Hvað er CMOS myndskynjari? Skilja ítarlega

Frá snjallsímum til sjálfkeyrandi bíla til iðnaðarskoðunarbúnaðar, næstum öll tæki sem fanga stafrænar myndir treysta á kjarnatækni: CMOS myndskynjari (CIS). Það er ábyrgt fyrir því að umbreyta ljósi í stafræn merki sem hægt er að þekkja og vinna með rafeindatækjum.

Svo, hvað er CMOS myndskynjari? Hver er innri uppbygging þess? Hvernig er ljós breytt í stafræna mynd? Af hverju hefur það komið í stað CCD og orðið almennur? Þessi grein mun veita þér ítarlegan skilning á CMOS myndskynjara, greina starfsreglur þeirra, lykilþætti, kosti og núverandi tækniþróun.

CMOS myndskynjari er hálfleiðandi tæki sem notar viðbótar málm-oxíð-blóðleiðara (CMOS) tækni til að umbreyta atviksljósi (ljóseindum) í rafmagnsmerki og mynda að lokum stafræna mynd.

Einfaldlega sagt, CMOS myndskynjari er samþættur hringrásarflís með þúsundum pínulítilra ljósnæmra eininga, kallað pixlar, þétt pakkaðir á yfirborð þess. Hver pixla getur greint ljós og umbreytt því í rafmagnshleðslu, sem síðan er breytt í stafræn gögn í gegnum hringrás sem er samþætt á flísinni og myndar að lokum stafræna myndina sem við sjáum.

what is cmos sensor

Lykillinn að því að skilja hvernig CMOS myndskynjarar virka er að skilja hvernig þeir starfa á pixla stigi og hvernig merkið er lesið.

Ljósmyndun umbreytingar (ljósnemi):
Kjarni hvers pixla er ljósnemi. Þegar ljós (ljóseindir) slær á ljósleiðara myndast rafeindaholupör, þar sem rafeindum er safnað og hleðsla myndast. Því sterkari sem atviksljósið er, því meiri hleðsla er safnað á tilteknum útsetningartíma.

Hleðsla uppsöfnun og umbreyting:
Magn hleðslu sem safnað er með ljósnemi er í réttu hlutfalli við ljósstyrkinn. Þessar hleðslur eru geymdar tímabundið í gatnamótum ljósnemans. Við lestur er þessum uppsöfnuðum hleðslum breytt í spennumerki.

Virkur pixla skynjari (APS):
Þetta er grundvallarmunurinn á CMOS skynjara og hefðbundnum CCD skynjara. Í CMOS skynjara inniheldur hver pixla sín eigin virka rafrásir, venjulega samanstendur af mörgum smári (oftast 3T eða 4T arkitektúr). Þessir smárar framkvæma lykilaðgerðir inni í pixelinu:

Endurstilla smári:Notað til að hreinsa hleðsluna frá síðustu útsetningu í ljósnemanum í undirbúningi fyrir nýja útsetningarferil.
Uppruni fylgjanda\/magnara smári:Breytir hleðslunni sem safnast upp í ljósnemanum í spennumerki og framkvæmir stuðpúða eða forkeppni til að draga úr hávaða og auka styrk merkja.
ROW SELECT smári:Virkar sem rofi til að leyfa ytri lestrarrásum að fá aðgang að merkinu á röðinni þar sem pixla er staðsett.
(Í 4T arkitektúr) Flytja hliðar smári:Í 4T pixla flytur ljósneminn hleðsluna yfir í fljótandi dreifingu, sem síðan er tengdur við uppruna fylgjanda. Þetta flutningshlið hjálpar til við að bæta skilvirkni rafeindafræðinga og draga úr hávaða.

Samhliða upplestur og hliðstæða-til-stafræn viðskipti (ADC):
Þar sem hver pixla inniheldur virka hringrás er hægt að lesa CMOS skynjara samhliða. Þetta þýðir að margar línur eða dálkar af pixlum geta lesið merki á sama tíma og hvert merki er sent til hliðstæða til stafræns breytir (ADC) eftir að hafa farið í gegnum magnara (venjulega í pixilnum sjálfum eða í lok dálksins).

Ólíkt CCD, þá samþætta CMOS skynjarar venjulega ADC beint á skynjara flísina og geta jafnvel stillt sjálfstæða ADC fyrir hvern dálk eða hvern pixlahóp og náð þar með mjög miklum hraða gagnagagna. ADC breytir hliðstætt spennumerkinu í stafræn gildi, sem eru pixla gögn lokamyndarinnar.

