Beth yw synhwyrydd delwedd cmos?

O ffonau smart i geir hunan-yrru i offer arolygu diwydiannol, mae bron pob dyfais sy'n dal delweddau digidol yn dibynnu ar dechnoleg graidd: synhwyrydd delwedd CMOS (CIS). Mae'n gyfrifol am drosi golau yn signalau digidol y gellir eu cydnabod a'u prosesu gan ddyfeisiau electronig.

Felly, beth yw synhwyrydd delwedd CMOS? Beth yw ei strwythur mewnol? Sut mae golau'n cael ei drawsnewid yn ddelwedd ddigidol? Pam mae wedi disodli CCD ac wedi dod yn brif ffrwd? Bydd yr erthygl hon yn darparu dealltwriaeth fanwl i chi o synwyryddion delwedd CMOS, gan ddadansoddi eu hegwyddorion gweithio, cydrannau allweddol, manteision, ac esblygiad technolegol cyfredol.

Mae synhwyrydd delwedd CMOS yn ddyfais lled-ddargludyddion sy'n defnyddio technoleg cyflenwol metel-ocsid-lled-ddargludyddion (CMOS) i drosi golau digwyddiad (ffotonau) yn signalau trydanol, gan ffurfio delwedd ddigidol yn y pen draw.

Yn syml, mae synhwyrydd delwedd CMOS yn sglodyn cylched integredig gyda miloedd o unedau ffotosensitif bach, o'r enw picseli, wedi'u pacio'n drwchus ar ei wyneb. Gall pob picsel ganfod golau a'i droi'n wefr drydan, sydd wedyn yn cael ei droi'n ddata digidol trwy gylchedau sydd wedi'u hintegreiddio ar y sglodyn, gan ffurfio'r ddelwedd ddigidol a welwn yn y pen draw.

what is cmos sensor

Yr allwedd i ddeall sut mae synwyryddion delwedd CMOS yn gweithio yw deall sut maen nhw'n gweithredu ar lefel picsel a sut mae'r signal yn cael ei ddarllen.

Trosi ffotodrydanol (ffotodiode):
Wrth wraidd pob picsel mae ffotodiode. Pan fydd golau (ffotonau) yn taro ffotodiode, cynhyrchir parau twll electron, lle mae electronau'n cael eu casglu a chynhyrchir gwefr. Po gryfaf y golau digwyddiad, y mwyaf o wefr sy'n cael ei gronni mewn amser amlygiad penodol.

Cronni gwefr a throsi:
Mae swm y gwefr a gesglir gan ffotodiode yn gymesur â'r dwyster golau. Mae'r taliadau hyn yn cael eu storio dros dro yng nghynhwysedd cyffordd y ffotodiode. Wrth ddarllen, mae'r taliadau cronedig hyn yn cael eu troi'n signal foltedd.

Synhwyrydd picsel gweithredol (APS):
Dyma'r gwahaniaeth sylfaenol rhwng synwyryddion CMOS a synwyryddion CCD traddodiadol. Mewn synhwyrydd CMOS, mae pob picsel yn cynnwys ei gylchedwaith gweithredol ei hun, fel arfer yn cynnwys nifer o transistorau (pensaernïaeth 3T neu 4T yn fwyaf cyffredin). Mae'r transistorau hyn yn cyflawni swyddogaethau allweddol y tu mewn i'r picsel:

Ailosod transistor:A ddefnyddir i glirio'r tâl o'r amlygiad diwethaf yn y ffotodiode wrth baratoi ar gyfer cylch amlygiad newydd.
Transistor Dilynwr\/Amplifier Ffynhonnell:Yn trosi'r gwefr a gronnwyd yn y ffotodiode yn signal foltedd ac yn perfformio byffro neu ymhelaethiad rhagarweiniol i leihau sŵn a chynyddu cryfder y signal.
Rhes dewis transistor:Yn gweithredu fel switsh i ganiatáu i gylchedau darllen allanol gael mynediad i signal y rhes lle mae'r picsel wedi'i leoli.
(Mewn pensaernïaeth 4t) Trosglwyddo transistor giât:Mewn picsel 4T, mae'r ffotodiode yn trosglwyddo'r gwefr i ymlediad arnofiol, sydd wedyn wedi'i gysylltu â'r dilynwr ffynhonnell. Mae'r giât drosglwyddo hon yn helpu i wella effeithlonrwydd trosi ffotodrydanol a lleihau sŵn.

