स्मार्टफ़ोन से लेकर वैज्ञानिक उपकरणों तक, इमेज सेंसर आज की दृश्य तकनीक के केंद्र में हैं। इनमें से, CMOS सेंसर प्रमुख शक्ति बन गए हैं, जो रोज़मर्रा की तस्वीरों से लेकर उन्नत माइक्रोस्कोपी और अर्धचालक निरीक्षण तक, हर चीज़ को शक्ति प्रदान करते हैं।
'पूरक धातु ऑक्साइड अर्धचालक' (CMOS) तकनीक एक इलेक्ट्रॉनिक वास्तुकला और निर्माण प्रक्रिया तकनीकों का समूह है जिसके अनुप्रयोग अविश्वसनीय रूप से व्यापक हैं। वास्तव में, CMOS तकनीक को आधुनिक डिजिटल युग का आधार कहा जा सकता है।
CMOS सेंसर क्या है?
CMOS इमेज सेंसर (CIS) सक्रिय पिक्सेल का उपयोग करते हैं, अर्थात कैमरे के प्रत्येक पिक्सेल में तीन या अधिक ट्रांजिस्टर का उपयोग होता है। CCD और EMCCD पिक्सेल में ट्रांजिस्टर नहीं होते हैं।
प्रत्येक पिक्सेल में मौजूद ट्रांजिस्टर इन 'सक्रिय' पिक्सेल को नियंत्रित करने, 'फ़ील्ड इफ़ेक्ट' ट्रांजिस्टर के ज़रिए सिग्नल को प्रवर्धित करने और उनके डेटा तक पहुँचने में सक्षम बनाते हैं, और यह सब समानांतर रूप से संभव है। पूरे सेंसर या सेंसर के एक बड़े हिस्से के लिए एकल रीडआउट पथ के स्थान पर,CMOS कैमराइसमें रीडआउट ADCs की कम से कम एक पूरी पंक्ति शामिल है, सेंसर के प्रत्येक कॉलम के लिए एक (या अधिक) ADC। इनमें से प्रत्येक अपने कॉलम का मान एक साथ पढ़ सकता है। इसके अलावा, ये 'एक्टिव पिक्सेल' सेंसर CMOS डिजिटल लॉजिक के साथ संगत हैं, जिससे सेंसर की संभावित कार्यक्षमता बढ़ जाती है।
ये गुण मिलकर CMOS सेंसर को उनकी गति प्रदान करते हैं। फिर भी, समांतरता में इस वृद्धि के कारण, अलग-अलग ADC अपने पहचाने गए संकेतों को अधिक सटीकता से मापने में अधिक समय ले पाते हैं। ये लंबे रूपांतरण समय, उच्च पिक्सेल गणना के लिए भी, बहुत कम शोर संचालन की अनुमति देते हैं। इसके और अन्य नवाचारों के कारण, CMOS सेंसर का रीड नॉइज़ CCD की तुलना में 5x – 10x तक कम होता है।
आधुनिक वैज्ञानिक CMOS (sCMOS) कैमरे CMOS का एक विशेष उपप्रकार हैं, जो अनुसंधान अनुप्रयोगों में कम शोर और उच्च गति इमेजिंग के लिए डिज़ाइन किए गए हैं।
CMOS सेंसर कैसे काम करते हैं? (रोलिंग बनाम ग्लोबल शटर सहित)
एक विशिष्ट CMOS सेंसर का संचालन चित्र में दिखाया गया है और नीचे रेखांकित किया गया है। ध्यान दें कि नीचे दिए गए परिचालन अंतरों के परिणामस्वरूप, ग्लोबल बनाम रोलिंग शटर CMOS कैमरों के लिए एक्सपोज़र का समय और संचालन अलग-अलग होगा।

चित्र: CMOS सेंसर के लिए रीडआउट प्रक्रिया
टिप्पणीCMOS कैमरों के लिए रीडआउट प्रक्रिया 'रोलिंग शटर' और 'ग्लोबल शटर' कैमरों के बीच भिन्न होती है, जैसा कि पाठ में चर्चा की गई है। दोनों ही स्थितियों में, प्रत्येक पिक्सेल में एक संधारित्र और प्रवर्धक होता है जो ज्ञात फोटोइलेक्ट्रॉन गणना के आधार पर एक वोल्टेज उत्पन्न करता है। प्रत्येक पंक्ति के लिए, प्रत्येक कॉलम के वोल्टेज को कॉलम एनालॉग से डिजिटल कन्वर्टर्स द्वारा एक साथ मापा जाता है।
रोलिंग शटर
