25/08/05من الهواتف الذكية إلى الأجهزة العلمية، تُعدّ مستشعرات الصور جوهر التكنولوجيا البصرية اليوم. ومن بينها، أصبحت مستشعرات CMOS القوة المهيمنة، إذ تُشغّل كل شيء، من الصور اليومية إلى المجاهر المتقدمة وفحص أشباه الموصلات.
تقنية أشباه الموصلات المعدنية التكميلية (CMOS) هي بنية إلكترونية ومجموعة من تقنيات عمليات التصنيع ذات تطبيقات واسعة النطاق. في الواقع، يُمكن القول إن تقنية CMOS تُشكل أساس العصر الرقمي الحديث.
ما هو مستشعر CMOS؟
تستخدم مستشعرات الصور CMOS (CIS) وحدات بكسل نشطة، أي استخدام ثلاثة ترانزستورات أو أكثر في كل وحدة بكسل من الكاميرا. لا تحتوي وحدات بكسل CCD وEMCCD على ترانزستورات.
تُمكّن الترانزستورات في كل بكسل من التحكم في هذه البكسلات "النشطة"، وتضخيم الإشارات عبر ترانزستورات "تأثير المجال"، والوصول إلى بياناتها، كل ذلك بالتوازي. بدلاً من مسار قراءة واحد لمستشعر كامل أو جزء كبير منه،كاميرا CMOSيتضمن صفًا كاملاً على الأقل من محولات تناظرية إلى رقمية للقراءة، محول تناظري إلى رقمي واحد (أو أكثر) لكل عمود من المستشعر. يستطيع كلٌّ منها قراءة قيمة عموده في آنٍ واحد. علاوةً على ذلك، تتوافق مستشعرات "البكسل النشط" هذه مع منطق CMOS الرقمي، مما يزيد من إمكانات وظائف المستشعر.
تُعطي هذه الخصائص مجتمعةً مستشعرات CMOS سرعتها. ومع ذلك، وبفضل هذه الزيادة في التوازي، تستغرق كل وحدة تحويل تناظري إلى رقمي وقتًا أطول لقياس إشاراتها المكتشفة بدقة أكبر. تتيح أزمنة التحويل الأطول هذه تشغيلًا منخفض الضوضاء للغاية، حتى مع أعداد البكسل الأعلى. بفضل هذا، وغيره من الابتكارات، عادةً ما يكون ضوضاء القراءة في مستشعرات CMOS أقل بخمس إلى عشر مرات من ضوضاء أجهزة CCD.
تُعد كاميرات CMOS العلمية الحديثة (sCMOS) نوعًا فرعيًا متخصصًا من CMOS مصممة للتصوير منخفض الضوضاء وعالي السرعة في تطبيقات البحث.
كيف تعمل مستشعرات CMOS؟ (بما في ذلك المصراع الدوار والمصراع الشامل)
يوضح الشكل أدناه آلية عمل مستشعر CMOS النموذجي. تجدر الإشارة إلى أنه نتيجةً للاختلافات التشغيلية الموضحة أدناه، سيختلف توقيت التعريض الضوئي وآليته بين كاميرات CMOS الشاملة وكاميرات الغالق الدوار.
ملاحظة: تختلف عملية قراءة كاميرات CMOS بين كاميرات "الغالق الدوار" وكاميرات "الغالق الشامل"، كما هو موضح في النص. في كلتا الحالتين، يحتوي كل بكسل على مكثف ومضخم يُنتجان جهدًا بناءً على عدد الإلكترونات الضوئية المكتشفة. لكل صف، تُقاس جهد كل عمود في آنٍ واحد باستخدام محولات تناظرية إلى رقمية.
مصراع دوار
1. بالنسبة لمستشعر CMOS ذي الغالق المتدحرج، ابدأ من الصف العلوي (أو المركز بالنسبة لكاميرات المستشعر المنقسم)، وقم بإزالة الشحنة من الصف لبدء تعرض هذا الصف.
2. بعد انقضاء "وقت الخط" (عادةً 5-20 ميكروثانية)، انتقل إلى الصف التالي وكرر من الخطوة 1، حتى يتم تعريض المستشعر بالكامل.
٣. في كل صف، تتراكم الشحنات أثناء التعرض، حتى ينتهي وقت التعرض. الصف الأول الذي يبدأ سينتهي أولاً.
4. بمجرد انتهاء التعرض لصف واحد، قم بنقل الشحنات إلى مكثف القراءة والمضخم.
5. يتم بعد ذلك توصيل الجهد في كل مكبر للصوت في هذا الصف إلى المحول التناظري الرقمي العمودي، ويتم قياس الإشارة لكل بكسل في الصف.
