آشکارساز CMOS: چشم الکترونیکی 👀
آشکارساز CMOS برای تشکیل تصویر در انواع دوربین های دیجیتال و اپتیکی استفاده می شود. امروزه CMOS ها به دلیل سرعت اسکن بالا، جایگاه ویژه ای دارند.
آشکارساز تصویر CMOS
CMOS: دستگاه نیمه هادی که به عنوان "چشم الکترونیکی" عمل می کند
انواع آشکارساز CMOS (نیمرسانای اکسید فلزی مکمل) برای تشکیل تصاویر در دوربین های دیجیتال، دوربین های فیلمبرداری دیجیتال و دوربین های مداربسته دیجیتال استفاده می شود.
این فناوری اپتیکی، در بخش های بینایی ماشین های روبات، تشخیص کاراکتر نوری (OCR)، پردازش عکس های ماهواره ای و در بهبود تصاویر رادار، به ویژه برای هواشناسی استفاده می شود.
امروزه CMOS ها به دلیل سرعت اسکن بالایی که دارند، جایگاه بسیار ویژه ای نیز در صنایع اپتیکی پیدا کرده اند، به ویژه در حوزه های اسپکتروفتومتری، تلسکوپ های نجومی، اسکنرها و بارکدخوان ها.
آشکارساز تصویر یا تصویرگر دستگاه یا قطعه ای اپتیکی-الکترونیکی است که اطلاعات مورد استفاده برای تشکیل یک تصویر را شناسایی و منتقل می کند.
یک تصویرگر این کار را با تبدیل امواج نور (هنگامی که از اجسام عبور می کنند یا بازتاب می شوند) به سیگنال های الکتریکی انجام می دهد و امواج می توانند نور مرئی یا سایر تشعشعات الکترومغناطیسی باشند.
دو نوع اصلی از حسگرهای تصویر الکترونیکی عبارت اند از: دستگاه های با بار جفت شده (CCD) و سنسورهای با پیکسل فعال (CMOS) که هر دو آشکارساز مبتنی بر فناوری فلز-اکسید-نیمه هادی (MOS) هستند.
در این مقاله با ما همراه باشید تا به طور اختصاصی نحوه عملکرد و بخش های مختلف تکنولوژی یک آشکارساز تصویر CMOS را مورد ارزیابی قرار دهیم.
تعریف آشکارساز تصویر CMOS
CMOS، مخفف عبارت Complementary Metal Oxide Semiconductor است (نیمرسانای اکسید فلزی مکمل) که یک تراشه الکترونیکی است که فوتون ها (بسته های نوری) را برای پردازش دیجیتال به الکترون (جریان الکتریکی) تبدیل می کند.
مانند سایر فناوری های نیمه هادی ها، تراشه های CMOS توسط فوتولیتوگرافی تولید می شوند. این تراشه ها دارای آرایه ای از سلول های کوچک هستند که فوتون ها را در طول موج های مختلفی که توسط عدسی متمرکز شده اند، به دام می اندازند و آنها را به الکترون تبدیل می کنند (بسیار شبیه به یک سلول خورشیدی کوچک).
سلول های CMOS توسط ترانزیستورهایی احاطه شده اند که بار الکترون های جمع شده توسط را تقویت می کنند (تقویت کننده های MOSFET) و آنها را به سراسر تراشه می فرستند.
یک مبدل دیجیتال به آنالوگ نیز در گوشه ای از دستگاه، الکترون ها را می خواند و بارهای مختلف سلول ها را به پیکسل هایی با رنگ های مختلف تبدیل می کند.
تاریخچه مختصری از CMOS
اصل عملکردی یک سنسور تصویر MOS (نیمه رسانای اکسید فلزی مکمل) در نیمه دوم دهه 1960 طراحی شد، اما این دستگاه تا زمانی که در دهه 1990 فناوری های میکروساخت به اندازه کافی پیشرفت نکرد، تجاری نشد.
در حقیقت، MOS نوعی از سنسورهای پیکسل فعال (APS) است که در سال 1968، توسط Peter J.W. Noble اختراع شد که هر سلول واحد دارای یک آشکارساز نوری (معمولا یک فتودیود پین شده) و یک یا چند ترانزیستور فعال است.
