Sensor CMOS: O que é, Como Funciona e Aplicações

20 de janeiro de 2023 0 Comentários Leitura: 8 min

A eletrônica de imagem desempenha um papel essencial no desempenho do sistema de imagem. Este sistema inclui diferentes componentes como uma câmera, software, placa de captura, cabos, etc. Portanto, é muito significativo entender o conceito de um sensor de câmera porque é um componente essencial em um sistema de imagem ou câmera, mas duas câmeras diferentes com um sensor semelhante pode ter desempenho e propriedades diferentes por causa da interface da eletrônica dentro do projeto. No passado, fototubos como Vidicons e Plumbicons eram usados como sensores de imagem na câmera, mas agora esses sensores estão disponíveis em dois tipos de sensor CMOS e sensor CCD. Sensores de imagem são dispositivos semicondutores usados para transformar imagens ópticas em sinais digitais, que são amplamente utilizados em câmeras digitais e dispositivos ópticos.

Sumário

O Que é um Sensor CMOS?

Um sensor CMOS ou sensor semicondutor de óxido metálico complementar é um tipo de chip eletrônico, usado para transformar os fótons em elétrons para processamento digital. Esses sensores são usados principalmente para criar imagens em câmeras digitais, câmeras digitais CCTV e câmeras de vídeo digital. Esses chips eletrônicos também podem ser encontrados em scanners, leitores de código de barras e telescópios astronômicos. A fabricação de baixo custo do CMOS torna possível gerar dispositivos de consumo de baixo custo.

O sensor CMOS funciona com base no princípio do efeito fotoelétrico para transformar os fótons em energia elétrica. Ao contrário dos sensores CCD, os sensores CMOS transformam a carga elétrica em voltagem diretamente dentro dos pixels. Atualmente, os sensores CMOS estão disponíveis com excelente qualidade de imagem e altas taxas de quadros, usados em câmeras industriais de alto desempenho.~

Projeto do Sensor CMOS

Em um sensor de imagem CMOS, a carga do pixel fotossensível na localização do pixel pode ser alterada para uma voltagem e o sinal é multiplexado através de linha e coluna e é recebido pelo chip conversor digital para analógico.

O sensor CMOS é um dispositivo digital onde cada local inclui um fotodiodo e três transistores para executar diferentes tarefas, como ativar e redefinir o pixel, amplificação e conversão de carga e multiplexação ou seleção.

A configuração de multiplexação do sensor CMOS é frequentemente conectada a um obturador eletrônico; mesmo com transistores extras no local do pixel, um obturador global será alcançado onde todos os pixels são descobertos ao mesmo tempo e depois lidos em série.

O procedimento de fabricação multicamada do sensor CMOS não permite o uso de microlentes sobre o chip, reduzindo assim a eficiência efetiva da coleta. Portanto, essa menor eficiência combinada através da diferença pixel a pixel fornece uma relação sinal-ruído mais baixa e menor qualidade geral de imagem em comparação com os sensores CCD.

Como Funciona o Sensor CMOS?

O sensor de imagem dentro de um sistema de câmera recebe luz incidente que é focalizada através de uma lente. Com base no tipo de sensores de imagem, como CMOS ou CCD, o sistema da câmera transmitirá dados para a próxima fase, como um sinal digital ou uma tensão.

Os sensores CMOS convertem fótons em elétrons em uma voltagem e depois em um valor digital através de um ADC (conversor analógico para digital) no chip.

Dependendo do fabricante da câmera digital, os componentes usados no sistema da câmera e seu design serão alterados. A principal função deste projeto é transformar a luz em um sinal digital, então ele pode ser examinado para ativar algum aprimoramento adicional ou ações definidas pelo usuário.

As câmeras que são usadas no nível do consumidor estão disponíveis com componentes adicionais para armazenar a imagem na memória, LCD e interruptores e botões de controle, mas as câmeras do tipo visão de máquina não incluem.

Tipos de Sensores CMOS

Existem dois tipos de sensores CMOS, como sensor de pixel ativo e sensor de pixel passivo, onde cada tipo é discutido abaixo.

Sensor de Pixel Ativo

O sensor de pixel ativo é um tipo de sensor de imagem projetado com uma coleção de sensores de pixel. Neste tipo de sensor, cada sensor de pixel inclui um amplificador e um fotodetector. Fora deste sensor de pixel ativo (APS), o CMOS APS é o sensor mais famoso por causa das ótimas aplicações que eles têm em DSLRs, câmeras digitais, etc.

Este sensor é fabricado através do processo CMOS, por isso é conhecido como CMOS APS. Este tipo de sensor é semelhante ao CCD ou Charge Coupled Device porque eles também são conhecidos como sensores de imagem de pixel ativo e geradores de imagem com sensor de pixel ativo.

O sensor de pixel ativo CMOS usa um fotodetector para detectar a luz e a transforma em um sinal elétrico. Depois disso, este sinal é amplificado através de diferentes transistores e depois movido por fios fixos.

