۲۵/۰۸/۰۵از گوشی‌های هوشمند گرفته تا ابزارهای علمی، حسگرهای تصویر در قلب فناوری بصری امروزی قرار دارند. در میان این حسگرها، حسگرهای CMOS به نیروی غالب تبدیل شده‌اند و از عکس‌های روزمره گرفته تا میکروسکوپ‌های پیشرفته و بازرسی نیمه‌هادی‌ها، همه چیز را تحت تأثیر قرار می‌دهند.
فناوری «نیمه‌رسانای اکسید فلزی مکمل» (CMOS) یک معماری الکترونیکی و مجموعه‌ای از فناوری‌های فرآیندهای ساخت است که کاربردهای آن فوق‌العاده گسترده است. در واقع، می‌توان گفت که فناوری CMOS زیربنای عصر دیجیتال مدرن است.
سنسور CMOS چیست؟
حسگرهای تصویر CMOS (CIS) از پیکسل‌های فعال استفاده می‌کنند، به این معنی که در هر پیکسل دوربین از سه یا چند ترانزیستور استفاده می‌شود. پیکسل‌های CCD و EMCCD حاوی ترانزیستور نیستند.
ترانزیستورهای موجود در هر پیکسل، امکان کنترل این پیکسل‌های «فعال»، تقویت سیگنال‌ها از طریق ترانزیستورهای «اثر میدانی» و دسترسی به داده‌های آنها را به صورت موازی فراهم می‌کنند. به جای یک مسیر خوانش واحد برای کل یک حسگر یا بخش قابل توجهی از یک حسگر، ...دوربین CMOSشامل حداقل یک ردیف کامل از مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال خوانش، یک (یا چند) مبدل آنالوگ به دیجیتال برای هر ستون از حسگر است. هر یک از این‌ها می‌توانند مقدار ستون خود را به طور همزمان بخوانند. علاوه بر این، این حسگرهای «پیکسل فعال» با منطق دیجیتال CMOS سازگار هستند و قابلیت بالقوه حسگر را افزایش می‌دهند.
این ویژگی‌ها در کنار هم، به حسگرهای CMOS سرعت می‌بخشند. با این حال، به لطف این افزایش در موازی‌سازی، ADCهای منفرد می‌توانند سیگنال‌های شناسایی‌شده خود را با دقت بیشتری در مدت زمان بیشتری اندازه‌گیری کنند. این زمان‌های تبدیل طولانی‌تر، حتی برای تعداد پیکسل‌های بالاتر، امکان عملکرد با نویز بسیار کم را فراهم می‌کند. به لطف این و سایر نوآوری‌ها، نویز خواندن حسگرهای CMOS معمولاً ۵ تا ۱۰ برابر کمتر از CCDها است.
دوربین‌های CMOS علمی مدرن (sCMOS) زیرمجموعه‌ای تخصصی از CMOS هستند که برای تصویربرداری کم‌صدا و پرسرعت در کاربردهای تحقیقاتی طراحی شده‌اند.
سنسورهای CMOS چگونه کار می‌کنند؟ (شامل شاتر چرخشی در مقابل شاتر سراسری)
عملکرد یک حسگر CMOS معمولی در شکل نشان داده شده است و در زیر خلاصه شده است. توجه داشته باشید که در نتیجه تفاوت‌های عملیاتی زیر، زمان‌بندی و عملکرد نوردهی برای دوربین‌های CMOS با شاتر سراسری در مقابل شاتر چرخشی متفاوت خواهد بود.
شکل: فرآیند بازخوانی برای حسگر CMOS
توجههمانطور که در متن بحث شده است، فرآیند بازخوانی برای دوربین‌های CMOS بین دوربین‌های «شاتر چرخشی» و «شاتر سراسری» متفاوت است. در هر دو حالت، هر پیکسل حاوی یک خازن و تقویت‌کننده است که بر اساس تعداد فوتوالکترون‌های شناسایی‌شده، ولتاژ تولید می‌کند. برای هر ردیف، ولتاژهای هر ستون به‌طور همزمان توسط مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال ستون اندازه‌گیری می‌شوند.
