२५/०८/०५स्मार्टफोनपासून ते वैज्ञानिक उपकरणांपर्यंत, इमेज सेन्सर्स हे आजच्या दृश्य तंत्रज्ञानाच्या केंद्रस्थानी आहेत. यापैकी, CMOS सेन्सर्स हे प्रमुख शक्ती बनले आहेत, जे दैनंदिन फोटोंपासून ते प्रगत मायक्रोस्कोपी आणि सेमीकंडक्टर तपासणीपर्यंत सर्वकाही सक्षम करतात.
'कंप्लिमेंटरी मेटल ऑक्साइड सेमीकंडक्टर' (CMOS) तंत्रज्ञान ही एक इलेक्ट्रॉनिक आर्किटेक्चर आणि फॅब्रिकेशन प्रक्रिया तंत्रज्ञानाचा संच आहे ज्यांचे अनुप्रयोग अविश्वसनीयपणे विस्तृत आहेत. खरंच, CMOS तंत्रज्ञान आधुनिक डिजिटल युगाचा आधार आहे असे म्हणता येईल.
CMOS सेन्सर म्हणजे काय?
CMOS इमेज सेन्सर्स (CIS) सक्रिय पिक्सेल वापरतात, म्हणजेच कॅमेऱ्याच्या प्रत्येक पिक्सेलमध्ये तीन किंवा अधिक ट्रान्झिस्टरचा वापर. CCD आणि EMCCD पिक्सेलमध्ये ट्रान्झिस्टर नसतात.
प्रत्येक पिक्सेलमधील ट्रान्झिस्टर या 'सक्रिय' पिक्सेलना नियंत्रित करण्यास, 'फील्ड इफेक्ट' ट्रान्झिस्टरद्वारे सिग्नल वाढवण्यास आणि त्यांचा डेटा समांतरपणे अॅक्सेस करण्यास सक्षम करतात. संपूर्ण सेन्सर किंवा सेन्सरच्या एका महत्त्वपूर्ण भागासाठी एकाच रीडआउट मार्गाच्या जागी, एकCMOS कॅमेरायामध्ये सेन्सरच्या प्रत्येक कॉलमसाठी कमीत कमी एक संपूर्ण रीडआउट एडीसी, एक (किंवा अधिक) एडीसी समाविष्ट आहेत. यापैकी प्रत्येकजण त्यांच्या कॉलमचे मूल्य एकाच वेळी वाचू शकतो. शिवाय, हे 'अ‍ॅक्टिव्ह पिक्सेल' सेन्सर सीएमओएस डिजिटल लॉजिकशी सुसंगत आहेत, ज्यामुळे संभाव्य सेन्सर कार्यक्षमता वाढते.
एकत्रितपणे, हे गुण CMOS सेन्सर्सना त्यांची गती देतात. तरीही, समांतरतेतील या वाढीमुळे, वैयक्तिक ADCs त्यांचे शोधलेले सिग्नल अधिक अचूकतेने मोजण्यासाठी जास्त वेळ घेऊ शकतात. या जास्त रूपांतरण वेळेमुळे खूप कमी आवाजाचे ऑपरेशन शक्य होते, अगदी उच्च पिक्सेल संख्यांसाठी देखील. यामुळे आणि इतर नवकल्पनांमुळे, CMOS सेन्सर्सचा वाचन आवाज CCD पेक्षा 5x - 10x कमी असतो.
आधुनिक वैज्ञानिक CMOS (sCMOS) कॅमेरे हे CMOS चे एक विशेष उपप्रकार आहेत जे संशोधन अनुप्रयोगांमध्ये कमी आवाज आणि उच्च-गती इमेजिंगसाठी डिझाइन केलेले आहेत.
CMOS सेन्सर कसे काम करतात? (रोलिंग विरुद्ध ग्लोबल शटरसह)
एका सामान्य CMOS सेन्सरचे ऑपरेशन आकृतीमध्ये दाखवले आहे आणि खाली दिले आहे. लक्षात ठेवा की खालील ऑपरेशनल फरकांमुळे, ग्लोबल विरुद्ध रोलिंग शटर CMOS कॅमेऱ्यांसाठी एक्सपोजरचा वेळ आणि ऑपरेशन वेगळे असेल.
आकृती: CMOS सेन्सरसाठी रीडआउट प्रक्रिया
टीप: मजकूरात चर्चा केल्याप्रमाणे, CMOS कॅमेऱ्यांसाठी रीडआउट प्रक्रिया 'रोलिंग शटर' आणि 'ग्लोबल शटर' कॅमेऱ्यांमध्ये वेगळी असते. दोन्ही बाबतीत, प्रत्येक पिक्सेलमध्ये एक कॅपेसिटर आणि अॅम्प्लिफायर असतो जो शोधलेल्या फोटोइलेक्ट्रॉन संख्येवर आधारित व्होल्टेज तयार करतो. प्रत्येक पंक्तीसाठी, प्रत्येक कॉलमसाठी व्होल्टेज एकाच वेळी कॉलम अॅनालॉग ते डिजिटल कन्व्हर्टरद्वारे मोजले जातात.