Darlleniad cyfochrog a throsi analog-i-ddigidol (ADC):
Gan fod pob picsel yn cynnwys cylchedau gweithredol, gellir darllen synwyryddion CMOS allan yn gyfochrog. Mae hyn yn golygu y gall rhesi neu golofnau lluosog o bicseli ddarllen signalau ar yr un pryd, a throsglwyddir pob signal i drawsnewidydd analog-i-ddigidol (ADC) ar ôl pasio trwy fwyhadur (fel arfer yn y picsel ei hun neu ar ben y golofn).

Yn wahanol i CCD, mae synwyryddion CMOS fel arfer yn integreiddio ADC yn uniongyrchol ar y sglodyn synhwyrydd, a gallant hyd yn oed ffurfweddu ADCs annibynnol ar gyfer pob colofn neu bob grŵp picsel, a thrwy hynny gyflawni cyflymderau darllen data uchel iawn. Mae'r ADC yn trosi'r signal foltedd analog yn werthoedd digidol, sef data picsel y ddelwedd derfynol.

Mae sglodyn synhwyrydd delwedd CMOS cyflawn yn cynnwys sawl modiwl swyddogaethol:

Array Pixel:Mae grid dau ddimensiwn yn drwchus wedi'i bacio'n drwchus â ffotodiodau a transistorau gweithredol, sef yr ardal graidd o ddal delweddau.
Array Hidlo Lliw (CFA):Wedi'i leoli uwchben yr arae picsel, mae fel arfer yn mabwysiadu'r patrwm bayer, ac mae pob picsel yn caniatáu i un o dri lliw coch, gwyrdd a glas fynd drwyddo yn unig. Yn y modd hwn, dim ond dwyster golau lliw penodol y mae pob picsel yn ei gofnodi, ac yna mae demosaicing yn cael ei berfformio drwyddoyr ISPi ail -lunio'r ddelwedd lliw.
Microlensys:Wedi'i leoli uwchben yr hidlydd lliw, mae pob picsel yn cyfateb i ficrolens, a ddefnyddir i ganolbwyntio golau yn fwy effeithiol ar ffotodiode pob picsel i wella'r defnydd o olau.
Decoders rhes\/colofn:A ddefnyddir i fynd i'r afael yn gywir a dewis y rhes picsel neu'r golofn i'w darllen.
Cylchedwaith darllen:Yn cynnwys chwyddseinyddion lefel picsel (dilynwyr ffynhonnell), chwyddseinyddion colofnau, ac ADCs wedi'u hintegreiddio ar y sglodyn i drosi signalau analog yn signalau digidol.
Rhesymeg Amseru a Rheoli:Yn rheoli amseriad gweithrediad cyfan y synhwyrydd, gan gynnwys amlygiad, ailosod, darllen, ac ati.
Rhyngwyneb Allbwn Digidol:Yn trosglwyddo'r data delwedd ddigidol wedi'i brosesu i brosesydd signal delwedd allanol (ISP) neu reolwr gwesteiwr.

Key Components Of A CMOS Image Sensor

Cyn cynnydd synwyryddion CMOS, synwyryddion CCD (dyfais wedi'u cyplysu â gwefr) oedd prif ffrwd delweddu digidol. Mae synwyryddion CCD yn gweithio fel "ras gyfnewid bwced": mae'r gwefr a gesglir gan bob picsel yn cael ei throsglwyddo i'r picseli cyfagos fesul un nes ei fod yn cyrraedd nod darllen allan ar ymyl y sglodyn i'w drawsnewid. Mae'r dull darllen cyfresol hwn yn dod â chyfyngiadau cynhenid.

