سنسور تصویر CMOS چیست؟ عمیق درک کنید

از تلفن های هوشمند گرفته تا اتومبیل های خودران تا تجهیزات بازرسی صنعتی ، تقریباً تمام دستگاه هایی که تصاویر دیجیتالی را ضبط می کنند به یک فناوری اصلی متکی هستند: سنسور تصویر CMOS (CIS). این مسئول تبدیل نور به سیگنال های دیجیتالی است که توسط دستگاه های الکترونیکی قابل تشخیص و پردازش هستند.

بنابراین ، یک سنسور تصویر CMOS چیست؟ ساختار داخلی آن چیست؟ چگونه نور به یک تصویر دیجیتال تبدیل می شود؟ چرا CCD را جایگزین کرده و به جریان اصلی تبدیل شده است؟ در این مقاله ، درک عمیقی از سنسورهای تصویر CMOS ، تجزیه و تحلیل اصول کار ، مؤلفه های کلیدی ، مزایا و تکامل فناوری فعلی ، به شما ارائه می شود.

یک سنسور تصویر CMOS یک وسیله نیمه هادی است که از فناوری مکمل اکسید هادی (CMOS) مکمل استفاده می کند تا نور حادثه (فوتون ها) را به سیگنال های الکتریکی تبدیل کند و در نهایت یک تصویر دیجیتالی را تشکیل می دهد.

به عبارت ساده تر ، یک سنسور تصویر CMOS یک تراشه مدار یکپارچه با هزاران واحد کوچک و حساس به نام Pixels است که به طور متراکم روی سطح آن بسته بندی شده است. هر پیکسل می تواند نور را تشخیص داده و آن را به یک بار الکتریکی تبدیل کند ، که سپس از طریق مدارهای ادغام شده بر روی تراشه به داده های دیجیتالی تبدیل می شود و در نهایت تصویر دیجیتالی را که می بینیم تشکیل می دهد.

what is cmos sensor

نکته اصلی درک نحوه کار سنسورهای تصویر CMOS درک نحوه عملکرد آنها در سطح پیکسل و نحوه خواندن سیگنال است.

تبدیل فوتوالکتریک (photodiode):
در قلب هر پیکسل یک فتودودیود است. هنگامی که نور (فوتون) به یک فتودودود حمله می کند ، جفت های سوراخ الکترون تولید می شوند ، جایی که الکترون ها جمع آوری می شوند و بار تولید می شوند. هرچه نور حادثه قوی تر باشد ، در زمان قرار گرفتن در معرض معین ، بار بیشتری نیز جمع می شود.

انباشت و تبدیل شارژ:
مقدار بار جمع آوری شده توسط یک فوتودیود متناسب با شدت نور است. این هزینه ها به طور موقت در خازن اتصالی فوتودیود ذخیره می شوند. هنگام خواندن ، این بارهای انباشته به سیگنال ولتاژ تبدیل می شوند.

سنسور پیکسل فعال (APS):
این تفاوت اساسی بین سنسورهای CMOS و سنسورهای سنتی CCD است. در یک سنسور CMOS ، هر پیکسل حاوی مدار فعال خود است که معمولاً از چندین ترانزیستور (معمولاً معماری 3T یا 4T) تشکیل شده است. این ترانزیستورها توابع کلیدی را در داخل پیکسل انجام می دهند:

تنظیم مجدد ترانزیستور:برای پاک کردن بار از آخرین قرار گرفتن در معرض در فتودودیود در آماده سازی برای یک چرخه قرار گرفتن در معرض جدید استفاده می شود.
دنبال کننده منبع\/ترانزیستور تقویت کننده:بار انباشته شده در فوتودودود را به یک سیگنال ولتاژ تبدیل می کند و برای کاهش نویز و افزایش استحکام سیگنال بافر یا تقویت اولیه را انجام می دهد.
ردیف ترانزیستور را انتخاب کنید:به عنوان سوئیچ عمل می کند تا مدارهای خواندن خارجی به سیگنال ردیف که پیکسل در آن قرار دارد دسترسی پیدا کند.
(در معماری 4T) ترانزیستور دروازه انتقال:در یک پیکسل 4T ، فوتودیود بار را به انتشار شناور منتقل می کند ، که سپس به پیرو منبع وصل می شود. این دروازه انتقال به بهبود راندمان تبدیل فوتوالکتریک و کاهش نویز کمک می کند.

