سنسور CMOS چیست؟ ساختار، طرز کار و تفاوت آن با CCD

حسگر تصویر قطعه ای الکترونیکی است که نور را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند و اطلاعات لازم برای ساختن یک تصویر را فراهم می کند. این نور می تواند نور مرئی یا سایر امواج الکترومغناطیسی باشد که از اجسام بازتاب شده یا از آنها عبور کرده است.

دو نوع اصلی حسگرهای تصویر آرایه ای عبارت اند از CCD (دستگاه جفت شده با بار) و CMOS (حسگر پیکسل فعال). هر دو بر پایه فناوری فلز اکسید نیمه رسانا (MOS) ساخته می شوند. امروزه سنسور CMOS به پرکاربردترین حسگر تصویر جهان تبدیل شده و در گوشی های هوشمند، دوربین های دیجیتال، دوربین های مداربسته، بینایی ماشین، تصویربرداری پزشکی و دستگاه های طیف سنجی مانند اسپکتروفتومتر ها به کار می رود.

در این مقاله به طور اختصاصی با ساختار، طرز کار و تاریخچه سنسور CMOS و تفاوت آن با CCD آشنا می شوید.

سنسور CMOS چیست؟

CMOS مخفف Complementary Metal Oxide Semiconductor به معنای نیمه رسانای اکسید فلزی مکمل است. سنسور CMOS یک تراشه الکترونیکی است که فوتون ها را به بار الکتریکی تبدیل می کند تا به صورت دیجیتال پردازش شوند.

این تراشه ها مانند سایر تراشه های نیمه رسانا با روش فوتولیتوگرافی ساخته می شوند و از آرایه ای از سلول های بسیار کوچک به نام پیکسل تشکیل شده اند. هر پیکسل، مانند یک سلول خورشیدی بسیار کوچک، فوتون هایی را که توسط عدسی روی آن متمرکز شده جذب کرده و به الکترون تبدیل می کند.

در کنار هر پیکسل، ترانزیستور هایی قرار دارند که بار جمع شده را تقویت کرده و به ولتاژ تبدیل می کنند. سپس یک مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) این ولتاژها را به اعداد دیجیتال تبدیل می کند تا تصویر نهایی ساخته شود.

نکته مهم این است که اصطلاح «CMOS» در واقع به فرایند ساخت تراشه اشاره دارد، همان فرایندی که برای ساخت پردازنده ها و حافظه ها استفاده می شود، نه به یک روش تصویربرداری خاص.

تاریخچه سنسور CMOS

• دهه ۱۹۶۰: ایده حسگرهای تصویر MOS مطرح شد و در سال ۱۹۶۸، پیتر نوبل طرحی از یک حسگر تصویر با تقویت کننده درون پیکسل ارائه کرد. اما فناوری ساخت آن زمان برای تولید چنین حسگرهایی کافی نبود.

• سال ۱۹۶۹: ویلارد بویل و جرج اسمیت در آزمایشگاه های بل، CCD را اختراع کردند. آنها در سال ۲۰۰۹ به خاطر این اختراع جایزه نوبل فیزیک را دریافت کردند. CCD به مدت چند دهه به دلیل کیفیت تصویر بالاتر، فناوری غالب تصویربرداری بود.

• سال ۱۹۸۰: فتودیود پین شده در شرکت NEC ژاپن اختراع شد و در سال ۱۹۸۲ با ساختار ضد شکوفایی (جلوگیری از سرریز بار به پیکسل های مجاور) معرفی شد. این فتودیود با نویز کم، بازده کوانتومی بالا و جریان تاریکی کم، بعدها به جزء اصلی سنسورهای CMOS تبدیل شد.

• دهه ۱۹۸۰: نخستین حسگرهای تصویر MOS با تقویت درون پیکسلی ساخته شدند.

• دهه ۱۹۹۰: اریک فوسوم و همکارانش در آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا (JPL)، سنسور CMOS پیکسل فعال مدرن را توسعه دادند. همزمان با پیشرفت فناوری ساخت تراشه، سنسورهای CMOS تجاری شدند.

• اواسط دهه ۲۰۰۰: سنسورهای CMOS از نظر تعداد فروش از CCD پیشی گرفتند و امروزه تقریبا همه دوربین های مصرفی از CMOS استفاده می کنند.