रोलिंग शटर
१. रोलिंग शटर CMOS सेन्सरसाठी, वरच्या रांगेपासून (किंवा स्प्लिटसेन्सर कॅमेऱ्यांसाठी मध्यभागी) सुरुवात करून, त्या रांगेचा एक्सपोजर सुरू करण्यासाठी रांगेतून चार्ज साफ करा.
२. 'लाइन टाइम' संपल्यानंतर (सामान्यत: ५-२० μs), पुढील ओळीत जा आणि चरण १ पासून संपूर्ण सेन्सर उघड होईपर्यंत पुन्हा करा.
३. प्रत्येक ओळीसाठी, एक्सपोजर दरम्यान शुल्क जमा होतात, जोपर्यंत त्या ओळीचा एक्सपोजर वेळ संपत नाही. सुरू होणारी पहिली ओळ प्रथम समाप्त होईल.
४. सलग एक्सपोजर पूर्ण झाल्यावर, रीडआउट कॅपेसिटर आणि अॅम्प्लिफायरमध्ये चार्जेस ट्रान्सफर करा.
५. त्या ओळीतील प्रत्येक अॅम्प्लिफायरमधील व्होल्टेज नंतर कॉलम एडीसीशी जोडला जातो आणि ओळीतील प्रत्येक पिक्सेलसाठी सिग्नल मोजला जातो.
६. रीडआउट आणि रीसेट ऑपरेशन पूर्ण होण्यासाठी 'लाइन टाइम' लागेल, त्यानंतर एक्सपोजर सुरू करण्यासाठी पुढील ओळ त्याच्या एक्सपोजर टाइमच्या शेवटी पोहोचेल आणि चरण ४ पासून प्रक्रिया पुनरावृत्ती होईल.
७. वरच्या ओळीचे वाचन पूर्ण होताच, खालच्या ओळीने सध्याच्या फ्रेमला उघड करण्यास सुरुवात केली असेल तर, वरच्या ओळीतून पुढील फ्रेमचे (ओव्हरलॅप मोड) एक्सपोजर सुरू होऊ शकते. जर एक्सपोजर वेळ फ्रेम वेळेपेक्षा कमी असेल, तर वरच्या ओळीने खालच्या ओळीने एक्सपोजर सुरू होण्याची वाट पाहिली पाहिजे. शक्य तितका कमी एक्सपोजर सामान्यतः एक ओळ वेळ असतो.
टक्सनचा FL 26BW कूल्ड CMOS कॅमेरासोनी IMX533 सेन्सर असलेले हे रोलिंग शटर तंत्रज्ञान वापरते.
ग्लोबल शटर
१. अधिग्रहण सुरू करण्यासाठी, संपूर्ण सेन्सरमधून एकाच वेळी चार्ज साफ केला जातो (पिक्सेल वेलचा ग्लोबल रीसेट).
२. एक्सपोजर दरम्यान चार्ज जमा होतो.
३. एक्सपोजरच्या शेवटी, गोळा केलेले चार्जेस प्रत्येक पिक्सेलमधील एका मास्क केलेल्या विहिरीमध्ये हलवले जातात, जिथे ते नवीन शोधलेले फोटॉन मोजल्याशिवाय वाचण्याची वाट पाहू शकतात. काही कॅमेरे या टप्प्यावर पिक्सेल कॅपेसिटरमध्ये चार्जेस हलवतात.
४. प्रत्येक पिक्सेलच्या मास्क केलेल्या भागात साठवलेले आढळलेले चार्जेस वापरून, पिक्सेलचे सक्रिय क्षेत्र पुढील फ्रेमचे (ओव्हरलॅप मोड) प्रदर्शन सुरू करू शकते.
५. मास्क केलेल्या क्षेत्रातून रीडआउट करण्याची प्रक्रिया रोलिंग शटर सेन्सर्सप्रमाणेच पुढे जाते: एका वेळी एका ओळीत, सेन्सरच्या वरून, मास्क केलेल्या विहिरीतून रीडआउट कॅपेसिटर आणि अॅम्प्लिफायरमध्ये चार्जेस हस्तांतरित केले जातात.
६. त्या रांगेतील प्रत्येक अॅम्प्लिफायरमधील व्होल्टेज कॉलम एडीसीशी जोडलेला असतो आणि रांगेतील प्रत्येक पिक्सेलसाठी सिग्नल मोजला जातो.