خواندن موازی و تبدیل آنالوگ به دیجیتال (ADC):
از آنجا که هر پیکسل حاوی مدارهای فعال است ، سنسورهای CMOS را می توان به صورت موازی خواند. این بدان معنی است که چندین ردیف یا ستون پیکسل می توانند همزمان سیگنال ها را بخوانند و هر سیگنال پس از عبور از یک تقویت کننده (معمولاً در خود پیکسل یا انتهای ستون) به یک مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) منتقل می شود.

بر خلاف CCD ، سنسورهای CMOS معمولاً ADC را مستقیماً در تراشه سنسور ادغام می کنند و حتی می توانند ADC های مستقل را برای هر ستون یا هر گروه پیکسل پیکربندی کنند و از این طریق به سرعت خواندن داده های بسیار بالایی دست یابند. ADC سیگنال ولتاژ آنالوگ را به مقادیر دیجیتال تبدیل می کند ، که داده های پیکسل تصویر نهایی هستند.

تراشه سنسور تصویر کامل CMOS شامل چندین ماژول عملکردی است:

آرایه پیکسل:یک شبکه دو بعدی که به طور متراکم با فوتودیودها و ترانزیستورهای فعال بسته بندی شده است ، که منطقه اصلی ضبط تصویر است.
آرایه فیلتر رنگی (CFA):واقع در بالای آرایه پیکسل ، معمولاً الگوی بایر را اتخاذ می کند ، و هر پیکسل فقط به یکی از سه رنگ قرمز ، سبز و آبی اجازه می دهد تا از آن عبور کند. به این ترتیب ، هر پیکسل فقط شدت نور یک رنگ خاص را ثبت می کند ، و سپس دموزایی سازی از طریق انجام می شودISPبرای بازسازی تصویر رنگ.
میکرولنس ها:هر پیکسل واقع در بالای فیلتر رنگ ، با یک میکرولن مطابقت دارد ، که برای تمرکز بیشتر نور بر روی فوتودیود هر پیکسل برای بهبود استفاده از نور استفاده می شود.
رمزگشایی ردیف\/ستون:مورد استفاده برای خطاب دقیق و انتخاب ردیف یا ستون پیکسل برای خواندن.
مدار خواندن:شامل تقویت کننده های سطح پیکسل (پیروان منبع) ، تقویت کننده ستون و ADC های یکپارچه شده در تراشه برای تبدیل سیگنال های آنالوگ به سیگنال های دیجیتال.
منطق زمان بندی و کنترل:مدیریت زمان کل عملکرد سنسور ، از جمله قرار گرفتن در معرض ، تنظیم مجدد ، خواندن و غیره.
رابط خروجی دیجیتال:داده های تصویر دیجیتال پردازش شده را به یک پردازنده سیگنال تصویر خارجی (ISP) یا کنترل کننده میزبان منتقل می کند.

Key Components Of A CMOS Image Sensor

قبل از افزایش سنسورهای CMOS ، سنسورهای CCD (دستگاه همراه با بار) جریان اصلی تصویربرداری دیجیتال بودند. سنسورهای CCD مانند "رله سطل" کار می کنند: شارژ جمع آوری شده توسط هر پیکسل به پیکسل های مجاور یک به یک منتقل می شود تا اینکه به یک گره بازخوانی در لبه تراشه برای تبدیل برسد. این روش خواندن سریال محدودیت های ذاتی را به همراه دارد.