1. रोलिंग शटर CMOS सेंसर के लिए, शीर्ष पंक्ति से शुरू करते हुए (या स्प्लिट सेंसर कैमरों के लिए केंद्र से), उस पंक्ति का एक्सपोज़र शुरू करने के लिए पंक्ति से चार्ज साफ़ करें।
2. 'लाइन टाइम' बीत जाने के बाद (आमतौर पर 5-20 μs), अगली पंक्ति पर जाएं और चरण 1 से दोहराएं, जब तक कि पूरा सेंसर उजागर न हो जाए।
3. प्रत्येक पंक्ति के लिए, एक्सपोज़र के दौरान आवेश संचित होते रहते हैं, जब तक कि उस पंक्ति का एक्सपोज़र समय समाप्त नहीं हो जाता। सबसे पहले शुरू होने वाली पंक्ति पहले समाप्त होगी।
4. एक बार जब एक पंक्ति के लिए एक्सपोज़र समाप्त हो जाए, तो चार्ज को रीडआउट कैपेसिटर और एम्पलीफायर में स्थानांतरित करें।
5. फिर उस पंक्ति में प्रत्येक एम्पलीफायर में वोल्टेज को कॉलम ADC से जोड़ा जाता है, और पंक्ति में प्रत्येक पिक्सेल के लिए सिग्नल को मापा जाता है।
6. रीडआउट और रीसेट ऑपरेशन को पूरा होने में 'लाइन टाइम' लगेगा, जिसके बाद एक्सपोज़र शुरू करने वाली अगली पंक्ति अपने एक्सपोज़र समय के अंत तक पहुँच जाएगी, और चरण 4 से प्रक्रिया दोहराई जाएगी।
7. जैसे ही ऊपरी पंक्ति का रीडआउट पूरा हो जाता है, बशर्ते निचली पंक्ति ने वर्तमान फ़्रेम को एक्सपोज़ करना शुरू कर दिया हो, ऊपरी पंक्ति अगले फ़्रेम का एक्सपोज़र शुरू कर सकती है (ओवरलैप मोड)। यदि एक्सपोज़र समय फ़्रेम समय से कम है, तो ऊपरी पंक्ति को एक्सपोज़र शुरू करने के लिए निचली पंक्ति का इंतज़ार करना होगा। सबसे कम संभव एक्सपोज़र आमतौर पर एक लाइन समय होता है।
टक्सन का FL 26BW कूल्ड CMOS कैमरासोनी IMX533 सेंसर युक्त यह कैमरा रोलिंग शटर तकनीक का उपयोग करता है।
ग्लोबल शटर

1. अधिग्रहण शुरू करने के लिए, पूरे सेंसर से एक साथ चार्ज को साफ़ किया जाता है (पिक्सेल वेल का वैश्विक रीसेट)।
2. एक्सपोजर के दौरान चार्ज जमा होता है।
3. एक्सपोज़र के अंत में, एकत्रित आवेशों को प्रत्येक पिक्सेल के भीतर एक मास्क्ड वेल में ले जाया जाता है, जहाँ वे नए डिटेक्ट किए गए फोटॉनों की गणना किए बिना रीडआउट की प्रतीक्षा कर सकते हैं। कुछ कैमरे इस स्तर पर आवेशों को पिक्सेल कैपेसिटर में ले जाते हैं।
4. प्रत्येक पिक्सेल के मास्क्ड क्षेत्र में संग्रहीत पता लगाए गए चार्ज के साथ, पिक्सेल का सक्रिय क्षेत्र अगले फ्रेम (ओवरलैप मोड) का एक्सपोजर शुरू कर सकता है।
5. मास्क्ड क्षेत्र से रीडआउट की प्रक्रिया रोलिंग शटर सेंसर के समान ही होती है: एक समय में एक पंक्ति, सेंसर के शीर्ष से, मास्क्ड वेल से रीडआउट कैपेसिटर और एम्प्लीफायर तक चार्ज स्थानांतरित किए जाते हैं।
6. उस पंक्ति में प्रत्येक एम्पलीफायर में वोल्टेज कॉलम ADC से जुड़ा होता है, और पंक्ति में प्रत्येक पिक्सेल के लिए सिग्नल मापा जाता है।
7. रीडआउट और रीसेट ऑपरेशन को पूरा होने में 'लाइन टाइम' लगेगा, जिसके बाद चरण 5 से अगली पंक्ति के लिए प्रक्रिया दोहराई जाएगी।
8. एक बार सभी पंक्तियाँ पढ़ लेने के बाद, कैमरा अगले फ्रेम को पढ़ने के लिए तैयार हो जाता है, और प्रक्रिया को चरण 2 से दोहराया जा सकता है, या यदि एक्सपोज़र समय पहले ही बीत चुका है तो चरण 3 से दोहराया जा सकता है।