شاتر نورد
۱. برای یک حسگر CMOS با شاتر چرخشی، از ردیف بالا (یا مرکز برای دوربین‌های با حسگر تقسیم‌شده) شروع کنید، بار الکتریکی را از ردیف مورد نظر پاک کنید تا نوردهی آن ردیف شروع شود.
۲. پس از سپری شدن «زمان خط» (معمولاً ۵ تا ۲۰ میکروثانیه)، به ردیف بعدی بروید و از مرحله ۱ تکرار کنید تا کل حسگر در معرض نور قرار گیرد.
۳. برای هر ردیف، بارها در طول نوردهی جمع می‌شوند، تا زمانی که آن ردیف زمان نوردهی خود را تمام کند. اولین ردیفی که شروع شود، زودتر تمام می‌شود.
۴. پس از اتمام نوردهی برای یک ردیف، بارها را به خازن قرائت و تقویت‌کننده منتقل کنید.
۵. ولتاژ هر تقویت‌کننده در آن ردیف سپس به ADC ستونی متصل می‌شود و سیگنال برای هر پیکسل در ردیف اندازه‌گیری می‌شود.
۶. عملیات بازخوانی و تنظیم مجدد به اندازه «زمان خط» طول می‌کشد تا کامل شود، و پس از آن ردیف بعدی که قرار است نوردهی را شروع کند، به پایان زمان نوردهی خود رسیده است و این فرآیند از مرحله ۴ تکرار می‌شود.
۷. به محض اینکه خوانش ردیف بالا کامل شد، مشروط بر اینکه ردیف پایین شروع به نوردهی فریم فعلی کرده باشد، ردیف بالا می‌تواند نوردهی فریم بعدی را شروع کند (حالت همپوشانی). اگر زمان نوردهی کوتاه‌تر از زمان فریم باشد، ردیف بالا باید منتظر شروع نوردهی ردیف پایین باشد. کوتاه‌ترین زمان نوردهی ممکن معمولاً یک خط است.
دوربین CMOS خنک شونده FL 26BW توسنکه مجهز به حسگر سونی IMX533 است، از این فناوری شاتر چرخشی استفاده می‌کند.
شاتر جهانی
۱. برای شروع جمع‌آوری تصویر، شارژ به طور همزمان از کل حسگر پاک می‌شود (ریست سراسری چاه پیکسل).
۲. بار الکتریکی در طول تابش جمع می‌شود.
۳. در پایان نوردهی، بارهای جمع‌آوری‌شده به یک چاهک پوشانده‌شده در هر پیکسل منتقل می‌شوند، جایی که می‌توانند بدون شمارش فوتون‌های شناسایی‌شده جدید، منتظر بازخوانی بمانند. برخی دوربین‌ها در این مرحله بارها را به خازن پیکسل منتقل می‌کنند.
۴. با بارهای شناسایی‌شده که در ناحیه ماسک‌شده هر پیکسل ذخیره شده‌اند، ناحیه فعال پیکسل می‌تواند نوردهی فریم بعدی را آغاز کند (حالت همپوشانی).
۵. فرآیند بازخوانی از ناحیه ماسک‌شده مانند حسگرهای شاتر چرخشی پیش می‌رود: یک ردیف در هر زمان، از بالای حسگر، بارها از چاه ماسک‌شده به خازن و تقویت‌کننده بازخوانی منتقل می‌شوند.
۶. ولتاژ هر تقویت‌کننده در آن ردیف به ADC ستونی متصل می‌شود و سیگنال برای هر پیکسل در آن ردیف اندازه‌گیری می‌شود.
۷. عملیات خواندن و تنظیم مجدد به اندازه «زمان خط» طول می‌کشد تا تکمیل شود، و پس از آن این فرآیند برای ردیف بعدی از مرحله ۵ تکرار خواهد شد.