در سال 1969، Willard Boyle و George E. Smith در حین تحقیق در مورد فناوری فلز-اکسید-نیمه هادی (MOS) متوجه شدند که یک بار الکتریکی را می توان بر روی یک خازن کوچک ذخیره کرد، که به بلوک اصلی سازنده دستگاه بار جفت شده (CCD) تبدیل شد.
یکی از مشکلات فناوری CCD، نیاز آن به انتقال کامل بار برای خوانش بود که آنها را برای استفاده در شرایط کم نور، دماهای پایین، نرخ فریم بالا و در اندازه های آرایه ای بزرگ دشوار می کرد. به علاوه استفاده از آنها بر روی سیستم های تراشه ای و ساخت آن در مواد غیرسیلیکونی که پاسخ طول موج را افزایش می دهند، دشوار است.
در سال 1969، یک تیم تحقیقاتی در آزمایشگاه های RCA، یک حسگر تصویر حالت جامد با استفاده از ترانزیستورهای لایه نازک (TFT) برای آشکارساز نوری پیشنهاد کردند.
ابتدا در سال 1981، یک تصویرگر ماسفت N-کانالی (NMOS) با تقویت درون پیکسلی (با وضوح پایین و تقریباً دیجیتال) ارائه شد و در اواسط دهه 1980 مورد استفاده قرار گرفتند.
در این حسگرهای پیکسل فعال فلز-اکسید-نیمه هادی، ترانزیستورهای اثر میدانی MOS (MOSFET) به عنوان تقویت کننده استفاده می شوند و انواع مختلفی دارند که اکنون CMOS بسیار رایج تر است.
این سنسورهای تصویر به عنوان جایگزینی برای حسگرهای تصویر دستگاه های بار جفت شده (CCD) ظهور کردند و در نهایت تا اواسط دهه 2000 از آنها پیشی گرفتند.
CMOS، در سال 1980 اختراع شد و سپس در سال 1982، با افزودن ساختاری ضد اثر شکوفه (نشت بار در پیکسل ها)، به طور عمومی گزارش شد که ساختاری با تأخیر کم، نویز کم، راندمان کوانتومی بالا و جریان تاریک کم به همراه داشت.
اگرچه فناوری CCD در ابتدا به دلیل حساسیت و کیفیت تصویر برتر غالب بود، پیشرفت های مختلف در حسگرهای CMOS باعث شد که از سال 2004 به بعد، از سنسورهای CCD پیشی بگیرند.
عملکرد CMOS
هنگامی که یک طیف طول موج الکترومغناطیسی بر روی مواد نیمه هادی تابیده می شود، تعداد متغیری از الکترون ها متناسب با چگالی شار فوتونی که روی سطح یک فوتودیود فرود می آید، آزاد می شود.
در واقع، تعداد الکترون های تولید شده تابعی از طول موج و شدت نوری است که به نیمه هادی برخورد می کند. الکترون ها در یک چاه پتانسیل جمع آوری می شوند تا زمانی که دوره یکپارچه سازی (روشنایی) به پایان برسد.
سپس آنها یا به ولتاژ (پردازنده های CMOS) تبدیل می شوند. پس از تبدیل، ولتاژ از یک مبدل آنالوگ به دیجیتال عبور می کند، که یک نمایش الکترونیکی دیجیتال از صحنه تصویربرداری شده توسط سنسور را تشکیل می دهد.
در میکروسکوپ نوری و سیستم های اسپتروفتومتری، نور جمع آوری شده توسط یک عدسی شیئی بر روی سطح حسگر متمرکز می شود که حاوی آرایه ای دو بعدی از فتودیودهای یکسان است که عناصر تصویر یا پیکسل نامیده می شوند.
بنابراین، اندازه آرایه و ابعاد پیکسل، وضوح فضایی سنسور را تعیین می کنند. مدارهای مجتمع CMOS ذاتاً دستگاه های تک رنگ (سیاه و سفید) هستند که فقط به تعداد کل الکترون های انباشته شده در فوتودیودها پاسخ می دهند، نه به رنگ نور که باعث آزاد شدن آنها از بستر سیلیکونی می شود.
