatda bir chiziq vaqtidir.
Tucsenning FL 26BW sovutilgan CMOS kamerasi, Sony IMX533 sensori mavjud bo'lib, bu yopilish texnologiyasidan foydalanadi.
Global yopilish
1. Qabul qilishni boshlash uchun zaryad bir vaqtning o'zida butun sensordan tozalanadi (piksel qudug'ini global qayta o'rnatish).
2. Ta'sir qilish vaqtida zaryad to'planadi.
3. Ekspozitsiya oxirida yig'ilgan zaryadlar har bir piksel ichidagi niqoblangan quduqqa ko'chiriladi, u erda ular yangi aniqlangan fotonlar hisoblanmasdan o'qishni kutishlari mumkin. Ba'zi kameralar ushbu bosqichda zaryadlarni pikselli kondansatörga o'tkazadi.
4. Har bir pikselning maskalangan maydonida saqlangan aniqlangan zaryadlar bilan pikselning faol maydoni keyingi kadrning ekspozitsiyasini boshlashi mumkin (bir-biriga yopishish rejimi).
5. Niqoblangan maydondan o'qish jarayoni prokat datchiklaridagi kabi davom etadi: Bir vaqtning o'zida bir qator, sensorning yuqori qismidan zaryadlar maskalangan quduqdan o'qish kondensatoriga va kuchaytirgichga o'tkaziladi.
6. Ushbu qatordagi har bir kuchaytirgichdagi kuchlanish ADC ustuniga ulanadi va signal satrdagi har bir piksel uchun o'lchanadi.
7. O'qish va qayta o'rnatish jarayoni tugallanishi uchun "chiziq vaqti" kerak bo'ladi, shundan so'ng jarayon 5-bosqichdan keyingi qator uchun takrorlanadi.
8. Barcha satrlar o‘qilgandan so‘ng, kamera keyingi kadrni o‘qishga tayyor bo‘ladi va agar ekspozitsiya vaqti allaqachon o‘tib ketgan bo‘lsa, jarayon 2-bosqichdan yoki 3-bosqichdan boshlab takrorlanishi mumkin.
Tucsenning Libra 3412M Mono sCMOS kamerasiharakatlanuvchi namunalarni aniq va tez suratga olish imkonini beruvchi global tortishish texnologiyasidan foydalanadi.
CMOS sensorlarining afzalliklari va kamchiliklari
Pros
● Yuqori tezlik: CMOS sensorlari odatda CCD yoki EMCCD sensorlariga qaraganda ma'lumotlarni uzatishda 1 dan 2 darajaga tezroq bo'ladi.
● Kattaroq sensorlar: Tezroq maʼlumot uzatish oʻnlab yoki yuzlab megapikselgacha boʻlgan piksellar sonini va kattaroq koʻrish maydonlarini beradi.
● Kam shovqin: Ba'zi CMOS datchiklari qo'shimcha shovqin manbalarini qo'shadigan zaryadni ko'paytirishni talab qilmasdan EMCCD bilan raqobatlashadigan 0,25e-gacha past shovqinga ega bo'lishi mumkin.
● Piksel o'lchamining moslashuvchanligi: Iste'molchi va smartfon kamerasi sensorlari piksel o'lchamlarini ~1 mkm diapazongacha tushiradi va piksel o'lchami 11 mkm gacha bo'lgan ilmiy kameralar keng tarqalgan va 16 mkmgacha mavjud.
● Kam quvvat sarfi: CMOS kameralarining kam quvvat talablari ularni kengroq ilmiy va sanoat ilovalarida foydalanish imkonini beradi.
● Narx va xizmat muddati: Past darajali CMOS kameralar odatda CCD kameralarga o'xshash yoki arzonroq, yuqori darajadagi CMOS kameralar esa EMCCD kameralariga qaraganda ancha past. Ularning kutilgan xizmat muddati EMCCD kamerasidan ancha yuqori bo'lishi kerak.
Kamchiliklari
● Aylanma panjur: Ilmiy CMOS kameralarining aksariyati eksperimental ish oqimlarini murakkablashtirishi yoki ba'zi ilovalarni istisno qilishi mumkin bo'lgan aylanma panjurga ega.
● Yuqori toʻq oqimt: Ko'pgina CMOS kameralari CCD va EMCCD sensorlariga qaraganda ancha yuqori qorong'u oqimga ega, ba'zida uzoq ekspozitsiyalarda (> 1 soniya) sezilarli shovqin paydo bo'ladi.