6. تستغرق عملية القراءة وإعادة الضبط "وقت الخط" حتى تكتمل، وبعدها سيصل الصف التالي لبدء التعريض إلى نهاية وقت التعريض الخاص به، وسيتم تكرار العملية من الخطوة 4.
٧. بمجرد اكتمال قراءة الصف العلوي، شريطة أن يبدأ الصف السفلي بتعريض الإطار الحالي، يمكن للصف العلوي أن يبدأ بتعريض الإطار التالي (وضع التداخل). إذا كان وقت التعريض أقصر من وقت الإطار، فيجب على الصف العلوي انتظار الصف السفلي ليبدأ التعريض. عادةً ما يكون أقصر وقت تعريض ممكن هو سطر واحد.
كاميرا FL 26BW المبردة بتقنية CMOS من توسنتستخدم الكاميرا المزودة بمستشعر Sony IMX533 تقنية الغالق المتدحرج هذه.
مصراع عالمي
1. لبدء عملية الاستحواذ، يتم مسح الشحنة في نفس الوقت من المستشعر بأكمله (إعادة ضبط شاملة لبئر البكسل).
2. تتراكم الشحنة أثناء التعرض.
٣. في نهاية التعريض، تُنقل الشحنات المُجمّعة إلى بئر مُقنّع داخل كل بكسل، حيث يُمكنها انتظار القراءة دون احتساب أي فوتونات مُكتشفة جديدة. تُنقل بعض الكاميرات الشحنات إلى مُكثّف البكسل في هذه المرحلة.
4. مع تخزين الشحنات المكتشفة في المنطقة المقنعة لكل بكسل، يمكن للمنطقة النشطة للبكسل أن تبدأ في عرض الإطار التالي (وضع التداخل).
5. تستمر عملية القراءة من المنطقة المقنعة كما هو الحال بالنسبة لمستشعرات الغالق المتدحرج: صف واحد في كل مرة، من أعلى المستشعر، يتم نقل الشحنات من البئر المقنعة إلى مكثف القراءة والمضخم.
6. يتم توصيل الجهد في كل مكبر للصوت في هذا الصف إلى العمود ADC، ويتم قياس الإشارة لكل بكسل في الصف.
7. ستستغرق عملية القراءة وإعادة الضبط "وقت السطر" حتى تكتمل، وبعد ذلك ستتكرر العملية للصف التالي من الخطوة 5.
8. بمجرد قراءة جميع الصفوف، تصبح الكاميرا جاهزة لقراءة الإطار التالي، ويمكن تكرار العملية من الخطوة 2، أو الخطوة 3 إذا انقضى وقت التعريض بالفعل.
كاميرا Libra 3412M Mono sCMOS من توسنيستخدم تقنية الغالق العالمية، مما يتيح التقاط عينات متحركة بشكل واضح وسريع.
إيجابيات وسلبيات أجهزة استشعار CMOS
الايجابيات
● سرعات أعلى:تتميز أجهزة استشعار CMOS عادةً بسرعة نقل البيانات أعلى بمقدار 1 إلى 2 من أجهزة استشعار CCD أو EMCCD.
● أجهزة استشعار أكبر:يتيح معدل نقل البيانات السريع الحصول على عدد أكبر من وحدات البكسل وحقول رؤية أكبر، تصل إلى عشرات أو مئات الميجابكسل.
● ضوضاء منخفضة:يمكن لبعض أجهزة استشعار CMOS أن تحتوي على ضوضاء قراءة منخفضة تصل إلى 0.25e-، مما ينافس أجهزة استشعار EMCCD دون الحاجة إلى مضاعفة الشحنة التي تضيف مصادر ضوضاء إضافية.
● مرونة حجم البكسل:تعمل مستشعرات الكاميرات الخاصة بالمستهلكين والهواتف الذكية على خفض أحجام البكسل إلى نطاق ~1 ميكرومتر، وتعد الكاميرات العلمية التي يصل حجم بكسلها إلى 11 ميكرومتر شائعة، ويصل حجم البكسل المتاح إلى 16 ميكرومتر.
● انخفاض استهلاك الطاقة:تتيح متطلبات الطاقة المنخفضة لكاميرات CMOS إمكانية استخدامها في مجموعة واسعة من التطبيقات العلمية والصناعية.
● السعر ومدة الحياةعادةً ما تكون كاميرات CMOS منخفضة التكلفة مماثلة أو أقل تكلفةً لكاميرات CCD، بينما تكون كاميرات CMOS عالية الجودة أقل تكلفةً بكثير من كاميرات EMCCD. ومن المتوقع أن يتجاوز عمرها الافتراضي المتوقع بكثير عمر كاميرات EMCCD.