Mae gan synwyryddion CMOS y manteision sylweddol canlynol dros synwyryddion CCD oherwydd eu pensaernïaeth unigryw, gan eu gwneudy dewis cyntaf ar gyfer y mwyafrif o fodiwlau cameraHeddiw:

Cyflymder uwch:Mae darlleniad cyfochrog CMOS yn caniatáu prosesu rhesi lluosog neu golofnau o ddata ar yr un pryd, sy'n llawer cyflymach na darlleniad cyfresol CCD, felly acyfradd ffrâm uwchgellir ei gyflawni.
Defnydd pŵer is:Mae synwyryddion CMOS yn perfformio trosi gwefr-i-foltedd y tu mewn i'r picsel, ac nid yw'r broses ddarllen yn gofyn am symud swm mawr o wefr mor aml â CCD, felly mae'r defnydd pŵer yn cael ei leihau'n sylweddol, gan ei gwneud yn addas iawn ar gyfer dyfeisiau sy'n cael eu pweru gan fatri (fel ffonau smart).
Cost is:Gellir cynhyrchu synwyryddion CMOS gan ddefnyddio prosesau gweithgynhyrchu lled-ddargludyddion safonol, sy'n fwy cost-effeithiol ac yn haws eu cynhyrchu.
Integreiddio uwch:Yn seiliedig ar dechnoleg CMOS, gellir integreiddio synwyryddion delwedd yn hawdd â rhesymeg reoli, ADC, a hyd yn oed rhai swyddogaethau ISP ar yr un sglodyn i ffurfio "camera-ar-sglodyn", a thrwy hynny leihau cydrannau allanol a lleihau cymhlethdod a chost system.
Llai ceg y groth\/blodeuo:Gan fod pob picsel yn cael ei ddarllen yn annibynnol, mae synwyryddion CMOS yn llai tueddol o geg y groth (streipiau gwyn fertigol) a blodeuo (smotiau gwyn yn ymledu tuag allan o ardaloedd llachar) mewn golau llachar.
Darlleniad hyblyg:Gall synwyryddion CMOS ddarllen meysydd penodol (ROI) heb ddarllen y synhwyrydd cyfan.

Effaith caead rholio:Mae'r rhan fwyaf o synwyryddion CMOS yn defnyddio darllen caead rholio, a allai achosi ystumiad delwedd wrth saethu gwrthrychau sy'n symud yn gyflym. Fodd bynnag, gyda datblygiad technoleg,Caead Byd -eangMae synwyryddion CMOS wedi dod i'r amlwg, gan ddatrys y broblem hon ac fe'u defnyddir yn helaeth mewn meysydd diwydiannol a phroffesiynol.Erthygl am gaead byd -eang yn erbyn caead rholio.

Yn hanesyddol uwch sŵn:Cyflwynodd synwyryddion CMOS cynnar sŵn ychwanegol oherwydd integreiddio transistorau ym mhob picsel. Fodd bynnag, gyda datblygiad prosesau gweithgynhyrchu a thechnolegau lleihau sŵn (megis integreiddio CDs samplu dwbl cydberthynol mewn picseli), mae synwyryddion CMOS modern wedi gwneud datblygiadau mawr o ran rheoli sŵn, hyd yn oed yn rhagori ar CCD mewn rhai agweddau.

Mae technoleg synhwyrydd delwedd CMOS yn dal i esblygu, a dyma rai arloesiadau pwysig:

Goleuo Backside (BSI):Mae synwyryddion CMOS traddodiadol (wedi'u goleuo'n flaenorol) yn gosod gwifrau metel a transistorau uwchben y ffotodiode, gan rwystro rhywfaint o olau. Mae technoleg BSI yn symud yr haen weirio islaw neu i gefn y ffotodiode, gan ganiatáu i olau gyrraedd yr ardal ffotosensitif yn fwy uniongyrchol ac effeithlon, gan wella ffotosensitifrwydd ac effeithlonrwydd cwantwm yn sylweddol, yn enwedigmewn amgylcheddau ysgafn isel, ac mae'n nodwedd safonol o fodiwlau camera ffôn clyfar modern.
CMOs wedi'u pentyrru:Datblygu technoleg BSI ymhellach. Mae'n gweithgynhyrchu'r sglodyn arae picsel a'r sglodyn prosesu rhesymeg (gan gynnwys ISP a storio, ac ati) ar wahân, yna'n eu pentyrru gyda'i gilydd ac yn eu cysylltu â chysylltwyr bach. Mae'r strwythur pentyrru tri dimensiwn hwn nid yn unig yn gwneud y synhwyrydd yn llai, ond hefyd yn galluogi cyflymderau prosesu cyflymach a mwy o swyddogaethau ar-sglodion.
CMOs caead byd -eang:Wedi'i ddylunio'n benodol ar gyfer cymwysiadau sy'n gofyn am ddal delweddau cynnig cyflym heb ystumiad, mae'n ychwanegu cof ar gyfer storio gwefr ym mhob picsel i alluogi'r holl bicsel i gael ei ddatgelu ar yr un pryd, gan ddatrys yr effaith caead rholio.

