2025/08/05من الهواتف الذكية إلى الأدوات العلمية، تُعدّ مستشعرات الصور جوهر تكنولوجيا الرؤية الحديثة. ومن بين هذه المستشعرات، أصبحت مستشعرات CMOS هي القوة المهيمنة، حيث تُشغّل كل شيء بدءًا من الصور اليومية وصولًا إلى المجهر المتقدم وفحص أشباه الموصلات.
تُعدّ تقنية أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة التكميلية (CMOS) بنية إلكترونية ومجموعة من تقنيات عمليات التصنيع ذات تطبيقات واسعة النطاق للغاية. بل يمكن القول إن تقنية CMOS تُشكّل ركيزة العصر الرقمي الحديث.
ما هو مستشعر CMOS؟
تستخدم مستشعرات الصور CMOS (CIS) وحدات بكسل نشطة، أي أنها تحتوي على ثلاثة ترانزستورات أو أكثر في كل بكسل من الكاميرا. أما وحدات بكسل CCD وEMCCD فلا تحتوي على ترانزستورات.
تُمكّن الترانزستورات الموجودة في كل بكسل من التحكم في هذه البكسلات "النشطة"، وتضخيم الإشارات من خلال ترانزستورات "تأثير المجال"، والوصول إلى بياناتها، كل ذلك بالتوازي. وبدلاً من مسار قراءة واحد لمستشعر كامل أو جزء كبير منه، فإنكاميرا CMOSيتضمن هذا النظام صفًا كاملًا على الأقل من محولات الإشارة التناظرية إلى الرقمية (ADC) للقراءة، حيث يوجد محول واحد (أو أكثر) لكل عمود من أعمدة المستشعر. ويمكن لكل محول قراءة قيمة عموده في آنٍ واحد. علاوة على ذلك، تتوافق مستشعرات "البكسل النشط" هذه مع الدوائر المنطقية الرقمية CMOS، مما يزيد من إمكانيات وظائف المستشعر.
تُساهم هذه الخصائص مجتمعةً في سرعة مستشعرات CMOS. ومع ذلك، وبفضل زيادة التوازي، تستغرق وحدات التحويل التناظري الرقمي (ADC) وقتًا أطول لقياس الإشارات المُكتشفة بدقةٍ أعلى. تُتيح أوقات التحويل الأطول هذه تشغيلًا منخفض الضوضاء للغاية، حتى مع عدد بكسلات أكبر. وبفضل هذا، وغيره من الابتكارات، يميل مستوى ضوضاء القراءة في مستشعرات CMOS إلى أن يكون أقل بخمس إلى عشر مرات من مستوى ضوضاء القراءة في مستشعرات CCD.
تُعد كاميرات CMOS العلمية الحديثة (sCMOS) نوعًا فرعيًا متخصصًا من كاميرات CMOS المصممة للتصوير منخفض الضوضاء وعالي السرعة في التطبيقات البحثية.
كيف تعمل مستشعرات CMOS؟ (بما في ذلك الغالق الدوار مقابل الغالق العالمي)
يوضح الشكل المرفق آلية عمل مستشعر CMOS النموذجي، كما هو موضح أدناه. تجدر الإشارة إلى أنه نتيجةً للاختلافات التشغيلية المذكورة أدناه، سيختلف توقيت عملية التعريض الضوئي وطريقة عملها بين كاميرات CMOS ذات الغالق العالمي وكاميرات CMOS ذات الغالق الدوار.
ملاحظة: تختلف عملية قراءة البيانات في كاميرات CMOS بين كاميرات "الغالق الدوار" وكاميرات "الغالق العالمي"، كما هو موضح في النص. في كلتا الحالتين، تحتوي كل بكسل على مكثف ومضخم ينتجان جهدًا كهربائيًا بناءً على عدد الإلكترونات الضوئية المكتشفة. بالنسبة لكل صف، تُقاس الجهود الكهربائية لكل عمود في آنٍ واحد بواسطة محولات تناظرية إلى رقمية عمودية.
مصراع دوار
1. بالنسبة لمستشعر CMOS ذي الغالق الدوار، بدءًا من الصف العلوي (أو المركز بالنسبة لكاميرات المستشعر المنفصل)، قم بإزالة الشحنة من الصف لبدء تعريض ذلك الصف.
2. بعد انقضاء "وقت الخط" (عادةً 5-20 ميكروثانية)، انتقل إلى الصف التالي وكرر من الخطوة 1، حتى يتم تعريض المستشعر بالكامل.
3. تتراكم الشحنات في كل صف أثناء التعريض، حتى ينتهي وقت التعريض الخاص به. الصف الأول الذي يبدأ سينتهي أولاً.
4. بمجرد الانتهاء من التعريض لصف واحد، انقل الشحنات إلى مكثف القراءة والمضخم.
5. ثم يتم توصيل الجهد في كل مكبر صوت في ذلك الصف بمحول الإشارة التناظرية إلى الرقمية العمودي، ويتم قياس الإشارة لكل بكسل في الصف.