سنسورهای CMOS به دلیل معماری منحصر به فرد خود ، مزایای قابل توجهی در مورد سنسورهای CCD دارند و آنها را ایجاد می کننداولین انتخاب برای اکثر ماژول های دوربینامروز:

سرعت بالاتر:خواندن موازی CMOS اجازه می دهد تا چندین ردیف یا ستون داده ها را به طور همزمان پردازش ، که بسیار سریعتر از خواندن سریال CCD است ، بنابراین aنرخ فریم بالاترقابل دستیابی است
مصرف انرژی پایین:سنسورهای CMOS تبدیل بار به ولتاژ را در داخل پیکسل انجام می دهند ، و فرآیند خواندن نیازی به جابجایی مقدار زیادی شارژ به اندازه CCD ندارد ، بنابراین مصرف برق به طور قابل توجهی کاهش می یابد و آن را برای دستگاه های باتری بسیار مناسب می کند (مانند تلفن های هوشمند).
هزینه پایین:سنسورهای CMOS را می توان با استفاده از فرآیندهای استاندارد ساخت نیمه هادی تولید کرد که مقرون به صرفه تر و برای تولید انبوه آسان تر است.
ادغام بالاتر:بر اساس فناوری CMOS ، سنسورهای تصویر می توانند به راحتی با منطق کنترل ، ADC و حتی برخی از عملکردهای ISP در یک تراشه یکپارچه شوند تا یک "دوربین بر روی تراشه" تشکیل شود ، از این طریق اجزای خارجی را کاهش می دهد و پیچیدگی و هزینه سیستم را کاهش می دهد.
کمرنگ\/شکوفه کمتر:از آنجا که هر پیکسل به طور مستقل خوانده می شود ، سنسورهای CMOS کمتر مستعد ابتلا به اسمیر CCD (رگه های سفید عمودی) و شکوفه (لکه های سفید که از مناطق روشن پخش می شوند) در نور روشن هستند.
خواندن انعطاف پذیر:سنسورهای CMOS می توانند مناطق خاصی (ROI) را بدون خواندن کل سنسور بخوانند.

اثر شاتر نورد:بیشتر سنسورهای CMOS از خواندن شاتر نورد استفاده می کنند ، که ممکن است هنگام شلیک اشیاء سریع حرکت ، تحریف تصویر را ایجاد کند. با این حال ، با توسعه فناوری ،شاتر جهانیسنسورهای CMOS پدید آمده اند ، این مشکل را حل کرده و در زمینه های صنعتی و حرفه ای بسیار مورد استفاده قرار می گیرد.مقاله در مورد شاتر جهانی در مقابل شاتر نورد.

از نظر تاریخی سر و صدای بالاتر:سنسورهای اولیه CMOS به دلیل ادغام ترانزیستورها در هر پیکسل ، سر و صدای اضافی را معرفی کردند. با این حال ، با پیشرفت فرآیندهای تولید و فن آوری های کاهش نویز (مانند ادغام CD های نمونه برداری دوتایی همبسته در پیکسل ها) ، سنسورهای مدرن CMOS پیشرفت های بزرگی را در کنترل نویز ایجاد کرده اند ، حتی از برخی جنبه ها نیز از CCD پیشی گرفته اند.

فناوری سنسور تصویر CMOS هنوز در حال تحول است ، و در اینجا برخی از نوآوری های مهم وجود دارد:

روشنایی پشتی (BSI):سنسورهای سنتی CMOS (جلوی آن) سیم کشی فلزی و ترانزیستورها را در بالای فتودودیود قرار می دهند و برخی از نور را مسدود می کنند. فناوری BSI لایه سیم کشی را در زیر یا به قسمت پشتی فوتودیود حرکت می دهد و به نور اجازه می دهد تا به طور مستقیم و کارآمدتر به منطقه حساس تر برسد ، به طور قابل توجهی باعث بهبود حساسیت و کارایی کوانتومی می شود ، به خصوصدر محیط های کم نور، و یکی از ویژگی های استاندارد ماژول های مدرن دوربین تلفن های هوشمند است.
CMO های انباشته:توسعه بیشتر فناوری BSI. این تراشه آرایه پیکسل و تراشه پردازش منطق (از جمله ISP و ذخیره سازی و غیره) را به طور جداگانه تولید می کند ، سپس آنها را جمع می کند و آنها را با اتصالات کوچک متصل می کند. این ساختار انباشت سه بعدی نه تنها سنسور را کوچکتر می کند ، بلکه سرعت پردازش سریعتر و عملکردهای بیشتر در تراشه را نیز امکان پذیر می کند.
CMO های شاتر جهانی:به طور خاص برای برنامه هایی که نیاز به ضبط تصاویر با حرکت با سرعت بالا دارند ، طراحی شده است ، حافظه ای را برای ذخیره بار در هر پیکسل می افزاید تا همه پیکسل ها به طور همزمان در معرض قرار بگیرند و اثر کرکره نورد را حل کنند.