سنسور CMOS چگونه کار می کند؟

1. جذب نور: وقتی نور به فتودیود هر پیکسل می تابد، الکترون هایی متناسب با تعداد فوتون های برخوردی آزاد می شوند. تعداد الکترون های تولید شده به شدت نور و طول موج آن بستگی دارد.

2. جمع آوری بار: الکترون ها در یک چاه پتانسیل درون پیکسل جمع می شوند تا زمان نوردهی (زمان انتگرال گیری) به پایان برسد.

3. تبدیل بار به ولتاژ: ترانزیستورهای درون هر پیکسل، بار جمع شده را به ولتاژ تبدیل و تقویت می کنند.

4. خوانش: ولتاژ پیکسل ها، ردیف به ردیف، از طریق خطوط ستونی خوانده می شود.

5. تبدیل آنالوگ به دیجیتال: مبدل ADC روی همان تراشه، ولتاژها را به اعداد دیجیتال تبدیل می کند که نمایش دیجیتال صحنه است.

در دوربین ها و میکروسکوپ ها، نور توسط یک عدسی روی آرایه دوبعدی پیکسل ها متمرکز می شود. اندازه آرایه و ابعاد پیکسل ها، وضوح فضایی سنسور را تعیین می کنند. در بسیاری از طیف سنج ها و اسپکتروفتومترها نیز از آرایه خطی یا دوبعدی CMOS استفاده می شود؛ نور پس از تجزیه توسط توری پراش، طول موج های مختلف را روی پیکسل های مختلف می اندازد و کل طیف به طور همزمان ثبت می شود.

رنگ در سنسور CMOS

سنسورهای CMOS ذاتا تک رنگ (سیاه و سفید) هستند و فقط تعداد الکترون های جمع شده را اندازه می گیرند، نه رنگ نوری که آنها را آزاد کرده است. برای ثبت رنگ، روی پیکسل ها یک موزاییک از فیلترهای رنگی قرمز، سبز و آبی قرار داده می شود.

اجزای کلیدی سنسور CMOS

فتودیود (پیکسل)

فتودیودها عناصر اصلی سنسور CMOS هستند. عملکرد هر فتودیود به این عوامل بستگی دارد:

• ظرفیت بار: بیشترین تعداد الکترونی که پیکسل می تواند بدون سرریز در خود نگه دارد.

• بازده کوانتومی: درصد فوتون هایی که به الکترون تبدیل می شوند.

• جلوگیری از نشت و سرریز بار به پیکسل های مجاور.

این ویژگی ها به اندازه فیزیکی فتودیود، دهانه آن و ارتباطش با عناصر مجاور در آرایه بستگی دارند.

ضریب تبدیل بار به ولتاژ

یکی دیگر از عوامل مهم، ضریب تبدیل است که تعیین می کند بار جمع شده با چه نسبتی به ولتاژ قابل اندازه گیری تبدیل شود.

ساختار پیکسل فعال

معماری سنسور CMOS بیشتر شبیه یک حافظه با دسترسی تصادفی است تا یک آرایه ساده فتودیود. در طرح رایج پیکسل فعال (APS)، هر پیکسل علاوه بر فتودیود، چند ترانزیستور دارد که این وظایف را انجام می دهند:

• تبدیل بار به ولتاژ و تقویت آن

• ریست کردن فتودیود پیش از نوردهی بعدی

• انتخاب ردیف و انتقال ولتاژ به خط ستونی

پیکسل ها در یک شبکه از خطوط افقی و عمودی قرار گرفته اند. به همین دلیل می توان هر پیکسل را با آدرس دهی x و y مستقیما خواند؛ قابلیتی که در CCD وجود ندارد. سنسور CMOS علاوه بر جمع آوری نور، وظایفی مانند زمان بندی، کنترل نوردهی، تبدیل آنالوگ به دیجیتال و پردازش اولیه تصویر را نیز روی همان تراشه انجام می دهد.

فیلتر بایر

در بیشتر سنسورهای رنگی، فیلترهای قرمز، سبز و آبی در یک الگوی موزاییکی به نام فیلتر بایر چیده شده اند که به نام برایس بایر، مهندس شرکت کداک، نام گذاری شده است.

