Câmeras CMOS de nível científico (sCMOS): Fundamentos

introduzir

　　Sensores Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) são uma tecnologia que existe desde a década de 1990. As primeiras câmeras CMOS competiam com a tecnologia CCD mais madura, mas durante a década de 1990 e o início dos anos 2000, a tecnologia do sensor CMOS melhorou e a tecnologia CCD foi superada como o sensor de escolha para câmeras digitais de consumo. A tecnologia foi posteriormente melhorada para atender aos requisitos mais elevados necessários para imagens científicas.

A tecnologia de sensor CMOS difere dos sensores CCD porque, em vez de alimentar todos os pixels do sensor por meio de um nó de saída, um amplificador e um conversor analógico-digital (ADC) como nos sensores CCD, os sensores CMOS têm um capacitor e amplificador miniaturizados em cada pixel e um ADC em cada coluna (conforme mostrado na Figura 1). Cada ADC funciona simultaneamente, lendo a coluna inteira, em vez de um único pixel de todo o sensor. Isso torna o processo mais rápido e requer 100 vezes menos energia do que a arquitetura do sensor CCD.

Figura 1: Comparando as arquiteturas de leitura de sensores CCD de transferência interlinear e sCMOS. Esquerda: Formato CCD de transferência interlinear, onde elétrons são transferidos do sensor para um registro de leitura, para um nó de saída, amplificados (por meio de um capacitor (C) e amplificador (A)) e convertidos para níveis de escala de cinza digital por um ADC. Isso é então enviado para um computador. Direita: Um formato CMOS típico, onde cada pixel tem um capacitor e um amplificador. Isso significa que os fótons que atingem cada pixel criam elétrons que são convertidos em uma voltagem legível através do pixel. As voltagens de toda a coluna são enviadas para um ADC (dos quais há um por coluna), que é enviado diretamente para um computador. Isso permite que as câmeras CMOS sejam muito mais rápidas, pois funcionam em paralelo.

　　Tecnologia sCMOS

　　Em 2009, a tecnologia científica CMOS (sCMOS) foi introduzida, e as câmeras sCMOS ficaram disponíveis em 2010-11. As câmeras sCMOS oferecem baixo ruído, alta velocidade e um grande campo de visão, tornando-as ideais para uma ampla gama de aplicações, da astronomia à microscopia.

　　Obturador Rolante e Modo Global

　　Os sensores sCMOS diferem dos sensores CCD porque eles normalmente têm um obturador rolante. A aquisição de imagens começa no topo do sensor e desce linha por linha. Isso permite que o sensor adquira imagens em taxas de quadros mais altas e com menor ruído de leitura. A velocidade de uma câmera sCMOS está diretamente relacionada ao número de linhas e ao tempo de linha, que é o tempo entre a aquisição de uma linha e outra.

O obturador rolante "abre" e "fecha" limpando a carga já dentro de uma fileira e medindo quaisquer novos fótons de entrada. Isso permite que ocorra sobreposição entre a fileira atual de pixels no quadro adquirido (a imagem sendo adquirida) e a fileira inferior de pixels no quadro anterior (a imagem sendo lida) (Figura 2).

Figura 2: Diagrama esquemático indicando como a aquisição de um quadro se sobrepõe à leitura do quadro anterior. Isso permite que o sCMOS tenha aquisição e leitura rápidas.

Alguns sensores sCMOS podem ser usados em um modo de obturador pseudoglobal para atingir distorção zero e habilitar aplicações que envolvam mudanças de hardware entre quadros, como aquisição sequencial de canal duplo. Este obturador pseudoglobal aproveita o controle do disparo da fonte de luz. Para criar este obturador global, a câmera precisa ativar o obturador rolante em condições escuras. Então, ao disparar a fonte de luz e parar a luz ao mesmo tempo que para a câmera, uma área da matriz pode ser iluminada ao mesmo tempo, assim como um obturador global (como mostrado na Figura 3).