Heill CMOS myndskynjari flís inniheldur margar hagnýtar einingar:

Pixla fylki:Tvívídd ristþétt pakkað með ljósritum og virkum smári, sem er kjarnasvæði myndatöku.
Litasíu fylking (CFA):Staðsett fyrir ofan pixla fylkinguna, samþykkir það venjulega Bayer -mynstrið og hver pixla leyfir aðeins einum af þremur litum rauðra, grænu og bláu að fara í gegnum. Á þennan hátt skráir hver pixla aðeins ljósstyrk tiltekins litar og síðan er Demosaicing framkvæmt í gegnISPað endurgera litamyndina.
Microlenses:Hver pixla er staðsett fyrir ofan litasíuna og samsvarar microlens, sem er notuð til að einbeita ljósi á skilvirkari hátt á ljósnemann hvers pixla til að bæta ljósnýtingu.
Röð\/dálkur afkóða:Notað til að taka á nákvæmlega og velja pixla röð eða dálk sem á að lesa.
Lestrarrásir:Inniheldur pixelstig magnara (uppspretta fylgjenda), dálkamagnara og ADC sem eru samþættir á flísinni til að umbreyta hliðstæðum merkjum í stafræn merki.
Tímasetning og stjórnunarrökfræði:Stýrir tímasetningu allrar skynjaraaðgerðarinnar, þ.mt váhrif, endurstilla, lestur osfrv.
Stafrænt framleiðsla viðmót:Sendir unnar stafrænar myndgögn yfir í ytri myndmerki örgjörva (ISP) eða hýsilstýringu.

Key Components Of A CMOS Image Sensor

Fyrir hækkun CMOS skynjara voru CCD (hleðslutengd tæki) skynjarar almennir stafrænar myndgreiningar. CCD skynjarar virka eins og „fötu gengi“: Hleðslan sem safnað er af hverri pixla er send til aðliggjandi pixla einn af öðrum þar til hann nær upplestri hnút við jaðar flísarinnar til umbreytingar. Þessi raðlestraaðferð færir eðlislægar takmarkanir.

CMOS skynjarar hafa eftirfarandi verulegu kosti yfir CCD skynjara vegna einstaka arkitektúrs þeirra, sem gerir þáFyrsti kosturinn fyrir flestar myndavélareiningarÍ dag:

Hærri hraði:Samhliða upplestur CMOS gerir kleift að vinna úr mörgum línum eða dálkum gagna samtímis, sem er mun hraðari en raðlestur CCD, svo ahærri rammahraðier hægt að ná.
Lægri orkunotkun:CMOS skynjarar framkvæma umbreytingu á hleðslu til spennu inni í pixelinu og lestrarferlið þarf ekki að færa mikið hleðslu eins oft og CCD, þannig að orkunotkun er verulega minnkuð, sem gerir það mjög hentugt fyrir rafhlöðuknúna tæki (svo sem snjallsíma).
Lægri kostnaður:Hægt er að framleiða CMOS skynjara með því að nota staðlaða hálfleiðara framleiðsluferli, sem er hagkvæmari og auðveldara að fjöldaframleiða.
Hærri samþætting:Byggt á CMOS tækni er auðvelt að samþætta myndskynjara með stjórnunarrökfræði, ADC og jafnvel sumum ISP aðgerðum á sama flís til að mynda „myndavél-á-a-flís“ og draga þannig úr ytri íhlutum og draga úr flækjum og kostnaði kerfisins.
Minna smear\/blóma:Þar sem hver pixla er lesin sjálfstætt eru CMOS skynjarar minna tilhneigingu til CCD smear (lóðréttar hvítar rákir) og blóma (hvítir blettir sem dreifast út frá björtum svæðum) í björtu ljósi.
Sveigjanleg upplestur:CMOS skynjarar geta lesið ákveðin svæði (ROI) án þess að lesa allan skynjarann.

Veltandi gluggahlerunaráhrif:Flestir CMOS skynjarar nota veltandi gluggahleri, sem getur valdið röskun á myndum þegar þeir skjóta hratt á hluti. Hins vegar, með þróun tækni,Global ShutterCMOS skynjarar hafa komið fram, leyst þetta vandamál og eru mikið notaðir á iðnaðar- og faglegum sviðum.Grein um Global Shutter vs. Rolling Shutter.

Sögulega hærri hávaði:Snemma CMOS skynjarar kynntu frekari hávaða vegna samþættingar smára í hverjum pixla. Hins vegar, með framgangi framleiðsluferla og hávaðaminnkunartækni (svo sem að samþætta samsvarandi tvöfalda sýnatöku geisladiska í pixlum), hafa nútíma CMOS skynjarar gert mikil bylting í hávaðastjórnun, jafnvel farið fram úr CCD í sumum þáttum.