رنگ یا با عبور نور فرودی از یک سری فیلترهای قرمز، سبز و آبی متوالی یا با فیلترهای لایه نازک پلیمری شفاف مینیاتوری که به صورت موزاییکی روی آرایه پیکسلی قرار گرفته اند، تشخیص داده می شود.
عناصر کلیدی یک حسگر CMOS
فتودیودها هستند که اغلب به عنوان پیکسل شناخته می شوند، عناصر کلیدی یک حسگر تصویر دیجیتال هستند که حساسیت آنها، با حداکثر بار انباشته، راندمان تبدیل فوتون های فرودی به الکترون و قابلیت انباشت بار در یک منطقه محدود بدون نشت یا سرریز تعیین می شود.
این عوامل معمولاً از طریق اندازه فیزیکی و دیافراگم فوتودیود و رابطه فضایی و الکترونیکی آن با عناصر مجاور در آرایه تعیین می شود.
عامل مهم دیگر نسبت تبدیل بار به ولتاژ است که تعیین می کند چگونه بار الکترون یکپارچه شده به سیگنال ولتاژ قابل اندازه‌گیری و پردازش تبدیل شود.
فتودیودها معمولاً در یک شبکه متعامد سازماندهی می شوند که می تواند در اندازه های 128 × 128 پیکسل (16 K پیکسل) تا 1280 × 1024 رایج تر (بیش از یک میلیون پیکسل) باشد.
تعدادی از جدیدترین حسگرهای تصویر CMOS، مانند آنهایی که برای تلویزیون با وضوح بالا (HDTV) طراحی شده اند، حاوی چندین میلیون پیکسل هستند که در آرایه های بسیار بزرگ و با بیش از 2000 پیکسل مربعی سازماندهی شده اند.
سیگنال های تمام پیکسل هایی که هر ردیف و هر ستون از آرایه را تشکیل می دهند باید به‌طور دقیق شناسایی و اندازه گیری شوند (خوانده شوند) تا تصویری از داده های انباشتگی بار فتودیود جمع آوری شود.
آناتومی CMOS
مزیت عمده ای که حسگرهای تصویر CMOS نسبت به همتایان CCD خود از آن برخوردار هستند، توانایی ادغام تعدادی از عملکردهای پردازش و کنترل است که فراتر از وظیفه اصلی جمع آوری فوتون است و مستقیماً روی مدار مجتمع حسگر قرار دارد.
این ویژگی ها عموماً شامل منطق زمان بندی، کنترل نوردهی، تبدیل آنالوگ به دیجیتال، شاتر کردن، تراز سفیدی، تنظیم بهره و الگوریتم های پردازش اولیه تصویر است.
برای انجام همه این توابع، معماری مدار مجتمع CMOS بیشتر شبیه به یک سلول حافظه با دسترسی تصادفی است تا یک آرایه فتودیود ساده و محبوب ترین طرح ها، حول فناوری حسگر پیکسل فعال (APS) ساخته شده اند که در آن دیود نوری و تقویت‌کننده بازخوانی در هر پیکسل گنجانده شده اند.
این کار باعث می شود بار انباشته شده توسط فوتودیود به یک ولتاژ تقویت شده در داخل پیکسل تبدیل شود و سپس در ردیف ها و ستون های متوالی به بخش پردازش سیگنال آنالوگ تراشه منتقل شود.
بنابراین، هر پیکسل (یا عنصر تصویر برداری) علاوه بر یک فتودیود، شامل ترانزیستورهای سه گانه است که بار الکترون انباشته شده را به یک ولتاژ قابل اندازه گیری تبدیل می کند، دیود نوری را مجدد تنظیم می کند و ولتاژ را به یک گذرگاه ستونی عمودی منتقل می کند.
آرایه به دست آمده یک صفحه شطرنجی سازمان یافته از گذرگاه های بازخوانی فلزی است که حاوی یک دیود نوری و مدار آماده سازی سیگنال مرتبط در هر تقاطع است.