Figura 3: Os três principais formatos de obturador. A maioria dos CCD/EMCCs tem um obturador global verdadeiro, que permite que todos os pixels sejam lidos simultaneamente quando expostos à luz. A maioria dos sensores sCMOS tem um obturador rolante, que, embora rápido e sensível (de um sensor retroiluminado), pode produzir artefatos. Um obturador pseudoglobal usa um gatilho para controlar a fonte de luz, permitindo que um obturador global seja usado dentro de um obturador rolante (se cronometrado precisamente).

　　Comparação entre CCD e sCMOS

As diferenças nas arquiteturas de sensores CCD e sCMOS têm vantagens e desvantagens. Algumas das vantagens da tecnologia sCMOS sobre a tecnologia CCD são as seguintes:

1. Baixo ruído de leitura: sCMOS tem um ruído de leitura de ~1 e-, enquanto CCD tem um ruído de leitura de 5-6 e-. Para saber mais sobre o papel da redução do ruído de leitura e do aumento da sensibilidade, clique aqui.

2. Alta velocidade: sCMOS pode atingir até 100s fps, enquanto CCD é ~20 fps. Isso ocorre porque cada coluna tem um ADC associado, então uma pequena porção dos dados precisa ser processada.

3. Grande campo de visão: os sensores sCMOS têm uma faixa diagonal de 19-29 mm, enquanto os CCDs têm uma faixa diagonal de 11-16 mm

4. Eficiência energética: Devido à paralelização, o sCMOS consome 100 vezes menos energia do que o CCD

Embora a tecnologia sCMOS seja superior à tecnologia CCD em muitos aspectos, ela tem algumas desvantagens:

Aumento do ruído temporal e do padrão fixo: Quando cada pixel é lido individualmente, mais ruído temporal e do padrão fixo é introduzido. Sensores sCMOS têm mais área de leitura ativa em comparação com CCDs, o que leva a um aumento nessas fontes de ruído. Isso pode ser reduzido por um design eletrônico cuidadoso e calibração pela empresa da câmera.

Artefatos de obturador rolante: sensores sCMOS podem usar um obturador rolante para adquirir imagens, mas se objetos dinâmicos na imagem forem rápidos o suficiente para se mover em uma escala de tempo semelhante à do obturador rolante, efeitos de distorção podem ser introduzidos. Leituras escalonadas entre as linhas superior e inferior do sensor também podem causar artefatos de imagem e perda de informações, e aumentar significativamente o tempo mínimo efetivo de exposição para algumas aplicações.

　　sCMOS retroiluminado

　　Alguns sensores sCMOS iniciais tinham problemas de ruído e qualidade de fundo, limitando o uso do CMOS em aplicações mais exigentes. Para superar esse problema, a tecnologia precisava ser aprimorada com maior sensibilidade. Em 2016, o sCMOS retroiluminado foi introduzido, oferecendo eficiência quântica de pico (QE) de 95% sem comprometer o tamanho do pixel, ao mesmo tempo em que melhorava a qualidade de fundo. A Figura 4 mostra um esquema da tecnologia sCMOS retroiluminada, juntamente com uma curva QE mostrando a diferença entre o sCMOS inicial e o sCMOS retroiluminado.

Figura 4: Tecnologias sCMOS com iluminação frontal vs. retroiluminação. Superior: Sensores com iluminação frontal (esquerda) têm QE menor porque a luz é espalhada dentro dos pixels e da fiação do sensor antes de atingir o substrato de silício. Em sensores com iluminação traseira (direita), a luz atinge o sensor diretamente, resultando em um QE maior. Inferior: Comparação das curvas de QE para várias tecnologias sCMOS com iluminação frontal (iniciais, 72% e 82% sCMOS) versus tecnologia sCMOS com iluminação traseira (o pico de QE da KURO é 95%).

　　Resumir

　　Os sensores sCMOS aproveitam a integração de circuitos ativos em pixels individuais. Isso permite que cada pixel seja lido individualmente. Um conversor analógico-digital também é conectado a cada coluna, permitindo maiores taxas de quadros, mantendo ainda baixo ruído de leitura, um grande campo de visão e alta eficiência de energia.

Embora o ruído temporal e o ruído de padrão fixo aumentem devido ao aumento de circuitos ativos no sensor, a tecnologia sCMOS ainda tem vantagens em uma ampla gama de aplicações.