Kamera CMOS tingkat ilmiah (sCMOS): Dasar-dasar

memperkenalkan

　　Sensor Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) merupakan teknologi yang sudah ada sejak tahun 1990-an. Kamera CMOS awal bersaing dengan teknologi CCD yang lebih matang, tetapi selama tahun 1990-an dan awal 2000-an, teknologi sensor CMOS mengalami peningkatan dan teknologi CCD dilampaui sebagai sensor pilihan untuk kamera digital konsumen. Teknologi ini kemudian ditingkatkan lebih lanjut untuk memenuhi persyaratan yang lebih tinggi yang diperlukan untuk pencitraan ilmiah.

Teknologi sensor CMOS berbeda dari sensor CCD karena, alih-alih menyalurkan semua piksel sensor melalui satu simpul keluaran, satu penguat, dan satu konverter analog-ke-digital (ADC) seperti pada sensor CCD, sensor CMOS memiliki kapasitor dan penguat mini pada setiap piksel, dan satu ADC pada setiap kolom (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1). Setiap ADC bekerja secara bersamaan, membaca seluruh kolom, bukan satu piksel dari seluruh sensor. Hal ini membuat proses lebih cepat dan membutuhkan daya 100 kali lebih sedikit daripada arsitektur sensor CCD.

Gambar 1: Membandingkan arsitektur pembacaan sensor CCD transfer interline dan sCMOS. Kiri: Format CCD transfer interline, tempat elektron ditransfer dari sensor ke register pembacaan, ke simpul keluaran, diperkuat (melalui kapasitor (C) dan penguat (A)), dan diubah ke level skala abu-abu digital oleh ADC. Ini kemudian dikirim ke komputer. Kanan: Format CMOS yang umum, tempat setiap piksel memiliki kapasitor dan penguat. Ini berarti bahwa foton yang mengenai setiap piksel menciptakan elektron yang diubah menjadi tegangan yang dapat dibaca di seluruh piksel. Tegangan dari seluruh kolom dikirim ke ADC (yang jumlahnya satu per kolom), yang dikirim langsung ke komputer. Ini memungkinkan kamera CMOS menjadi jauh lebih cepat karena bekerja secara paralel.

　　Teknologi sCMOS

　　Pada tahun 2009, teknologi CMOS ilmiah (sCMOS) diperkenalkan, dan kamera sCMOS tersedia pada tahun 2010-11. Kamera sCMOS menawarkan noise rendah, kecepatan tinggi, dan bidang pandang besar, menjadikannya ideal untuk berbagai aplikasi mulai dari astronomi hingga mikroskopi.

　　Rolling Shutter dan Mode Global

　　Sensor sCMOS berbeda dari sensor CCD karena biasanya memiliki rana bergulir. Akuisisi gambar dimulai di bagian atas sensor dan berlanjut ke baris demi baris. Hal ini memungkinkan sensor untuk memperoleh gambar pada kecepatan bingkai yang lebih tinggi dan dengan gangguan pembacaan yang lebih rendah. Kecepatan kamera sCMOS secara langsung terkait dengan jumlah baris dan waktu baris, yang merupakan waktu antara akuisisi satu baris dan baris lainnya.

Rolling shutter "terbuka" dan "tertutup" dengan membersihkan muatan yang sudah ada dalam satu baris dan mengukur foton baru yang masuk. Hal ini memungkinkan terjadinya tumpang tindih antara baris piksel saat ini dalam bingkai yang diambil (gambar yang sedang diambil) dan baris piksel yang lebih rendah dalam bingkai sebelumnya (gambar yang sedang dibaca) (Gambar 2).

Gambar 2: Diagram skematik yang menunjukkan bagaimana akuisisi suatu frame tumpang tindih dengan pembacaan frame sebelumnya. Hal ini memungkinkan sCMOS untuk melakukan akuisisi dan pembacaan yang cepat.

Beberapa sensor sCMOS dapat digunakan dalam mode pseudo-global shutter untuk mencapai distorsi nol dan mengaktifkan aplikasi yang melibatkan perubahan perangkat keras antar frame, seperti akuisisi dual-channel berurutan. Pseudo-global shutter ini memanfaatkan kontrol pemicu sumber cahaya. Untuk membuat global shutter ini, kamera perlu mengaktifkan rolling shutter dalam kondisi gelap. Kemudian, dengan memicu sumber cahaya dan menghentikan cahaya pada saat yang sama saat menghentikan kamera, suatu area dari susunan tersebut dapat diterangi pada saat yang sama, seperti halnya global shutter (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3).

