Panduan Pemilihan Sensor Gambar CMOS pada Modul Kamera

Sensor gambar adalah perangkat yang mengubah sinyal cahaya menjadi sinyal listrik dan banyak digunakan di pasar televisi digital dan komunikasi visual. Saat ini, dua sensor yang paling banyak digunakan adalah CCD (Charge-Coupled Device) dan CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

Di antara semuanya, CMOS saat ini paling menarik perhatian dan dianggap memiliki potensi pengembangan terbesar.

Sensor gambar CMOS merupakan sensor pencitraan solid-state yang umum, biasanya terdiri dari rangkaian unit peka gambar, penggerak baris, penggerak kolom, logika kontrol waktu, konverter AD, antarmuka keluaran bus data, antarmuka kontrol, dan komponen lainnya. Komponen-komponen ini biasanya terintegrasi pada chip silikon yang sama. Proses kerjanya secara umum dapat dibagi menjadi pengaturan ulang, konversi fotolistrik, integrasi, dan pembacaan.

Rangkaian pemrosesan sinyal digital lainnya juga dapat diintegrasikan pada chip sensor gambar CMOS, seperti konverter AD, kontrol pencahayaan otomatis, kompensasi ketidakseragaman, pemrosesan keseimbangan putih, kontrol level hitam, koreksi gamma, dsb. Untuk melakukan kalkulasi cepat, bahkan perangkat DSP dengan fungsi yang dapat diprogram dapat diintegrasikan dengan perangkat CMOS untuk membentuk kamera digital chip tunggal dan sistem pemrosesan gambar.

Lebih tepatnya, sensor gambar CMOS harus dianggap sebagai sistem gambar. Faktanya, ketika seorang desainer membeli sensor gambar CMOS, ia mendapatkan sistem lengkap termasuk register logika susunan gambar, memori, generator pulsa pengaturan waktu, dan konverter.

1. Struktur piksel tabung MOS

Transistor MOS dan fotodioda membentuk penampang struktural yang setara dengan piksel. Selama periode integrasi cahaya, transistor MOS terputus, dan fotodioda menghasilkan pembawa yang sesuai sesuai dengan intensitas cahaya yang datang dan menyimpannya di sambungan PN sumber (posisi ① pada gambar di bawah).

Ketika periode integrasi berakhir, pulsa pemindaian diterapkan ke gerbang transistor MOS, menyalakannya, mengatur ulang fotodioda ke potensial referensi, dan menyebabkan arus video mengalir melalui beban, yang besarnya sesuai dengan intensitas cahaya yang datang.

Sambungan PN sumber transistor MOS berperan sebagai konversi fotolistrik dan penyimpanan pembawa muatan. Saat sinyal pulsa diberikan ke gerbang, sinyal video akan terbaca.

2. Struktur susunan sensor gambar CMOS

Struktur susunan piksel CMOS terdiri atas register pergeseran horizontal, register pergeseran vertikal, dan susunan piksel CMOS.

Struktur susunan sensor CMOS

(1-register pergeseran vertikal; 2-register pergeseran horizontal; 3-saklar pemindaian horizontal; 4-saklar pemindaian vertikal; 5-array piksel; 6-garis sinyal; 7-piksel)

Seperti disebutkan di atas, setiap transistor MOS bertindak sebagai sakelar di bawah penggerak pulsa dari rangkaian pemindaian horizontal dan vertikal. Register geser horizontal secara berurutan menyalakan transistor MOS yang memainkan peran pemindaian horizontal dari kiri ke kanan, yaitu peran pengalamatan kolom, dan register geser vertikal secara berurutan mengalamatkan baris-baris array.

Setiap piksel terdiri dari fotodioda dan transistor MOS yang berfungsi sebagai sakelar vertikal. Sakelar horizontal dinyalakan secara berurutan di bawah aksi pulsa yang dihasilkan oleh register geser horizontal, dan sakelar vertikal dinyalakan di bawah aksi pulsa yang dihasilkan oleh register geser vertikal, sehingga tegangan referensi (bias) diterapkan ke fotodioda piksel secara berurutan.