۸. پس از خواندن تمام ردیف‌ها، دوربین آماده خواندن فریم بعدی است و این فرآیند می‌تواند از مرحله ۲ یا اگر زمان نوردهی سپری شده باشد، از مرحله ۳ تکرار شود.
دوربین تک رنگ sCMOS مدل Libra 3412M از شرکت توسنبا بهره‌گیری از فناوری شاتر جهانی، امکان ثبت واضح و سریع نمونه‌های متحرک را فراهم می‌کند.
مزایا و معایب سنسورهای CMOS
مزایا
● سرعت بالاترحسگرهای CMOS معمولاً از نظر سرعت انتقال داده، ۱ تا ۲ برابر سریع‌تر از حسگرهای CCD یا EMCCD هستند.
● حسگرهای بزرگترسرعت بالاتر انتقال داده، تعداد پیکسل‌های بالاتر و میدان دید وسیع‌تر، تا ده‌ها یا صدها مگاپیکسل را امکان‌پذیر می‌کند.
● کم صدابرخی از حسگرهای CMOS می‌توانند نویز خوانش تا 0.25e- داشته باشند و بدون نیاز به ضرب بار که منابع نویز اضافی را اضافه می‌کند، با EMCCDها رقابت کنند.
● انعطاف‌پذیری اندازه پیکسلحسگرهای دوربین گوشی‌های هوشمند و کاربران عادی، اندازه پیکسل‌ها را تا حدود ۱ میکرومتر کاهش می‌دهند و دوربین‌های علمی با اندازه پیکسل تا ۱۱ میکرومتر رایج هستند و تا ۱۶ میکرومتر نیز موجود می‌باشند.
● مصرف برق کمترنیاز کم دوربین‌های CMOS به توان مصرفی، آنها را برای استفاده در طیف وسیع‌تری از کاربردهای علمی و صنعتی توانمند می‌سازد.
● قیمت و طول عمردوربین‌های CMOS ارزان‌قیمت معمولاً مشابه یا ارزان‌تر از دوربین‌های CCD هستند و دوربین‌های CMOS گران‌قیمت بسیار ارزان‌تر از دوربین‌های EMCCD هستند. طول عمر مورد انتظار آنها باید بسیار بیشتر از یک دوربین EMCCD باشد.
معایب
● کرکره غلتکیاکثر دوربین‌های CMOS علمی دارای شاتر چرخشی هستند که می‌تواند به پیچیدگی گردش کار آزمایشگاهی بیفزاید یا برخی از کاربردها را منتفی کند.
● جریان تاریک بالاترت: اکثر دوربین‌های CMOS جریان تاریک بسیار بالاتری نسبت به سنسورهای CCD و EMCCD دارند، که گاهی اوقات در نوردهی‌های طولانی (بیش از ۱ ثانیه) نویز قابل توجهی ایجاد می‌کنند.
امروزه از حسگرهای CMOS در کجا استفاده می‌شود؟
به لطف تطبیق‌پذیری‌شان، حسگرهای CMOS در طیف وسیعی از کاربردها یافت می‌شوند:
● لوازم الکترونیکی مصرفی: گوشی‌های هوشمند، وب‌کم‌ها، دوربین‌های DSLR، دوربین‌های اکشن.
● علوم زیستیتوان حسگرهای CMOSدوربین‌های میکروسکوپیدر تصویربرداری فلورسانس و تشخیص پزشکی استفاده می‌شود.
● نجومتلسکوپ‌ها و دستگاه‌های تصویربرداری فضایی اغلب از CMOS علمی (sCMOS) برای وضوح بالا و نویز کم استفاده می‌کنند.
● بازرسی صنعتیبازرسی نوری خودکار (AOI)، رباتیک ودوربین‌های بازرسی نیمه‌هادیبرای سرعت و دقت به سنسورهای CMOS تکیه کنید.