Advanced CMOS Technologies

Mae Synhwyrydd Delwedd CMOS (CIS), fel y dechnoleg graidd ar gyfer trosi golau yn ddelweddau digidol, yn cyflawni manteision cyflymder uchel, defnydd pŵer isel, cost isel ac integreiddio uchel trwy ei bensaernïaeth picsel weithredol unigryw a'i allu darllen cyfochrog. Er bod heriau fel rholio caead, gydag arloesedd parhaus technolegau datblygedig fel caead yn ôl, pentyrru a byd-eang, mae synwyryddion CMOS wedi goresgyn eu hanfanteision hanesyddol, wedi cyflawni naid mewn perfformiad, ac wedi meddiannu safle dominyddol llwyr mewn amrywiol gymwysiadau delweddu digidol.

Mae dealltwriaeth ddofn o egwyddorion a nodweddion synwyryddion delwedd CMOS yn gam cyntaf hanfodol i unrhyw gynnyrch neu ddatblygwr system sy'n ymwneud âModiwlau Camera. Y "llygaid electronig" bach hyn sy'n rhoi'r gallu i ddyfeisiau modern arsylwi a deall y byd.

1. Pa mor hir y mae synhwyrydd delwedd CMOS yn para? A fydd yn gwisgo allan?
A.Mae synwyryddion delwedd CMOS yn ddyfeisiau lled-ddargludyddion cyflwr solid heb unrhyw rannau gwisgo mecanyddol. O dan amodau gweithredu arferol (o fewn terfynau dylunio fel tymheredd a foltedd), mae eu bywyd yn hir iawn, fel arfer yn llawer uwch na bywyd y cynnyrch y maent wedi'i integreiddio ynddo. Daw ei ddiraddiad perfformiad yn bennaf o'r cynnydd mewn cerrynt tywyll a gronnwyd dros gyfnod hir (a amlygir fel mwy o sŵn), ond mae hon fel arfer yn broses araf iawn ac nid yw'n amlwg ym mywyd cynhyrchion defnyddwyr. Gall gwres neu ymbelydredd eithafol gyflymu heneiddio.

2.are synwyryddion CMOS sy'n agored i ddifrod neu "losgi i mewn" fel ffilm draddodiadol?
A.Mae synwyryddion CMOS yn gyffredinol yn fwy gwydn na synwyryddion ffilm traddodiadol neu CCD cynnar, ond nid ydynt yn hollol "anorchfygol". Mewn golau uniongyrchol hynod gryf (megis pwyntio yn uniongyrchol at yr haul, trawstiau laser), gall amlygiad gor-gyflawniad tymor hir achosi niwed parhaol i bicseli (picseli marw neu fannau poeth) neu achosi effaith "llosgi i mewn". Felly, dylid osgoi modiwlau camera rhag bod yn agored i olau eithafol am amser hir.

3. Beth yw terfyn miniaturization synwyryddion delwedd CMOS?
A.Mae miniaturization synwyryddion delwedd CMOS wedi'i gyfyngu gan gyfreithiau ffiseg a phrosesau gweithgynhyrchu. Pan fydd maint y picsel yn cael ei leihau i raddau, bydd effeithlonrwydd casglu ffoton yn lleihau, bydd y sŵn yn cynyddu'n gymharol, a bydd yr effaith cwantwm yn dod yn fwy amlwg, gan arwain at ostyngiad yn ansawdd y ddelwedd. Ar yr un pryd, mae'n dod yn anodd iawn integreiddio digon o gylchedau (fel transistorau) a chyflawni afradu gwres effeithlon mewn meintiau bach iawn. Er gwaethaf hyn, mae gweithgynhyrchwyr yn dal i archwilio deunyddiau a strwythurau newydd (fel BSI wedi'u pentyrru, mwy datblygedig) i dorri trwy'r terfynau hyn i ddiwallu anghenion camerâu endosgopig llai neu ddyfeisiau gwisgadwy.