3. Prinsip kerja dan proses sensor gambar CMOS

Menurut diagram blok fungsional sensor gambar CMOS, dapat ditemukan bahwa alur kerja sensor gambar CMOS terutama dibagi menjadi tiga langkah berikut.

Diagram blok fungsional sensor gambar CMOS

Langkah 1: Cahaya eksternal menyinari susunan piksel, menyebabkan efek fotolistrik dan menghasilkan muatan yang sesuai dalam unit piksel.

Pemandangan difokuskan ke susunan sensor gambar melalui lensa pencitraan. Susunan sensor gambar merupakan susunan piksel dua dimensi. Setiap piksel mencakup fotodioda. Fotodioda di setiap piksel mengubah intensitas cahaya pada permukaan susunannya menjadi sinyal listrik.

Langkah 2: Pilih piksel yang ingin Anda operasikan melalui rangkaian pemilihan baris dan rangkaian pemilihan kolom, dan baca sinyal listrik pada piksel tersebut.

Selama proses gating, unit logika pemilihan baris dapat memindai susunan piksel baris demi baris atau secara bergantian, dan hal yang sama berlaku untuk kolom. Unit logika pemilihan baris dan unit logika pemilihan kolom dapat digunakan bersama-sama untuk mewujudkan fungsi ekstraksi jendela pada gambar.

Langkah 3: Lakukan pemrosesan sinyal pada unit piksel yang sesuai.

Sinyal gambar dalam unit piksel baris ditransmisikan ke unit pemrosesan sinyal analog dan konverter A/D yang sesuai melalui bus sinyal di kolom masing-masing, dan diubah menjadi sinyal gambar digital untuk keluaran. Fungsi utama unit pemrosesan sinyal analog adalah untuk memperkuat sinyal dan meningkatkan rasio sinyal terhadap derau.

Setelah sinyal listrik piksel diperkuat, sinyal tersebut dikirim ke sirkuit pengambilan sampel ganda berkorelasi (CDS) untuk diproses. Pengambilan sampel ganda berkorelasi merupakan metode penting yang digunakan oleh perangkat berkualitas tinggi untuk menghilangkan beberapa gangguan. Prinsip dasarnya adalah bahwa sensor gambar menghasilkan dua keluaran, satu untuk sinyal waktu nyata dan yang lainnya untuk sinyal referensi. Sinyal gangguan yang sama atau terkait dihilangkan oleh perbedaan kedua sinyal tersebut.

Metode ini dapat mengurangi derau KTC, derau reset, dan derau pola tetap FPN (Fixed Pattern Noise), serta dapat mengurangi derau 1/f dan meningkatkan rasio sinyal terhadap derau. Selain itu, metode ini juga dapat melengkapi integrasi sinyal, amplifikasi, pengambilan sampel, penahanan, dan fungsi lainnya.

Sinyal tersebut kemudian dikeluarkan ke konverter analog/digital dan diubah menjadi keluaran sinyal digital.

Selain itu, untuk mendapatkan kamera praktis dengan kualitas yang mumpuni, chip tersebut harus berisi berbagai rangkaian kontrol, seperti kontrol waktu pencahayaan, kontrol penguatan otomatis, dll. Agar setiap bagian rangkaian dalam chip bergerak pada ketukan tertentu, beberapa sinyal kontrol pengaturan waktu harus digunakan. Untuk memudahkan penerapan kamera, chip tersebut juga diharuskan untuk mengeluarkan beberapa sinyal pengaturan waktu, seperti sinyal sinkronisasi, sinyal awal garis, sinyal awal bidang, dll.

Sensor gambar CMOS memiliki keunggulan berupa ukuran kecil, konsumsi daya rendah, harga murah, dan produksi massal, serta menguasai 90% pasar sensor gambar. Sensor ini banyak digunakan dalam kamera digital, ponsel pintar, kendaraan otonom, keamanan, Internet of Things, dan bidang lainnya, serta memiliki potensi pasar yang besar di masa mendatang.

• digital kamera

Pada awal kemunculan kamera digital, sebagian besar kamera digital umumnya menggunakan pencitraan CCD. Namun, kemudian, CMOS berkembang pesat dan menjadi komponen yang sangat diperlukan dalam kamera SLR rumahan.