As aplicações CMOS APS incluem principalmente câmeras de captura de movimento, imagens de raios-X, câmeras web, câmera de endoscopia, radiografia digital, etc.

Sensor de Pixel Passivo

Nesses sensores, cada pixel passivo inclui um transistor de acesso e um fotodiodo. Os pixels neste sensor são organizados em uma estrutura bidimensional por meio do fio de habilitação de acesso compartilhado por meio de pixels dentro da linha semelhante e o fio de saída é compartilhado pela coluna.

Cada extremidade da coluna inclui um amplificador. Esses sensores sofrem principalmente de várias limitações, como leitura lenta, falta de escalabilidade e alto ruído. Portanto, esses problemas podem ser resolvidos adicionando um amplificador a cada pixel.

Os sensores CMOS de pixel passivo usam sites de fotos para transformar fótons em voltagem, mas a geração de ruído ao longo do desenvolvimento da imagem é uma das principais desvantagens desse tipo de sensor.

Sensor CI CMOS

O sensor CI CMOS mais utilizado é o módulo de sensor de câmera OV7670. Este é um módulo de sensor de imagem CMOS altamente sensível, de baixa tensão e tamanho pequeno usado para capturar e processar a imagem. Este módulo está disponível com diferentes configurações de pinos de diferentes fabricantes. O OV7670 IC fornece imagens de 8 bits e full-frame em diferentes formatos.

Diferença entre Sensores CMOS e CCD

A diferença entre o sensor CMOS e os sensores CCD é discutida abaixo.

Sensor CMOS	Sensor CCD
O sensor CMOS é um chip semicondutor de óxido metálico, usado para transformar a luz em um sinal elétrico.	É um dispositivo de carga acoplada, usado para transmitir sinais eletricamente carregados.
Os sensores CMOS estão disponíveis em dois tipos de pixel ativo e pixel passivo.	Os sensores CCD estão disponíveis em três tipos, como Full-Frame, Frame-Transfer e Interline-Transfer.
Baixo consumo de energia	Consumo de energia moderado a alto
Complexidade moderada	Baixa complexidade
A resolução CMOS é baixa a alta	A resolução do CCD é baixa a alta
Baixa uniformidade	Alta uniformidade
Tem um alcance dinâmico moderado	Tem uma faixa dinâmica baixa
Nível de ruído moderado a alto	Baixo nível de ruído
O fator de preenchimento é moderado	O fator de preenchimento é alto
O sinal do chip é digital	O sinal do chip é analógico
Esses sensores não são caros para projetar porque esses sensores são projetados na maioria das linhas de produção típicas de Si.	Estes são caros para gerar.
Os sensores CMOS são usados desde automação em indústrias até aplicações baseadas em controle de tráfego.	Sensores CCD são usados em portáteis, vigilância, câmeras de vídeo de computadores desktop, etc.

Vantagens do Sensor CMOS

As vantagens dos sensores CMOS incluem o seguinte.

O consumo de energia é baixo.
Menos custo.
Ruído escuro inferior dará uma imagem de maior confiabilidade.
O tamanho da câmera tão pequeno quanto a lógica de leitura pode ser incluído em um chip semelhante.
Leitura flexível devido ao endereçamento direto de pixels individuais que permite mais compartimento de armazenamento e possibilidades de digitalização limitadas.
Maior sensibilidade na faixa NIR.
Em comparação com o CCD, as taxas de quadros são altas.
A floração é fortemente reduzida.
Eles produzem bons vídeos em HD.
Esses sensores são usados em telefones, tablets e muito mais.
O imager CMOS tem melhor desempenho.

Desvantagens do Sensor CMOS

As desvantagens do sensor CMOS incluem o seguinte.

Esses sensores são mais suscetíveis a ruídos e às vezes as imagens ficam granuladas.
Esses sensores utilizam mais luz para uma imagem aprimorada.
Nesse sensor, cada pixel executa sua conversão.
A homogeneidade e qualidade da imagem é baixa.

Aplicações do Sensor CMOS

As aplicações dos sensores CMOS incluem o seguinte.

Esses sensores são usados em diferentes áreas, como marinha, automotiva, manufatura, aviação, saúde, astronomia, fotografia médica e digital.
Os sensores CMOS abrangem desde a automação até aplicações baseadas em tráfego, como orientação cega, sistemas de mira, telêmetros ativos ou passivos, etc.
Esses sensores transformam fótons em elétrons para uso em processamento digital.
Esses sensores irão criar imagens dentro de câmeras digitais, câmeras digitais CCTV e câmeras de vídeo digital.
Esses sensores são usados em câmeras de alta resolução.
Sensores CMOS avançados são usados em diferentes campos, como realidade aumentada, fotografia computacional, imagens biomédicas, saúde digital, etc.

Assim, trata-se de uma visão geral de uma Introdução aos Sensores CMOS que inclui design, funcionamento, tipos, vantagens, desvantagens e suas aplicações.

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