७. रीडआउट आणि रीसेट ऑपरेशन पूर्ण होण्यासाठी 'लाइन वेळ' लागेल, त्यानंतर चरण ५ पासून पुढील ओळीसाठी प्रक्रिया पुन्हा होईल.
८. सर्व ओळी वाचल्यानंतर, कॅमेरा पुढील फ्रेम वाचण्यासाठी तयार असतो आणि जर एक्सपोजर वेळ आधीच निघून गेला असेल तर चरण २ किंवा चरण ३ पासून प्रक्रिया पुन्हा केली जाऊ शकते.
टक्सेनचा लिब्रा ३४१२एम मोनो एससीएमओएस कॅमेराजागतिक शटर तंत्रज्ञानाचा वापर करते, ज्यामुळे हलणारे नमुने स्पष्ट आणि जलद कॅप्चर करता येतात.
CMOS सेन्सर्सचे फायदे आणि तोटे
फायदे
● जास्त वेग: CMOS सेन्सर सामान्यतः CCD किंवा EMCCD सेन्सरपेक्षा डेटा थ्रूपुटमध्ये 1 ते 2 ऑर्डर वेगवान असतात.
● मोठे सेन्सर्स: जलद डेटा थ्रूपुटमुळे पिक्सेल संख्या जास्त आणि दृश्य क्षेत्रे मोठी होतात, दहापट किंवा शेकडो मेगापिक्सेलपर्यंत.
● कमी आवाज: काही CMOS सेन्सर्समध्ये ०.२५e- पर्यंत कमी आवाज वाचता येतो, जो अतिरिक्त आवाज स्रोत जोडण्यासाठी चार्ज गुणाकाराची आवश्यकता नसताना EMCCDs ला टक्कर देतो.
● पिक्सेल आकाराची लवचिकता: ग्राहक आणि स्मार्टफोन कॅमेरा सेन्सर पिक्सेल आकार ~1 μm पर्यंत कमी करतात आणि 11 μm पर्यंत पिक्सेल आकाराचे वैज्ञानिक कॅमेरे सामान्य आहेत आणि 16 μm पर्यंत उपलब्ध आहेत.
● कमी वीज वापर: CMOS कॅमेऱ्यांच्या कमी पॉवर आवश्यकता त्यांना विविध प्रकारच्या वैज्ञानिक आणि औद्योगिक अनुप्रयोगांमध्ये वापरण्यास सक्षम करतात.
● किंमत आणि आयुष्यमान: कमी दर्जाचे CMOS कॅमेरे सामान्यतः CCD कॅमेऱ्यांसारखे किंवा कमी किमतीचे असतात आणि उच्च दर्जाचे CMOS कॅमेरे EMCCD कॅमेऱ्यांपेक्षा खूपच कमी किमतीचे असतात. त्यांचा अपेक्षित सेवा आयुष्य EMCCD कॅमेऱ्यापेक्षा खूपच जास्त असावा.
बाधक
● रोलिंग शटर: बहुतेक वैज्ञानिक CMOS कॅमेऱ्यांमध्ये रोलिंग शटर असते, जे प्रायोगिक कार्यप्रवाहात गुंतागुंत वाढवू शकते किंवा काही अनुप्रयोगांना वगळू शकते.
● उच्च गडद करेनt: बहुतेक CMOS कॅमेऱ्यांमध्ये CCD आणि EMCCD सेन्सर्सपेक्षा खूपच जास्त गडद प्रवाह असतो, कधीकधी दीर्घ एक्सपोजरवर (> 1 सेकंद) लक्षणीय आवाज निर्माण होतो.
आज कुठे CMOS सेन्सर वापरले जातात
त्यांच्या बहुमुखी प्रतिभेमुळे, CMOS सेन्सर्स विविध अनुप्रयोगांमध्ये आढळतात:
● ग्राहक इलेक्ट्रॉनिक्स: स्मार्टफोन, वेबकॅम, डीएसएलआर, अॅक्शन कॅम्स.
● जीवशास्त्र: CMOS सेन्सर्सची शक्तीमायक्रोस्कोपी कॅमेरेफ्लोरोसेन्स इमेजिंग आणि वैद्यकीय निदानांमध्ये वापरले जाते.
● खगोलशास्त्र: टेलिस्कोप आणि स्पेस इमेजिंग उपकरणे बहुतेकदा उच्च रिझोल्यूशन आणि कमी आवाजासाठी वैज्ञानिक CMOS (sCMOS) वापरतात.
● औद्योगिक तपासणी: ऑटोमेटेड ऑप्टिकल इन्स्पेक्शन (AOI), रोबोटिक्स आणिअर्धवाहक तपासणीसाठी कॅमेरेवेग आणि अचूकतेसाठी CMOS सेन्सर्सवर अवलंबून राहा.