Meskipun CMOS sedikit lebih rendah dari CCD dalam hal saturasi warna dan tekstur, chip pemrosesan CMOS dapat mengatasinya, sehingga masih lebih baik daripada CCD dalam aspek lain, seperti mekanisme pengurangan noise, kecepatan baca yang cepat, penghematan daya, dll. Di pasaran, banyak SLR berperforma tinggi yang memiliki karakteristik di atas.

• telepon pintar

Seperti yang kita ketahui, terminal seluler selalu menjadi pasar penting bagi sensor gambar CMOS. Kamera ganda dan kamera 3D banyak digunakan di telepon pintar, dan penambahan lensa membantu produsen telepon seluler memperlebar kesenjangan antara strategi penjualan mereka dan produk pesaing. Produsen lebih aktif memasang modul kamera, terutama menggunakan 2 juta hingga 5 juta lensa fungsional piksel rendah untuk menambah jumlah lensa dalam produk mereka.

Secara umum, sensor CMOS dapat dibagi menjadi sensor CMOS dengan penerangan belakang dan sensor CMOS bertumpuk.

Sensor CMOS dengan lampu latar mengganti lapisan fotodioda dan kabel sehingga cahaya memasuki fotodioda fotosensitif terlebih dahulu, sehingga meningkatkan sensitivitas dan secara signifikan meningkatkan efek pemotretan di lingkungan dengan cahaya redup. iPhone, Xiaomi, Meizu, seperti yang kita semua tahu, dilengkapi dengan sensor semacam itu.

Sensor CMOS bertumpuk merupakan turunan dari sensor CMOS bercahaya belakang. Sensor ini merupakan sensor yang paling banyak digunakan dan paling canggih pada kamera ponsel dan merupakan teknologi eksklusif Sony.

• Pilot otomatis

Saat ini, pasar otomotif telah menjadi area aplikasi terbesar kedua untuk sensor CMOS setelah ponsel.

Dengan berkembangnya teknologi mengemudi otomatis, permintaan kamera yang dipasang di kendaraan meningkat pesat. Setiap kamera tambahan memerlukan sensor CMOS tambahan, yang secara langsung mendorong pertumbuhan ukuran pasar CMOS.

Menurut perkiraan terbaru oleh Yole Group, nilai pasar sensor gambar CMOS telah meningkat sebesar US$14,5 miliar dari tahun 2016 hingga 2022, menjadi segmen dengan pertumbuhan tercepat dan persentase tertinggi di antara sensor otomotif (termasuk berbagai radar, sensor, dll.).

• Bidang keamanan

Di bidang pemantauan keamanan, informasi visual perlu diperoleh melalui kamera, yang memerlukan sensor gambar CMOS. Dalam beberapa tahun terakhir, dengan integrasi mendalam industri keamanan dengan teknologi seperti kecerdasan buatan, data besar, dan komputasi awan, skala seluruh pasar pemantauan keamanan terus berkembang. Dari total nilai output industri keamanan Tiongkok sebesar 851 miliar yuan pada tahun 2020, proyek keamanan menyumbang 510 miliar yuan, produk keamanan menyumbang 260 miliar yuan, dan pasar operasi dan pemeliharaan serta layanan menyumbang 81 miliar yuan. Di masa mendatang, dengan implementasi lebih lanjut infrastruktur industri keamanan, skala pasar CIS di bidang pemantauan keamanan akan terus tumbuh.

• Bidang IOT (Internet of Things)

Di bidang IoT, sejumlah besar perangkat keras elektronik perlu dilengkapi dengan modul kamera untuk mewujudkan gambar, pengenalan wajah, panggilan video, dan fungsi lainnya. Seperti TV, speaker pintar, drone, VR/AR, dan produk lainnya. Selain itu, sejumlah besar sensor gambar CMOS juga dibutuhkan dalam sistem medis dan industri. Kini, bidang penelitian medis dan ilmiah berupaya menggunakan sensor CMOS yang lebih murah dan lebih efektif untuk menggantikan sebagian besar produk lama; dengan perkembangan visi mesin, semakin banyak lini produksi industri yang akan memperkenalkan sensor gambar untuk meningkatkan efisiensi dan kualitas produksi.

Daftar Produk Sensor Gambar CMOS Canon