Bugungi kunda CMOS sensorlari qayerda ishlatiladi
Ko'p qirraliligi tufayli CMOS sensorlari keng ko'lamli ilovalarda mavjud:
● Maishiy elektronika: Smartfonlar, veb-kameralar, DSLRlar, harakat kameralari.
● Hayotiy fanlar: CMOS sensorlari quvvatimikroskop kameralarifloresan tasvirlash va tibbiy diagnostikada qo'llaniladi.
● Astronomiya: Teleskoplar va kosmik tasvirlash qurilmalari ko'pincha yuqori aniqlik va past shovqin uchun ilmiy CMOS (sCMOS) dan foydalanadi.
● Sanoat inspektsiyasi: Avtomatlashtirilgan optik tekshiruv (AOI), robototexnika vayarimo'tkazgichlarni tekshirish uchun kameralartezlik va aniqlik uchun CMOS sensorlariga tayaning.
● Avtomobilsozlik: Ilg'or haydovchiga yordam tizimlari (ADAS), orqa ko'rinish va to'xtash kameralari.
● Kuzatuv va xavfsizlik: Kam yorug'lik va harakatni aniqlash tizimlari.
Ularning tezligi va tejamkorligi CMOSni yuqori hajmli tijorat maqsadlarida ham, ixtisoslashgan ilmiy ishlarda ham asosiy yechimga aylantiradi.
Nima uchun CMOS endi zamonaviy standart?
CCD-dan CMOS-ga o'tish bir kechada sodir bo'lmadi, lekin bu muqarrar edi. Mana nima uchun CMOS endi tasvir sanoatining asosiy toshi hisoblanadi:
● Ishlab chiqarish afzalligi: Standart yarimo'tkazgichlarni ishlab chiqarish liniyalarida qurilgan, xarajatlarni kamaytiradi va o'lchovni yaxshilaydi.
● Ishlash samaradorligi: Rolling va global deklanşör imkoniyatlari, yaxshilangan kam yorug'lik sezgirligi va yuqori kadr tezligi.
● Integratsiya va razvedka: CMOS datchiklari endi chipda sun'iy intellektni qayta ishlash, chekka hisoblash va real vaqt tahlilini qo'llab-quvvatlaydi.
● Innovatsiyalar: Stacked CMOS, kvant tasvir sensorlari va egri datchiklar kabi rivojlanayotgan sensor turlari CMOS platformalarida qurilgan.
Smartfonlardan tortibilmiy kameralar, CMOS moslashuvchan, kuchli va kelajakka tayyor ekanligini isbotladi.
Xulosa
CMOS sensorlari ishlash, samaradorlik va xarajat muvozanati tufayli ko'pchilik tasvirlash ilovalari uchun zamonaviy standartga aylandi. Kundalik xotiralarni qo'lga kiritish yoki yuqori tezlikda ilmiy tahlillarni o'tkazish, CMOS texnologiyasi bugungi vizual dunyo uchun asos bo'lib xizmat qiladi.
Global shutter CMOS va sCMOS kabi innovatsiyalar texnologiya imkoniyatlarini kengaytirishda davom etar ekan, uning hukmronligi kelgusi yillar davomida davom etadi.
Tez-tez so'raladigan savollar
Rolling panjur va global panjur o'rtasidagi farq nima?
Tez harakatlanuvchi ob'ektlarni suratga olishda harakat artefaktlari (masalan, qiyshayish yoki tebranish) paydo bo'lishiga olib kelishi mumkin bo'lgan deklanşör tasvir ma'lumotlarini satr bo'yicha o'qiydi.
Global deklanşör bir vaqtning o'zida butun kadrni suratga oladi va harakatdagi buzilishlarni yo'q qiladi. Bu mashina ko‘rish va ilmiy tajribalar kabi yuqori tezlikdagi tasvirlash ilovalari uchun ideal.
Rolling Shutter CMOS Overlap Mode nima?
Qopqoqli CMOS kameralar uchun, bir-biriga o'xshash rejimda, keyingi kadrning ekspozitsiyasi joriy kadr to'liq tugagunga qadar boshlanishi mumkin, bu esa yuqori kadr tezligini ta'minlaydi. Bu mumkin, chunki har bir satrning ekspozitsiyasi va o'qilishi o'z vaqtida bosqichma-bosqich bo'ladi.
Ushbu rejim maksimal kadr tezligi va o'tkazish qobiliyati muhim bo'lgan ilovalarda, masalan, yuqori tezlikda tekshirish yoki real vaqtda kuzatishda foydalidir. Biroq, bu vaqt va sinxronizatsiya murakkabligini biroz oshirishi mumkin.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Barcha huquqlar himoyalangan. Iqtibos keltirayotganda manbani ko'rsating:www.tucsen.com