6. ستستغرق عملية القراءة وإعادة الضبط "وقت الخط" لإكمالها، وبعد ذلك سيصل الصف التالي لبدء التعريض إلى نهاية وقت التعريض الخاص به، وتتكرر العملية من الخطوة 4.
7. بمجرد اكتمال قراءة الصف العلوي، شريطة أن يكون الصف السفلي قد بدأ بتعريض الإطار الحالي، يمكن للصف العلوي بدء تعريض الإطار التالي (وضع التداخل). إذا كان زمن التعريض أقصر من زمن الإطار، فيجب على الصف العلوي الانتظار حتى يبدأ الصف السفلي بالتعريض. عادةً ما يكون أقصر زمن تعريض ممكن هو زمن سطر واحد.
كاميرا Tucsen FL 26BW المبردة بتقنية CMOSتستخدم هذه الكاميرا، التي تتميز بمستشعر سوني IMX533، تقنية الغالق الدوار.
غالق عالمي
1. لبدء عملية الاستحواذ، يتم مسح الشحنة في وقت واحد من المستشعر بأكمله (إعادة ضبط شاملة لبئر البكسل).
2. تتراكم الشحنة أثناء التعرض.
3. في نهاية عملية التعريض، تُنقل الشحنات المُجمّعة إلى بئر مُقنّع داخل كل بكسل، حيث تنتظر القراءة دون احتساب الفوتونات الجديدة المُكتشفة. في بعض الكاميرات، تُنقل الشحنات إلى مكثف البكسل في هذه المرحلة.
4. مع تخزين الشحنات المكتشفة في المنطقة المقنعة لكل بكسل، يمكن للمنطقة النشطة للبكسل أن تبدأ في تعريض الإطار التالي (وضع التداخل).
5. تتم عملية القراءة من المنطقة المقنعة كما هو الحال بالنسبة لمستشعرات الغالق الدوار: صف واحد في كل مرة، من أعلى المستشعر، يتم نقل الشحنات من البئر المقنع إلى مكثف القراءة والمضخم.
6. يتم توصيل الجهد في كل مكبر صوت في ذلك الصف بمحول الإشارة التناظرية إلى الرقمية العمودي، ويتم قياس الإشارة لكل بكسل في الصف.
7. ستستغرق عملية القراءة وإعادة الضبط "وقت الخط" لإكمالها، وعندها ستتكرر العملية للصف التالي بدءًا من الخطوة 5.
8. بمجرد قراءة جميع الصفوف، تكون الكاميرا جاهزة لقراءة الإطار التالي، ويمكن تكرار العملية من الخطوة 2، أو الخطوة 3 إذا انقضى وقت التعريض بالفعل.
كاميرا توكسين ليبرا 3412M أحادية اللون بتقنية sCMOSتستخدم تقنية الغالق العالمي، مما يتيح التقاطًا واضحًا وسريعًا للعينات المتحركة.
مزايا وعيوب مستشعرات CMOS
الإيجابيات
● سرعات أعلىتتميز مستشعرات CMOS عادةً بسرعة نقل بيانات تتراوح من 1 إلى 2 من حيث الحجم مقارنةً بمستشعرات CCD أو EMCCD.
● مستشعرات أكبر: تتيح سرعة نقل البيانات العالية عدد بكسلات أعلى ومجالات رؤية أكبر، تصل إلى عشرات أو مئات الميغابكسل.
● ضوضاء منخفضة: يمكن لبعض مستشعرات CMOS أن يكون لديها ضوضاء قراءة منخفضة تصل إلى 0.25 إلكترون، مما ينافس مستشعرات EMCCD دون الحاجة إلى مضاعفة الشحنة التي تضيف مصادر ضوضاء إضافية.
● مرونة حجم البكسل: تعمل مستشعرات الكاميرات الاستهلاكية والهواتف الذكية على خفض أحجام البكسل إلى نطاق ~1 ميكرومتر، وتُعد الكاميرات العلمية التي يصل حجم البكسل فيها إلى 11 ميكرومتر شائعة، ويتوفر منها ما يصل إلى 16 ميكرومتر.
● انخفاض استهلاك الطاقة: إن متطلبات الطاقة المنخفضة لكاميرات CMOS تمكنها من الاستخدام في مجموعة أوسع من التطبيقات العلمية والصناعية.
● السعر والعمر الافتراضيعادةً ما تكون كاميرات CMOS منخفضة التكلفة مماثلة أو أقل تكلفة من كاميرات CCD، بينما تكون كاميرات CMOS عالية الجودة أقل تكلفة بكثير من كاميرات EMCCD. ومن المتوقع أن يتجاوز عمرها الافتراضي عمر كاميرات EMCCD بشكل كبير.
السلبيات
● مصراع دوار: تحتوي غالبية كاميرات CMOS العلمية على مصراع دوار، مما قد يزيد من تعقيد سير العمل التجريبي أو يستبعد بعض التطبيقات.