باس ها، سیگنال های زمان بندی را به دیودهای نوری اعمال می کنند و اطلاعات بازخوانی را به مدار رمزگشایی و پردازش آنالوگ که دور از آرایه فوتودیود قرار دارد، باز می گردانند. این طراحی سیگنال های هر پیکسل در آرایه را قادر می سازد با تکنیک های آدرس‌دهی ساده x و y خوانده شود، که با فناوری CCD فعلی امکان‌پذیر نیست.
به منظور تمرکز فوتون های فرودی در چاه های جمع آوری الکترون فوتودیود، فتودیودهای فیلتر شده نیز در زیر یک عدسی موزائیکی مینیاتوری قرار می گیرند که به عنوان آرایه میکرولنز یا عدسی شکل شناخته می شود.
از جمله وظایف دیگری که سنسور تصویر CMOS انجام می دهد، زمان بندی ساعت برای تولید شارژ گام به گام، جمع آوری ولتاژ، انتقال و وظایف اندازه گیری و همچنین پردازش تصویر و خروجی سیگنال های انباشته شده است.
آرایه فوتودیود
نگاهی دقیق تر به آرایه فتودیود، الگویی متوالی از فیلترهای قرمز، سبز و آبی را نشان می دهد که در یک الگوی موزاییکی (الگوی فیلتر Bayer، به نام مهندس Bryce E. Bayer) چیده شده اند.
این آرایه فیلتر رنگی برای گرفتن اطلاعات رنگ یا طول موج از نور تابشی که از یک سیستم نوری می رسد، طراحی شده است و در ردیف های متوالی مرتب شده اند.
در شکل زیر تصویر یک آرایه فیلتر معمولی بایر ارائه شده است که هر فیلتر قرمز با چهار فیلتر سبز و چهار فیلتر آبی احاطه شده است.
در حالی که هر فیلتر آبی توسط چهار فیلتر قرمز و چهار فیلتر سبز احاطه شده است. در مقابل، هر فیلتر سبز با دو فیلتر قرمز، چهار فیلتر سبز و دو فیلتر آبی احاطه شده است.
تعداد کل فیلترهای سبز موجود در آرایه، با مجموع تعداد فیلترهای قرمز و آبی برابر می شود. تعداد بیشتر فیلترهای سبز به دلیل واکنش بصری انسان است که حداکثر حساسیت را در ناحیه طول موجی 550 نانومتر (سبز) طیف مرئی دارد.
آرایه میکرو لنزها
در شکل زیر نشان داده شده است که بخش کوچکی از آرایه میکرولنز (که به آن لنزک یا لنز کوچک نیز گفته می شود) توسط فوتولیتوگرافی بر روی سطح فیلترهای Bayer رسوب کرده و به گونه ای تراز شده است که هر عدسی بر روی یک فیلتر جداگانه قرار گیرد.
شکل عناصر لنز مینیاتوری به شکل محدب است که برای متمرکز کردن نور فرودی مستقیماً در ناحیه حساس به نور دیود عمل می کند.
در زیر فیلتر Bayer و آرایه های میکرولنز، دیودهای نوری قرار دارند که در شکل زیر به صورت چهار مجموعه کامل فوتودیود یا واحد پیکسلی نشان داده شده اند.
جعبه های سفید با حروف P و T مشخص می شوند که به ترتیب به مجموعه فوتون (حساس به نور) اشاره می کنند و از نواحی ترانزیستوری پیکسل پشتیبانی می کنند.
اکثریت ناحیه پیکسلی (تقریباً 70 درصد) به ترانزیستورهای پشتیبانی (تقویت کننده، تنظیم مجدد و انتخاب ردیف) اختصاص داده شده است که نسبت به نور مرئی مات هستند و نمی توان از آنها برای تشخیص فوتون استفاده کرد.
این بخش، اکثر فوتون های برخوردی با سازه ها را جذب یا منعکس می کنند و می‌توانند منجر به اثرات نامطلوب مانند رنگ بندی، تداخل پیکسلی، پراکندگی نور و پراش شوند.
بسیاری از سنسورهای CMOS دارای یک پوشش پلی‌آمید زرد رنگ هستند که در طول ساخت استفاده می شود که بخش قابل‌توجهی از طیف هایی را پیش از رسیدن فوتون ها به ناحیه فوتودیود جذب می کند.