در این الگو:

• هر فیلتر قرمز با چهار فیلتر سبز در کنار و چهار فیلتر آبی در گوشه ها احاطه شده است.

• هر فیلتر آبی با چهار فیلتر سبز در کنار و چهار فیلتر قرمز در گوشه ها احاطه شده است.

• هر فیلتر سبز با دو فیلتر قرمز، دو فیلتر آبی و چهار فیلتر سبز احاطه شده است.

تعداد فیلترهای سبز برابر مجموع فیلترهای قرمز و آبی، یعنی ۵۰ درصد کل پیکسل ها، است. دلیل این موضوع، حساسیت بیشتر چشم انسان به نور سبز (در حدود ۵۵۵ نانومتر) است. نرم افزار دوربین با ترکیب اطلاعات پیکسل های مجاور، رنگ کامل هر نقطه از تصویر را محاسبه می کند.

آرایه میکرولنز

روی فیلترهای رنگی، یک آرایه از میکرولنزهای بسیار کوچک و محدب قرار دارد که هر کدام دقیقا بالای یک پیکسل تراز شده اند. این عدسی ها نوری را که به بخش های غیرحساس پیکسل می رسید، به سمت ناحیه حساس فتودیود هدایت می کنند و حساسیت سنسور را افزایش می دهند.

ضریب پرشدگی و سنسورهای BSI

در سنسورهای CMOS قدیمی، بخش بزرگی از سطح هر پیکسل، گاهی تا حدود ۷۰ درصد، توسط ترانزیستورها و سیم های فلزی اشغال می شد که نسبت به نور مات هستند. این قسمت ها نور را جذب یا بازتاب می کنند و باعث کاهش حساسیت، تداخل بین پیکسل ها و پراکندگی نور می شوند. به درصد سطح حساس به نور هر پیکسل، ضریب پرشدگی (Fill Factor) گفته می شود.

برای حل این مشکل، سنسورهای نوردهی از پشت (BSI) توسعه یافتند. در این سنسورها، تراشه برعکس قرار می گیرد و نور از پشت آن، بدون عبور از لایه های فلزی و ترانزیستورها، مستقیما به فتودیود می رسد. سنسورهای BSI حساسیت بسیار بیشتری دارند و امروزه در بیشتر گوشی های هوشمند استفاده می شوند.

همچنین طول موج های کوتاه تر (مانند آبی و فرابنفش) در لایه های سطحی سیلیکون جذب می شوند، در حالی که طول موج های بلندتر (مانند قرمز و فروسرخ نزدیک) به عمق بیشتری نفوذ می کنند. این موضوع روی پاسخ طیفی سنسور اثر می گذارد.

اندازه پیکسل در سنسور CMOS

اندازه پیکسل ها در سنسورهای CMOS در طول سال ها به طور مداوم کاهش یافته است؛ از پیکسل های ۱۰ تا ۲۰ میکرونی در دهه ۱۹۹۰ تا پیکسل های کمتر از یک میکرون در گوشی های هوشمند امروزی. کوچک تر شدن پیکسل ها امکان ساخت سنسورهای پرپیکسل در ابعاد کوچک را فراهم کرده است.

با این حال، پیکسل های بزرگ تر نور بیشتری جمع می کنند و نویز کمتر و محدوده دینامیکی بیشتری دارند. به همین دلیل در کاربردهای علمی و اندازه گیری، مانند طیف سنجی و میکروسکوپی، معمولا از سنسورهایی با پیکسل های بزرگ تر استفاده می شود. سنسورهای sCMOS (CMOS علمی) نیز برای تصویربرداری علمی با نویز بسیار کم طراحی شده اند.

شاتر چرخشی و شاتر سراسری

• شاتر چرخشی (Rolling Shutter): ردیف های پیکسل به ترتیب و با کمی اختلاف زمانی نوردهی و خوانده می شوند. این روش ساده تر است، اما در تصویربرداری از اجسام سریع ممکن است باعث اعوجاج تصویر شود.

• شاتر سراسری (Global Shutter): همه پیکسل ها همزمان نوردهی می شوند و برای تصویربرداری از اجسام متحرک، بینایی ماشین و کاربردهای صنعتی مناسب تر است.