● تيار داكن أعلىt: معظم كاميرات CMOS لديها تيار مظلم أعلى بكثير من مستشعرات CCD و EMCCD، مما يؤدي أحيانًا إلى إدخال ضوضاء كبيرة في حالات التعريض الطويل (> ثانية واحدة).
أين تُستخدم مستشعرات CMOS اليوم
بفضل تنوع استخداماتها، تُستخدم مستشعرات CMOS في مجموعة واسعة من التطبيقات:
● الإلكترونيات الاستهلاكيةالهواتف الذكية، وكاميرات الويب، وكاميرات DSLR، وكاميرات الحركة.
● علوم الحياةطاقة مستشعرات CMOSكاميرات المجهريستخدم في التصوير الفلوري والتشخيص الطبي.
● علم الفلك: غالبًا ما تستخدم التلسكوبات وأجهزة التصوير الفضائي تقنية CMOS العلمية (sCMOS) للحصول على دقة عالية وضوضاء منخفضة.
● التفتيش الصناعي: الفحص البصري الآلي (AOI)، والروبوتات، وكاميرات لفحص أشباه الموصلاتالاعتماد على مستشعرات CMOS لتحقيق السرعة والدقة.
● السيارات: أنظمة مساعدة السائق المتقدمة (ADAS)، وكاميرات الرؤية الخلفية وكاميرات ركن السيارة.
● المراقبة والأمنأنظمة الكشف عن الحركة والإضاءة المنخفضة.
إن سرعة وكفاءة التكلفة تجعل تقنية CMOS الحل الأمثل لكل من الاستخدام التجاري واسع النطاق والعمل العلمي المتخصص.
لماذا أصبحت تقنية CMOS هي المعيار الحديث الآن
لم يحدث التحول من تقنية CCD إلى تقنية CMOS بين عشية وضحاها، ولكنه كان حتمياً. إليكم السبب وراء كون تقنية CMOS الآن حجر الزاوية في صناعة التصوير:
● ميزة التصنيع: مبني على خطوط تصنيع أشباه الموصلات القياسية، مما يقلل التكلفة ويحسن قابلية التوسع.
● تحسينات الأداء: خيارات الغالق الدوار والغالق العالمي، وحساسية محسّنة للإضاءة المنخفضة، ومعدلات إطارات أعلى.
● التكامل والذكاءتدعم مستشعرات CMOS الآن معالجة الذكاء الاصطناعي على الشريحة، والحوسبة الطرفية، والتحليل في الوقت الحقيقي.
● الابتكار: يتم بناء أنواع المستشعرات الناشئة مثل CMOS المكدس، ومستشعرات الصور الكمومية، والمستشعرات المنحنية على منصات CMOS.
من الهواتف الذكية إلىالكاميرات العلميةلقد أثبتت تقنية CMOS أنها قابلة للتكيف وقوية وجاهزة للمستقبل.
خاتمة
تطورت مستشعرات CMOS لتصبح المعيار الحديث لمعظم تطبيقات التصوير، وذلك بفضل توازنها بين الأداء والكفاءة والتكلفة. وسواءً أكان الأمر يتعلق بتسجيل الذكريات اليومية أو إجراء تحليلات علمية عالية السرعة، فإن تقنية CMOS تُشكل الأساس لعالمنا المرئي اليوم.
مع استمرار الابتكارات مثل تقنية CMOS ذات الغالق العالمي وتقنية sCMOS في توسيع قدرات هذه التقنية، فمن المتوقع أن تستمر هيمنتها لسنوات قادمة.
الأسئلة الشائعة
ما الفرق بين الغالق الدوار والغالق العالمي؟
يقوم الغالق الدوار بقراءة بيانات الصورة سطرًا بسطر، مما قد يتسبب في حدوث تشوهات ناتجة عن الحركة (مثل الانحراف أو التذبذب) عند التقاط الأجسام سريعة الحركة.
يلتقط الغالق العالمي الإطار بأكمله في وقت واحد، مما يزيل التشوه الناتج عن الحركة. وهو مثالي لتطبيقات التصوير عالية السرعة مثل رؤية الآلة والتجارب العلمية.
ما هو وضع التداخل في مستشعر CMOS بتقنية الغالق الدوار؟
في كاميرات CMOS ذات الغالق الدوار، في وضع التداخل، يمكن أن يبدأ تعريض الإطار التالي قبل اكتمال الإطار الحالي، مما يسمح بمعدلات إطارات أعلى. هذا ممكن لأن تعريض كل صف وقراءته متداخلان زمنيًا.
يُعد هذا الوضع مفيدًا في التطبيقات التي يكون فيها معدل الإطارات الأقصى والإنتاجية أمرًا بالغ الأهمية، كما هو الحال في عمليات الفحص عالية السرعة أو التتبع في الوقت الفعلي. ومع ذلك، فقد يزيد هذا الوضع من تعقيد التوقيت والمزامنة بشكل طفيف.