طول موج های کوتاه تر، در چند میکرون اول ناحیه حساس به نور جذب می شوند، اما طول موج های طولانی‌تر قبل از جذب کامل، به تدریج به عمق های بیشتری فرو می روند.
30 درصد باقیمانده از ناحیه پیکسلی (جعبه سفید کوچکتر با برچسب P)، به بخش حساس به نور پیکسل اختصاص دارد که در شکل نمایش داده شده است.
اندازه پیکسل
اندازه پیکسل CMOS ها در چند سال گذشته همواره رو به کاهش بوده است، از پیکسل های غول پیکر 10 تا 20 میکرونی که در اواسط دهه 1990 حکومت می کردند تا سنسورهای 6 تا 8 میکرونی که در حال حاضر بازار را فرا گرفته اند.
تقاضای بیشتر برای دستگاه های تصویربرداری الکترونیکی مینیاتوری، مانند دوربین های نظارتی و تلفن، طراحان را بر آن داشته است که اندازه پیکسل ها را حتی بیشتر کاهش دهند.
سنسورهای تصویر دارای پیکسل های 4 تا 5 میکرون در دستگاه هایی با آرایه های کوچک تر استفاده می شوند، اما تراشه های چند مگاپیکسلی به اندازه پیکسل هایی در محدوده 3 تا 4 میکرون نیاز دارند.
برای دستیابی به این ابعاد، سنسورهای تصویر CMOS باید بر روی خطوط ساخت 0.25 میکرون یا باریک تر تولید شوند. با استفاده از عرض خطوط باریک تر، ترانزیستورهای بیشتری را می توان در هر عنصر پیکسلی قرار داد.
تفاوت سنسورهای CMOS و CCD چیست؟
تراشه های CMOS و CCD هر دو نور را از طریق مکانیزم‌های مشابه، با بهره‌گیری از اثر فوتوالکتریک، حس می کنند و زمانی اتفاق می افتد که فوتون ها با سیلیکون متبلور تعامل می کنند تا الکترون ها را از نوار ظرفیت به نوار رسانایی هدایت کنند.
توجه داشته باشید که اصطلاح "CMOS" به فرآیند تولید حسگر تصویر اشاره دارد و نه یک فناوری تصویربرداری خاص.
تفاوت اصلی بین یک سنسور CMOS و یک سنسور CCD این است که سنسور اولی یک تقویت کننده در هر پیکسل دارد. از جمله مزایای عمده این حسگرها، مصرف انرژی کم و منبع تغذیه تک ولتاژ آنها است.
برخلاف CMOS، سلول های CCD توسط ترانزیستور احاطه نشده اند و باید برای جمع آوری نور به طور فعال انرژی مصرف کنند و همین باعث می شود که مصرف انرژی بیشتری داشته باشند.
سخن پایانی
سنسورهای تصویرگر CMOS بر روی فرآیندهای استاندارد سیلیکونی و با حجم بالا ساخته می شوند و مزیت فوق‌العاده آنها این است که مدارهای منطقی دیجیتال، درایورهای ساعت، شمارنده ها و مبدل های آنالوگ به دیجیتال را می توان بر روی یک پایه سیلیکونی و همزمان با آرایه فوتودیود قرار داد.
فهرست کاربردهای حسگرهای تصویر CMOS در چند سال گذشته به طور چشمگیری افزایش یافته است. از اواخر دهه 1990، به طور فزاینده ای در دستگاه های فکس، اسکنر، دوربین های امنیتی، اسباب بازی‌ها، دوربین های رایانه های شخصی کاربرد داشته اند.
احتمالاً در سال های آینده، این حسگرهای همه کاره در تلفن های همراه، بارکدخوان ها، ماوس های نوری، خودروها و شاید حتی لوازم خانگی ظاهر خواهند شد.
حسگرهای CMOS به دلیل توانایی آنها در گرفتن تصاویر متوالی با نرخ فریم بالا، به طور فزاینده ای برای بازرسی صنعتی، اسپکتروفتومتری، سیستم های تسلیحاتی، دینامیک سیالات و تشخیص پزشکی مورد استفاده قرار می گیرند.