टक्सन का लिब्रा 3412M मोनो sCMOS कैमराग्लोबल शटर प्रौद्योगिकी का उपयोग करता है, जिससे गतिशील नमूनों को स्पष्ट और तीव्र गति से कैप्चर किया जा सकता है।
CMOS सेंसर के फायदे और नुकसान
पेशेवरों
● उच्च गतिCMOS सेंसर आमतौर पर CCD या EMCCD सेंसर की तुलना में डेटा थ्रूपुट में 1 से 2 ऑर्डर अधिक तेज होते हैं।
● बड़े सेंसर: तीव्र डेटा थ्रूपुट, दसियों या सैकड़ों मेगापिक्सेल तक उच्च पिक्सेल गणना और बड़े दृश्य क्षेत्र को सक्षम बनाता है।
● कम शोरकुछ CMOS सेंसरों में 0.25e- जितना कम शोर हो सकता है, जो EMCCDs से प्रतिस्पर्धा करता है, बिना चार्ज गुणन की आवश्यकता के, जो अतिरिक्त शोर स्रोतों को जोड़ता है।
● पिक्सेल आकार का लचीलापनउपभोक्ता और स्मार्टफोन कैमरा सेंसर पिक्सेल आकार को ~1 μm रेंज तक कम कर देते हैं, और 11 μm तक के पिक्सेल आकार वाले वैज्ञानिक कैमरे आम हैं, और 16 μm तक उपलब्ध हैं।
● कम बिजली की खपतCMOS कैमरों की कम बिजली की आवश्यकता उन्हें वैज्ञानिक और औद्योगिक अनुप्रयोगों की एक विस्तृत विविधता में उपयोग के लिए सक्षम बनाती है।
● कीमत और जीवनकालनिम्न-स्तरीय CMOS कैमरे आमतौर पर CCD कैमरों के समान या उनसे कम लागत वाले होते हैं, और उच्च-स्तरीय CMOS कैमरे EMCCD कैमरों की तुलना में बहुत कम लागत वाले होते हैं। इनका अपेक्षित सेवा जीवन EMCCD कैमरे से कहीं अधिक होना चाहिए।
दोष
● रोलिंग शटरअधिकांश वैज्ञानिक CMOS कैमरों में रोलिंग शटर होता है, जो प्रयोगात्मक कार्यप्रवाह में जटिलता ला सकता है या कुछ अनुप्रयोगों को रद्द कर सकता है।
● उच्चतर डार्क करंटt: अधिकांश CMOS कैमरों में CCD और EMCCD सेंसरों की तुलना में बहुत अधिक डार्क करंट होता है, जो कभी-कभी लंबे समय तक एक्सपोजर (> 1 सेकंड) पर महत्वपूर्ण शोर उत्पन्न करता है।
आज CMOS सेंसर का उपयोग कहाँ किया जाता है
अपनी बहुमुखी प्रतिभा के कारण, CMOS सेंसर अनेक अनुप्रयोगों में पाए जाते हैं:
● उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स: स्मार्टफोन, वेबकैम, डीएसएलआर, एक्शन कैम।
● जीवन विज्ञान: CMOS सेंसर पावरमाइक्रोस्कोपी कैमरेप्रतिदीप्ति इमेजिंग और चिकित्सा निदान में उपयोग किया जाता है।

● खगोल विज्ञानदूरबीन और अंतरिक्ष इमेजिंग उपकरण अक्सर उच्च रिज़ॉल्यूशन और कम शोर के लिए वैज्ञानिक CMOS (sCMOS) का उपयोग करते हैं।
● औद्योगिक निरीक्षण: स्वचालित ऑप्टिकल निरीक्षण (एओआई), रोबोटिक्स, औरअर्धचालक निरीक्षण के लिए कैमरेगति और सटीकता के लिए CMOS सेंसर पर निर्भर रहें।

● ऑटोमोटिवउन्नत चालक सहायता प्रणाली (एडीएएस), रियर-व्यू और पार्किंग कैमरे।
● निगरानी और सुरक्षा: कम रोशनी और गति का पता लगाने वाली प्रणालियाँ।
उनकी गति और लागत-दक्षता CMOS को उच्च-मात्रा वाले वाणिज्यिक उपयोग और विशिष्ट वैज्ञानिक कार्य दोनों के लिए एक उपयुक्त समाधान बनाती है।
CMOS अब आधुनिक मानक क्यों है?