Gambar 3: Tiga format rana utama. Sebagian besar CCD/EMCC memiliki rana global sejati, yang memungkinkan semua piksel dibaca secara bersamaan saat terkena cahaya. Sebagian besar sensor sCMOS memiliki rana bergulir, yang, meskipun cepat dan sensitif (dari sensor yang diterangi dari belakang), dapat menghasilkan artefak. Rana global semu menggunakan pemicu untuk mengendalikan sumber cahaya, yang memungkinkan rana global digunakan dalam rana bergulir (jika waktunya tepat).

　　Perbandingan antara CCD dan sCMOS

Perbedaan arsitektur sensor CCD dan sCMOS memiliki kelebihan dan kekurangan. Berikut ini adalah beberapa kelebihan teknologi sCMOS dibandingkan teknologi CCD:

1. Kebisingan pembacaan rendah: sCMOS memiliki kebisingan pembacaan sekitar 1 e-, sedangkan CCD memiliki kebisingan pembacaan sekitar 5-6 e-. Untuk mempelajari tentang peran kebisingan pembacaan yang berkurang dan peningkatan sensitivitas, klik di sini.

2. Kecepatan tinggi: sCMOS dapat mencapai hingga 100 detik fps, sedangkan CCD sekitar 20 fps. Hal ini karena setiap kolom memiliki ADC terkait, sehingga sebagian kecil data perlu diproses.

3. Bidang pandang besar: Sensor sCMOS memiliki rentang diagonal 19-29 mm, sedangkan CCD memiliki rentang diagonal 11-16 mm.

4. Efisiensi daya: Karena paralelisasi, sCMOS mengonsumsi daya 100 kali lebih sedikit daripada CCD

Meskipun teknologi sCMOS lebih unggul daripada teknologi CCD dalam banyak hal, teknologi ini juga memiliki beberapa kelemahan:

Peningkatan noise pola temporal dan tetap: Ketika setiap piksel dibaca secara individual, lebih banyak noise pola temporal dan tetap yang muncul. Sensor CMOS memiliki area pembacaan aktif yang lebih besar dibandingkan dengan CCD, yang menyebabkan peningkatan sumber noise ini. Hal ini dapat dikurangi dengan desain elektronik dan kalibrasi yang cermat oleh perusahaan kamera.

Artefak rana bergulir: Sensor sCMOS dapat menggunakan rana bergulir untuk memperoleh gambar, tetapi jika objek dinamis dalam gambar cukup cepat untuk bergerak pada skala waktu yang sama seperti rana bergulir, efek distorsi dapat terjadi. Pembacaan yang terhuyung-huyung antara baris atas dan bawah sensor juga dapat menyebabkan artefak gambar dan hilangnya informasi, dan secara signifikan meningkatkan waktu pencahayaan minimum yang efektif untuk beberapa aplikasi.

　　sCMOS dengan lampu latar

　　Beberapa sensor sCMOS awal memiliki masalah kualitas latar belakang dan noise, yang membatasi penggunaan CMOS dalam aplikasi yang lebih menuntut. Untuk mengatasi masalah ini, teknologi perlu ditingkatkan dengan sensitivitas yang lebih tinggi. Pada tahun 2016, sCMOS dengan cahaya latar belakang diperkenalkan, yang menawarkan efisiensi kuantum puncak (QE) 95% tanpa mengurangi ukuran piksel, sekaligus meningkatkan kualitas latar belakang. Gambar 4 menunjukkan skema teknologi sCMOS dengan cahaya latar belakang, beserta kurva QE yang menunjukkan perbedaan antara sCMOS awal dan sCMOS dengan cahaya latar belakang.

Gambar 4: Teknologi sCMOS dengan Cahaya Depan vs. Cahaya Belakang. Atas: Sensor dengan cahaya depan (kiri) memiliki QE yang lebih rendah karena cahaya tersebar di dalam piksel dan kabel sensor sebelum mengenai substrat silikon. Pada sensor dengan cahaya belakang (kanan), cahaya langsung mengenai sensor, sehingga menghasilkan QE yang lebih tinggi. Bawah: Perbandingan kurva QE untuk berbagai teknologi sCMOS dengan cahaya depan (awal, sCMOS 72%, dan 82%) versus teknologi sCMOS dengan cahaya belakang (QE KURO mencapai puncaknya pada 95%).

　　Meringkaskan

　　Sensor sCMOS memanfaatkan integrasi sirkuit aktif ke dalam piksel individual. Hal ini memungkinkan setiap piksel dibaca secara individual. Konverter analog-ke-digital juga dipasang pada setiap kolom, yang memungkinkan kecepatan bingkai yang lebih tinggi sambil tetap mempertahankan kebisingan pembacaan yang rendah, bidang pandang yang luas, dan efisiensi daya yang tinggi.

Meskipun derau temporal dan derau pola tetap meningkat akibat bertambahnya sirkuit aktif pada sensor, teknologi sCMOS masih memiliki keunggulan dalam berbagai aplikasi.