CMOS myndskynjara tækni er enn að þróast og hér eru nokkrar mikilvægar nýjungar:

Bakslýsing (BSI):Hefðbundnir CMOS skynjarar (að framan á uppsöfnum) Settu málm raflögn og smári fyrir ofan ljósnemann og hindrar smá ljós. BSI tækni færir raflögnina fyrir neðan eða aftan á ljósnemanum, sem gerir ljós kleiftí litlu ljósi, og er venjulegur eiginleiki nútíma snjallsíma myndavélareininga.
Staflað CMO:Frekari þróun BSI tækni. Það framleiðir Pixel Array flísina og Logic Processing flísina (þ.mt ISP og geymslu osfrv.) Aðskilin, stafar þeim síðan saman og tengir þá við örlítið tengi. Þessi þrívíddar stafla uppbygging gerir skynjarann ekki aðeins minni, heldur gerir það einnig hraðari vinnsluhraða og fleiri aðgerðir á flísum.
Global Shutter CMO:Hann er hannaður sérstaklega fyrir forrit sem krefjast þess að taka röskunarlausar háhraða hreyfimyndir, það bætir við minni til að geyma hleðslu innan hvers pixla til að gera öllum pixlum kleift að verða fyrir áhrifum samtímis og leysa rúlluðu lokaraáhrifin.

Advanced CMOS Technologies

CMOS myndskynjari (CIS), sem grunntækni til að umbreyta ljósi í stafrænar myndir, nær kostum háhraða, lítillar orkunotkunar, lítill kostnaður og mikil samþætting í gegnum einstaka virka pixel arkitektúr og samsíða upplestrargetu. Þrátt fyrir að það væru áskoranir eins og rúlla gluggahleri, með stöðugri nýsköpun í háþróaðri tækni eins og aftur-uppsöfnuðu, staflaðri og alþjóðlegum gluggahleri, hafa CMOS skynjarar sigrast á sögulegum göllum sínum, náð stökk í afköstum og gegnt algerri ráðandi stöðu í ýmsum stafrænum myndgreiningum.

Djúpur skilningur á meginreglum og einkennum CMOS myndskynjara er áríðandi fyrsta skref fyrir hvaða vöru- eða kerfisframleiðanda sem tekur þátt íMyndavélareiningar. Það eru þessi pínulitlu „rafrænu augu“ sem veita nútíma tæki getu til að fylgjast með og skilja heiminn.

1. Hversu lengi endist CMOS myndskynjari? Mun það slitna?
A.CMOS myndskynjarar eru hálfleiðara tæki í fastri ástandi án vélrænna slithluta. Við venjulegar rekstrarskilyrði (innan hönnunarmörk eins og hitastig og spennu) er líf þeirra mjög langt, venjulega langt umfram líftíma vörunnar sem þær eru samþættar í. Árangursbrot þess kemur aðallega frá aukningu á dimmum straumi sem safnast saman yfir langan tíma (birtist sem aukinn hávaði), en þetta er venjulega mjög hægt ferli og er ekki áberandi í lífi neytendaafurða. Mikill hiti eða geislun getur flýtt fyrir öldrun.

2.Ear CMOS skynjarar sem eru næmir fyrir skemmdum eða „innbruna“ eins og hefðbundin kvikmynd?
A.CMOS skynjarar eru yfirleitt endingargóðari en hefðbundnir kvikmyndir eða snemma CCD skynjarar, en þeir eru ekki alveg „óslítandi“. Í afar sterku beinu ljósi (svo sem beint að benda á sólina, leysigeislar), getur ofmettað útsetning til langs tíma valdið varanlegu tjóni á pixlum (dauðum pixlum eða heitum blettum) eða valdið „bruna“ áhrifum. Þess vegna ætti að forðast myndavélareiningar frá því að verða fyrir mikilli ljósi í langan tíma.

3.Hvað er takmörk smámanns CMOS myndskynjara?
A.Miniaturization CMOS myndskynjara er takmörkuð af lögum eðlisfræði og framleiðsluferla. Þegar pixelstærðin er minnkuð að vissu marki mun skilvirkni ljóseindarsöfnunar minnka, hávaðinn mun aukast tiltölulega og skammtaáhrifin verða augljósari, sem leiðir til minnkunar á myndgæðum. Á sama tíma verður mjög erfitt að samþætta nægar hringrásir (svo sem smára) og ná fram skilvirkri hitaleiðni í afar litlum stærðum. Þrátt fyrir þetta eru framleiðendur enn að skoða ný efni og mannvirki (svo sem staflað, fullkomnari BSI) til að brjótast í gegnum þessi mörk til að mæta þörfum smærri myndmyndavélar eða áþreifanlegra tækja.