Advanced CMOS Technologies

سنسور تصویر CMOS (CIS) ، به عنوان فناوری اصلی برای تبدیل نور به تصاویر دیجیتال ، به مزایای سرعت بالا ، مصرف کم مصرف ، هزینه کم و ادغام بالا از طریق معماری پیکسل فعال منحصر به فرد خود و قابلیت خواندن موازی می رسد. اگرچه چالش هایی مانند نورد شاتر وجود داشت ، با نوآوری مداوم فن آوری های پیشرفته مانند کرکره پشتی ، انباشته و جهانی ، سنسورهای CMOS بر مضرات تاریخی خود غلبه کرده اند ، به یک جهش در عملکرد رسیده اند و در برنامه های مختلف تصویربرداری دیجیتالی یک موقعیت غالب مطلق را اشغال کرده اند.

درک عمیق از اصول و ویژگی های سنسورهای تصویر CMOS اولین گام مهم برای هر توسعه دهنده محصول یا سیستم است که در آن درگیر استماژول های دوربینبشر این "چشم های الکترونیکی" ریز و درشت است که به دستگاه های مدرن توانایی مشاهده و درک جهان را می دهد.

1. سنسور تصویر CMOS با چه طولانی طول می کشد؟ آیا فرسوده خواهد شد؟
A.سنسورهای تصویر CMOS دستگاه های نیمه هادی حالت جامد و بدون قطعات سایش مکانیکی هستند. در شرایط عملیاتی عادی (در محدوده طراحی مانند دما و ولتاژ) ، عمر آنها بسیار طولانی است ، معمولاً بسیار فراتر از عمر محصولی است که در آن یکپارچه شده اند. تخریب عملکرد آن عمدتاً ناشی از افزایش جریان تاریک انباشته شده در مدت زمان طولانی (به عنوان افزایش نویز) است ، اما این معمولاً یک فرایند بسیار کند است و در زندگی محصولات مصرفی قابل توجه نیست. گرمای شدید یا تابش ممکن است پیری را تسریع کند.

2. سنسورهای CMOS مستعد آسیب یا "سوختن" مانند فیلم سنتی هستند؟
A.سنسورهای CMOS به طور کلی از سنسورهای سنتی یا سنسورهای اولیه CCD با دوام تر هستند ، اما کاملاً "غیر قابل تخریب" نیستند. در نور مستقیم بسیار قوی (مانند اشاره مستقیم به خورشید ، پرتوهای لیزر) ، قرار گرفتن در معرض اشباع طولانی مدت ممکن است باعث آسیب دائمی پیکسل ها (پیکسل های مرده یا لکه های داغ) شود یا باعث ایجاد اثر "سوختگی" شود. بنابراین ، از ماژول های دوربین باید برای مدت طولانی در معرض نور شدید جلوگیری شود.

3. حد کوچک سازی سنسورهای تصویر CMOS چقدر است؟
A.کوچک سازی سنسورهای تصویر CMOS با قوانین فیزیک و فرآیندهای تولید محدود است. هنگامی که اندازه پیکسل به میزان معینی کاهش می یابد ، کارایی جمع آوری فوتون کاهش می یابد ، نویز نسبتاً افزایش می یابد و اثر کوانتومی آشکارتر می شود و در نتیجه کاهش کیفیت تصویر می شود. در عین حال ، ادغام مدارهای کافی (مانند ترانزیستورها) و دستیابی به اتلاف گرمای کارآمد در اندازه های بسیار کوچک بسیار دشوار می شود. با وجود این ، تولید کنندگان هنوز در حال بررسی مواد و سازه های جدید (مانند انباشته ، BSI پیشرفته تر) هستند تا بتوانند این محدودیت ها را برآورده کنند تا نیازهای دوربین های آندوسکوپی کوچکتر یا دستگاه های پوشیدنی را برآورده کنند.