सीसीडी से सीएमओएस में बदलाव रातोंरात नहीं हुआ, लेकिन यह अपरिहार्य था। सीएमओएस अब इमेजिंग उद्योग की आधारशिला क्यों है, यहाँ बताया गया है:
● विनिर्माण लाभ: मानक अर्धचालक निर्माण लाइनों पर निर्मित, लागत कम करने और मापनीयता में सुधार।
● प्रदर्शन लाभ: रोलिंग और ग्लोबल शटर विकल्प, बेहतर कम-प्रकाश संवेदनशीलता और उच्च फ्रेम दर।
● एकीकरण और बुद्धिमत्ताCMOS सेंसर अब ऑन-चिप AI प्रोसेसिंग, एज कंप्यूटिंग और वास्तविक समय विश्लेषण का समर्थन करते हैं।
● नवाचारस्टैक्ड सीएमओएस, क्वांटा इमेज सेंसर और कर्व्ड सेंसर जैसे उभरते सेंसर प्रकार सीएमओएस प्लेटफॉर्म पर बनाए जाते हैं।
स्मार्टफोन से लेकरवैज्ञानिक कैमरे, CMOS अनुकूलनीय, शक्तिशाली और भविष्य के लिए तैयार साबित हुआ है।
निष्कर्ष
CMOS सेंसर अपने प्रदर्शन, दक्षता और लागत के संतुलन के कारण अधिकांश इमेजिंग अनुप्रयोगों के लिए आधुनिक मानक बन गए हैं। चाहे रोज़मर्रा की यादों को कैद करना हो या उच्च गति वाला वैज्ञानिक विश्लेषण करना हो, CMOS तकनीक आज की दृश्य दुनिया का आधार प्रदान करती है।
चूंकि ग्लोबल शटर CMOS और sCMOS जैसे नवाचार प्रौद्योगिकी की क्षमताओं का विस्तार कर रहे हैं, इसलिए आने वाले वर्षों में भी इसका प्रभुत्व बना रहेगा।
पूछे जाने वाले प्रश्न
रोलिंग शटर और ग्लोबल शटर में क्या अंतर है?
रोलिंग शटर छवि डेटा को लाइन दर लाइन पढ़ता है, जो तेजी से गतिशील विषयों को कैप्चर करते समय गति संबंधी विकृतियां (जैसे, तिरछापन या कंपन) उत्पन्न कर सकता है।
ग्लोबल शटर पूरे फ़्रेम को एक साथ कैप्चर करता है, जिससे गति से होने वाली विकृति दूर होती है। यह मशीन विज़न और वैज्ञानिक प्रयोगों जैसे उच्च-गति इमेजिंग अनुप्रयोगों के लिए आदर्श है।
रोलिंग शटर CMOS ओवरलैप मोड क्या है?
रोलिंग शटर CMOS कैमरों के लिए, ओवरलैप मोड में, अगले फ़्रेम का एक्सपोज़र मौजूदा फ़्रेम के पूरी तरह से पूरा होने से पहले ही शुरू हो सकता है, जिससे फ़्रेम दर ज़्यादा हो जाती है। यह इसलिए संभव है क्योंकि प्रत्येक पंक्ति का एक्सपोज़र और रीडआउट समय के अनुसार अलग-अलग होते हैं।
यह मोड उन अनुप्रयोगों में उपयोगी है जहाँ अधिकतम फ़्रेम दर और थ्रूपुट महत्वपूर्ण होते हैं, जैसे उच्च-गति निरीक्षण या रीयल-टाइम ट्रैकिंग में। हालाँकि, यह समय निर्धारण और सिंक्रनाइज़ेशन की जटिलता को थोड़ा बढ़ा सकता है।
टक्सन फोटोनिक्स कंपनी लिमिटेड। सर्वाधिकार सुरक्षित। उद्धरण देते समय, कृपया स्रोत का उल्लेख करें:www.tucsen.com