● خودروسیستم‌های پیشرفته کمک راننده (ADAS)، دوربین‌های دید عقب و پارکینگ.
● نظارت و امنیت: سیستم‌های تشخیص حرکت و نور کم.
سرعت و مقرون به صرفه بودن آنها، CMOS را به راهکاری مناسب برای استفاده تجاری با حجم بالا و کارهای علمی تخصصی تبدیل کرده است.
چرا CMOS اکنون استاندارد مدرن است؟
تغییر از CCD به CMOS یک شبه اتفاق نیفتاد، اما اجتناب‌ناپذیر بود. در اینجا دلیل اینکه چرا CMOS اکنون سنگ بنای صنعت تصویربرداری است، آورده شده است:
● مزیت تولید: ساخته شده بر روی خطوط تولید نیمه هادی استاندارد، کاهش هزینه و بهبود مقیاس پذیری.
● افزایش عملکردگزینه‌های شاتر چرخشی و سراسری، حساسیت بهبود یافته در نور کم و نرخ فریم بالاتر.
● یکپارچه‌سازی و هوشمندسازیحسگرهای CMOS اکنون از پردازش هوش مصنوعی روی تراشه، محاسبات لبه‌ای و تحلیل بلادرنگ پشتیبانی می‌کنند.
● نوآوریانواع حسگرهای نوظهور مانند CMOS انباشته، حسگرهای تصویر کوانتومی و حسگرهای منحنی بر روی پلتفرم‌های CMOS ساخته شده‌اند.
از گوشی‌های هوشمند گرفته تادوربین‌های علمیCMOS ثابت کرده است که قابل انطباق، قدرتمند و آماده برای آینده است.
نتیجه‌گیری
حسگرهای CMOS به لطف تعادل بین عملکرد، کارایی و هزینه، به استاندارد مدرن برای اکثر کاربردهای تصویربرداری تبدیل شده‌اند. چه برای ثبت خاطرات روزمره و چه برای انجام تجزیه و تحلیل علمی پرسرعت، فناوری CMOS پایه و اساس دنیای بصری امروز را فراهم می‌کند.
از آنجایی که نوآوری‌هایی مانند CMOS شاتر جهانی و sCMOS به گسترش قابلیت‌های این فناوری ادامه می‌دهند، پیش‌بینی می‌شود که تسلط آن در سال‌های آینده نیز ادامه یابد.
سوالات متداول
تفاوت بین شاتر غلتکی و شاتر سراسری چیست؟
شاتر چرخشی، داده‌های تصویر را خط به خط می‌خواند، که می‌تواند هنگام ثبت سوژه‌های متحرک سریع، باعث ایجاد مصنوعات حرکتی (مثلاً کج شدن یا لرزش) شود.
یک شاتر سراسری کل فریم را به طور همزمان ثبت می‌کند و اعوجاج ناشی از حرکت را از بین می‌برد. این شاتر برای کاربردهای تصویربرداری پرسرعت مانند بینایی ماشین و آزمایش‌های علمی ایده‌آل است.
حالت همپوشانی شاتر غلتکی CMOS چیست؟
برای دوربین‌های CMOS با شاتر چرخشی، در حالت همپوشانی، نوردهی فریم بعدی می‌تواند قبل از تکمیل کامل فریم فعلی شروع شود و نرخ فریم بالاتری را فراهم کند. این امر به این دلیل امکان‌پذیر است که نوردهی و خوانش هر ردیف به صورت پلکانی انجام می‌شود.
این حالت در کاربردهایی که حداکثر نرخ فریم و توان عملیاتی بسیار مهم هستند، مانند بازرسی پرسرعت یا ردیابی بلادرنگ، مفید است. با این حال، ممکن است پیچیدگی زمان‌بندی و هماهنگ‌سازی را کمی افزایش دهد.
شرکت توسن فوتونیک. تمامی حقوق محفوظ است. هنگام نقل قول، لطفاً منبع را ذکر کنید:www.tucsen.com