سلبيات
● مصراع دوار:تحتوي أغلب كاميرات CMOS العلمية على مصراع دوار، مما قد يضيف تعقيدًا إلى سير العمل التجريبي أو يستبعد بعض التطبيقات.
● أعلى العملة الداكنةت: تمتلك معظم كاميرات CMOS تيارًا داكنًا أعلى بكثير من مستشعرات CCD وEMCCD، مما يؤدي في بعض الأحيان إلى إدخال ضوضاء كبيرة في التعريضات الطويلة (> 1 ثانية).
أين تُستخدم مستشعرات CMOS اليوم
بفضل تنوعها، تُستخدم مستشعرات CMOS في مجموعة واسعة من التطبيقات:
● الإلكترونيات الاستهلاكية:الهواتف الذكية، وكاميرات الويب، وكاميرات DSLR، وكاميرات الحركة.
● علوم الحياة: طاقة أجهزة استشعار CMOSكاميرات المجهرتستخدم في التصوير الفلوري والتشخيص الطبي.
● علم الفلك:تستخدم التلسكوبات وأجهزة التصوير الفضائي غالبًا تقنية CMOS العلمية (sCMOS) للحصول على دقة عالية وضوضاء منخفضة.
● التفتيش الصناعي:التفتيش البصري الآلي (AOI)، والروبوتات، وكاميرات لفحص أشباه الموصلاتتعتمد على أجهزة استشعار CMOS للسرعة والدقة.
● السيارات:أنظمة مساعدة السائق المتقدمة (ADAS)، وكاميرات الرؤية الخلفية وكاميرات وقوف السيارات.
● المراقبة والأمن:أنظمة الكشف عن الإضاءة المنخفضة والحركة.
بفضل سرعتها وفعاليتها من حيث التكلفة، تعد تقنية CMOS الحل الأمثل للاستخدام التجاري بكميات كبيرة والعمل العلمي المتخصص.
لماذا أصبح CMOS هو المعيار الحديث الآن
لم يحدث التحول من CCD إلى CMOS بين عشية وضحاها، ولكنه كان حتميًا. إليكم سبب كون CMOS الآن حجر الزاوية في صناعة التصوير:
● ميزة التصنيع:تم بناؤه على خطوط تصنيع أشباه الموصلات القياسية، مما يقلل التكلفة ويحسن قابلية التوسع.
● مكاسب الأداء:خيارات الغلق المتدحرج والعالمي، وحساسية محسنة للضوء المنخفض، ومعدلات إطارات أعلى.
● التكامل والذكاء:تدعم مستشعرات CMOS الآن معالجة الذكاء الاصطناعي على الشريحة، والحوسبة الحافة، والتحليل في الوقت الفعلي.
● الابتكار:يتم بناء أنواع المستشعرات الناشئة مثل CMOS المكدسة، ومستشعرات الصور الكمية، 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، بفضل توازنها بين الأداء والكفاءة والتكلفة. سواءً لالتقاط ذكريات يومية أو لإجراء تحليلات علمية عالية السرعة، تُشكل تقنية CMOS الأساس لعالم التصوير الفوتوغرافي المعاصر.
وبما أن الابتكارات مثل Global Shutter CMOS وsCMOS تستمر في توسيع قدرات التكنولوجيا، فمن المتوقع أن تستمر هيمنتها لسنوات قادمة.
الأسئلة الشائعة
ما هو الفرق بين الستارة الدوارة والستارة العالمية؟
تقوم مصراع الدوران بقراءة بيانات الصورة سطرًا بسطر، مما قد يتسبب في حدوث آثار حركية (على سبيل المثال، الانحراف أو الاهتزاز) عند التقاط الأجسام سريعة الحركة.
يلتقط مصراع الكاميرا الشامل الإطار بأكمله في آنٍ واحد، مما يُزيل أي تشوهات ناتجة عن الحركة. وهو مثالي لتطبيقات التصوير عالية السرعة، مثل الرؤية الآلية والتجارب العلمية.
ما هو وضع تداخل CMOS Rolling Shutter؟
في كاميرات CMOS ذات المصراع الدوار، في وضع التداخل، يمكن أن يبدأ تعريض الإطار التالي قبل اكتمال الإطار الحالي، مما يسمح بمعدلات إطارات أعلى. وهذا ممكن لأن تعريض كل صف وقراءته متدرجان زمنيًا.
يُعد هذا الوضع مفيدًا في التطبيقات التي يكون فيها الحد الأقصى لمعدل الإطارات والإنتاجية أمرًا بالغ الأهمية، مثل عمليات الفحص عالية السرعة أو التتبع الفوري. ومع ذلك، قد يزيد هذا الوضع من تعقيد التوقيت والمزامنة بشكل طفيف.