● ऑटोमोटिव्ह: प्रगत ड्रायव्हर असिस्टन्स सिस्टीम (ADAS), रियर-व्ह्यू आणि पार्किंग कॅमेरे.
● देखरेख आणि सुरक्षा: कमी प्रकाश आणि गती शोध प्रणाली.
त्यांचा वेग आणि किफायतशीरपणा यामुळे CMOS मोठ्या प्रमाणात व्यावसायिक वापरासाठी आणि विशेष वैज्ञानिक कार्यासाठी एक उत्तम उपाय बनते.
CMOS आता आधुनिक मानक का आहे?
CCD वरून CMOS मध्ये होणारे स्थलांतर एका रात्रीत झाले नाही, परंतु ते अपरिहार्य होते. CMOS आता इमेजिंग उद्योगाचा आधारस्तंभ का आहे ते येथे आहे:
● उत्पादनाचा फायदा: मानक सेमीकंडक्टर फॅब्रिकेशन लाईन्सवर बांधलेले, खर्च कमी करते आणि स्केलेबिलिटी सुधारते.
● कामगिरीतील वाढ: रोलिंग आणि ग्लोबल शटर पर्याय, सुधारित कमी-प्रकाश संवेदनशीलता आणि उच्च फ्रेम दर.
● एकत्रीकरण आणि बुद्धिमत्ता: CMOS सेन्सर आता ऑन-चिप AI प्रोसेसिंग, एज कंप्युटिंग आणि रिअल-टाइम विश्लेषणाला समर्थन देतात.
● नवोपक्रम: स्टॅक्ड CMOS, क्वांटा इमेज सेन्सर्स आणि वक्र सेन्सर्स सारखे उदयोन्मुख सेन्सर प्रकार CMOS प्लॅटफॉर्मवर तयार केले जातात.
स्मार्टफोन पासून तेवैज्ञानिक कॅमेरे, CMOS हे जुळवून घेण्यायोग्य, शक्तिशाली आणि भविष्यासाठी तयार असल्याचे सिद्ध झाले आहे.
निष्कर्ष
CMOS सेन्सर्स बहुतेक इमेजिंग अनुप्रयोगांसाठी आधुनिक मानकांमध्ये विकसित झाले आहेत, कारण त्यांचे कार्यप्रदर्शन, कार्यक्षमता आणि खर्चाचे संतुलन आहे. दररोजच्या आठवणी टिपणे असो किंवा हाय-स्पीड वैज्ञानिक विश्लेषण करणे असो, CMOS तंत्रज्ञान आजच्या दृश्य जगाचा पाया प्रदान करते.
जागतिक शटर CMOS आणि sCMOS सारख्या नवकल्पनांमुळे तंत्रज्ञानाची क्षमता वाढत असल्याने, त्याचे वर्चस्व येत्या काही वर्षांतही कायम राहणार आहे.
वारंवार विचारले जाणारे प्रश्न
रोलिंग शटर आणि ग्लोबल शटरमध्ये काय फरक आहे?
रोलिंग शटर प्रतिमा डेटा ओळीनुसार ओळ वाचतो, ज्यामुळे जलद गतीने चालणारे विषय कॅप्चर करताना गती कलाकृती (उदा., तिरपे किंवा डगमगणे) होऊ शकतात.
ग्लोबल शटर संपूर्ण फ्रेम एकाच वेळी कॅप्चर करतो, ज्यामुळे गतीतील विकृती दूर होते. मशीन व्हिजन आणि वैज्ञानिक प्रयोगांसारख्या हाय-स्पीड इमेजिंग अनुप्रयोगांसाठी हे आदर्श आहे.
रोलिंग शटर CMOS ओव्हरलॅप मोड म्हणजे काय?
रोलिंग शटर CMOS कॅमेऱ्यांसाठी, ओव्हरलॅप मोडमध्ये, पुढील फ्रेमचे एक्सपोजर सध्याच्या फ्रेमचे पूर्ण होण्यापूर्वीच सुरू होऊ शकते, ज्यामुळे फ्रेम दर जास्त होतात. हे शक्य आहे कारण प्रत्येक ओळीचे एक्सपोजर आणि रीडआउट वेळेत स्थिर असतात.
हा मोड अशा अनुप्रयोगांमध्ये उपयुक्त आहे जिथे कमाल फ्रेम रेट आणि थ्रूपुट महत्त्वाचे असतात, जसे की हाय-स्पीड तपासणी किंवा रिअल-टाइम ट्रॅकिंग. तथापि, ते वेळ आणि सिंक्रोनाइझेशनची जटिलता किंचित वाढवू शकते.
टक्सन फोटोनिक्स कंपनी लिमिटेड. सर्व हक्क राखीव. उद्धृत करताना, कृपया स्त्रोताची कबुली द्या:www.tucsen.com