تفاوت سنسور CMOS و CCD

هر دو سنسور CMOS و CCD با اثر فوتوالکتریک در سیلیکون کار می کنند: فوتون ها الکترون ها را از نوار ظرفیت به نوار رسانش می برند و بار الکتریکی متناسب با نور ایجاد می شود. اما نحوه خوانش این بار در آنها متفاوت است:

مزیت بزرگ سنسور CMOS این است که مدارهای منطقی، زمان بندی، کنترل نوردهی، مبدل آنالوگ به دیجیتال، تنظیم بهره و پردازش اولیه تصویر روی همان تراشه حسگر قرار می گیرند. همچنین CCD برای جابه جا کردن بارها در کل تراشه به ولتاژهای کلاک متعدد و نسبتا بالایی نیاز دارد و به همین دلیل انرژی بیشتری مصرف می کند. برای مقایسه کامل تر انواع آشکارسازها، مقاله آشکارساز نوری را بخوانید.

کاربردهای سنسور CMOS

• گوشی های هوشمند و دوربین های دیجیتال

• دوربین های مداربسته و امنیتی

• خودروها: دوربین های دنده عقب و سیستم های کمک راننده

• بینایی ماشین و بازرسی صنعتی

• تصویربرداری پزشکی: آندوسکوپ ها و تصویربرداری دندانپزشکی

• اسکنرها، بارکدخوان ها و ماوس های نوری

• نجوم و تصویربرداری علمی

• تشخیص نوری حروف (OCR)

• طیف سنجی و اسپکتروفتومتری

سنسور CMOS در اسپکتروفتومتر

در اسپکتروفتومترهای آرایه ای، نور پس از عبور از نمونه توسط یک توری پراش تجزیه می شود و کل طیف به طور همزمان روی آرایه CMOS ثبت می شود. سرعت بالای خوانش، مصرف انرژی کم و نبود قطعه متحرک اپتیکی، این دستگاه ها را سریع، پایدار و مناسب برای آنالیزهای آزمایشگاهی و میدانی می کند. اسپکتروفتومترهای بلورآزما نیز بر پایه همین فناوری ساخته شده اند. برای آشنایی بیشتر، راهنمای خرید اسپکتروفتومتر را بخوانید.

سوالات متداول درباره سنسور CMOS

سنسور CMOS چیست؟

یک حسگر تصویر نیمه رسانا که با آرایه ای از پیکسل ها، نور را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند و هر پیکسل آن تقویت کننده مخصوص به خود را دارد.

تفاوت CMOS و CCD چیست؟

در CMOS هر پیکسل تقویت کننده خود را دارد و پیکسل ها مستقیما خوانده می شوند، اما در CCD بارها به یک خروجی مشترک منتقل می شوند. CMOS سریع تر، کم مصرف تر و ارزان تر است.

چرا سنسور CMOS سیاه و سفید است؟

چون فتودیود ها فقط تعداد فوتون ها را اندازه می گیرند نه رنگ آنها؛ رنگ با فیلتر های رنگی مانند فیلتر بایر ثبت می شود.

سنسور BSI چیست؟

سنسوری که نور از پشت تراشه وارد می شود و بدون عبور از لایه های فلزی به فتودیود می رسد، بنابراین حساسیت بیشتری دارد.

چرا در فیلتر بایر تعداد پیکسل های سبز بیشتر است؟

چون چشم انسان به نور سبز حساس تر است و اطلاعات روشنایی تصویر عمدتا از کانال سبز به دست می آید.

جمع بندی

سنسور CMOS یک حسگر تصویر نیمه رسانا است که با فرایندهای استاندارد ساخت تراشه تولید می شود. مزیت بزرگ آن این است که مدارهای منطقی، زمان بندی، مبدل آنالوگ به دیجیتال و پردازش تصویر همراه با آرایه فتودیود ها روی یک تراشه قرار می گیرند. پیشرفت هایی مانند فتودیود پین شده، میکرولنزها و فناوری BSI باعث شده سنسور های CMOS امروزه جایگزین CCD در بیشتر کاربرد ها شوند.

امروزه سنسور های CMOS در گوشی ها، دوربین ها، خودروها، تجهیزات پزشکی، بازرسی صنعتی و دستگاه های طیف سنجی مانند اسپکتروفتومتر ها نقش کلیدی دارند.

منابع

• IOPscience