صورة ملف مستشعر صورة CMOS

CMOS (المكمل المعدني-أوكسيد-أشباه الموصلات) هو شبه موصل أكسيد معدني مكمل في الأدب الصيني. وهي شريحة مهمة في نظام الكمبيوتر وتحوي البيانات الأساسية لتوجيه النظام. لا تختلف تكنولوجيا التصنيع في CMOS عن تلك الخاصة بشريحة الكمبيوتر العامة. هو أساسا أشباه الموصلات مصنوعة من عنصرين من السيليكون والجرمانيوم مما يجعل من الممكن التعايش على CMOS مع N (النطاق الكهربائي) و P (النطاق + الكهرباء) الدرجات. في أشباه الموصلات ، يمكن تسجيل وتوليد التيار الناتج عن هاتين التأثيرتين التكميليتين بواسطة شريحة المعالجة كصورة. في وقت لاحق ، تم العثور على أن CMOS يمكن أيضا أن يتم معالجتها كجهاز استشعار الصورة في التصوير الرقمي. يمكن أيضًا تقسيم مستشعرات CMOS إلى مستشعرات بكسل سلبي (PassivePixelSensorCMOS) ومستشعرات البكسل النشطة (ActivePixelSensorCMOS).

الشركات المصنعة المحلية الكبرى والأجنبية CMOS

تعتبر CMOS R & D وشركات الإنتاج كبيرة نسبياً ، مع أكثر من 30 شركة في الولايات المتحدة ، و 7 في أوروبا ، و 8 في اليابان ، و 1 في كوريا ، و 8 في تايوان. وتعتبر شركة أجيلنت (HP) رائدة على مستوى العالم ، حيث تبلغ حصتها في السوق 51٪ ، و ST (VLSIVision) 16٪ ، و OmniVision 13٪ ، و Hyundai 8٪ ، و Photobit بنحو 5٪. هذه الشركات الخمس تمثل حصة السوق الإجمالية. بلغ معدل 93 ٪.

حساسية طيفية لمستشعر الصورة CMOS

في مستشعرات صورة CMOS الحديثة ، هناك اتجاه تطور مهم هو أن حساسيتها الطيفية تمتد إلى منطقة NIR القريبة من الأشعة تحت الحمراء (لطول موجة يبلغ حوالي 1100 نانومتر). ستعمل تطبيقات السيارات المزودة بأجهزة استشعار IM-001 CMOS على تحسين اختراق الضباب وقدرات الرؤية الليلية. بينما تبدأ تكنولوجيا التقاط الصور الصناعية في استخدام المزيد من مصادر الضوء بأطوال موجية في NIR ، كما تستخدم التكنولوجيا الحيوية أيضًا ظواهر مثيرة للاهتمام في هذه المنطقة الطيفية ، فإن مستشعر IBIS5-AE-1300 الذي تم تطويره حديثًا لديه حساسية NIR تبلغ 700-900 نانومتر.

في تقنية التقاط الصور لتطبيقات المستهلك ، هناك اتجاه آخر للاستمرار في زيادة الدقة. وبحلول منتصف عام 2005 ، كان حوالي 70٪ من كاميرات الهاتف الخلوي ذات دقة تنسيق VGA (640 × 480 بكسل) ؛ ولكن في عام 2006 ، ستشغل عدة مئات من وحدات البكسل من أجهزة الاستشعار 50٪ من السوق ، وبحلول عام 2008 من المتوقع أن ترتفع حصتها في السوق إلى أكثر من 90٪. ولتحقيق هذه الغاية ، طور Cypress جهاز استشعار للصورة 3 ميجابيكسل للهواتف الخلوية التي تستخدم تقنية Autobrite ، ويمكنه إجراء تحويل تناظري / رقمي 12 بت ، ويوفر نطاقًا ديناميكيًا عريضًا يبلغ 72dB ، ويتحول حاليًا إلى محول تناظري / رقمي 10 بت في السوق لديها مجموعة ديناميكية من 60dB فقط. معدل الإطارات في وضع المسح الضوئي المتقدم يصل إلى 30 إطارًا في الثانية ، مما يسمح بتسجيل الفيديو المباشر.

في المجالين الصناعي والتجاري ، هذا الاتجاه واضح أيضًا: فقد أدخل سايبريس مستشعرًا للصور بحجم 1.3 ميجابيكسل / 35 ملم لكاميرات كوداك الرقمية ، وكان مستشعر IBIS4-6600 6.6 ميجابكسل في جودة عالية في أدوات القراءة الأوتوماتيكية ضعاف - يوفر دقة ممتازة على صفحة A4 القياسية الكاملة.

تكامل النظام مع التكنولوجيا نظرًا للتقارب الرقمي السريع للأجهزة الوظيفية التقليدية المنفصلة مثل الهواتف الخلوية والكاميرات الرقمية ومشغلات MP3 وأجهزة المساعد الرقمي الشخصي (أي أن تصبح منتجًا إلكترونيًا مدمجًا للمستهلكين) ، فمن المتوقع بشكل متزايد أن يتمتع الأفراد بالاستقلال الجزئي على الأقل. يمكن للأنظمة الفرعية الجنس توفير وظائف واسعة للغاية في جهاز واحد. سيكون لهذا الاتجاه أيضًا تأثير على تقنية القياس الاحترافية: من خلال أداة الفحص المحمولة التي تتضمن كاميرا رقمية وواجهة مستخدم PDA وقدرات الشبكات اللاسلكية ، سيتم توسيع نطاق تطبيقات الاختبار البصري والمراقبة بشكل فعال. كخدمة منصة ، يفي CMOS بهذا الاتجاه: لا تزال محولات الصور CCD تتطلب استخدام دوائر منطقية خارجية للتحكم ووظائف التحويل التناظرية / الرقمية ، في حين تمكن أجهزة المنطق القياسي CMOS أجهزة الاستشعار وأجهزة التحكم والمحولات والتقييمات. يتم دمج جميع الدوائر المنطقية ، إلخ في شريحة واحدة.

مثال نموذجي هو دائرة التقاط الصور لشريحة CYIWCSC1300AA المصممة خصيصًا لتطبيقات المستهلك المطلوبة. تعتمد على مستشعر الصور 1.3 ميجابيكسل CYIWOSC1300AA والأخرى التي توفر خطأ الاستيفاء ، ضبط مستوى اللون الأسود ، تصحيح العدسة ، تصحيح إشارة الصليب ، إصلاح الفسيفساء الملون ، تصحيح الألوان ، التعرض للسيارات ، قمع الضجيج ، المؤثرات الخاصة ، وتصحيح غاما ، من بين العديد غيرها من معالج إشارة إضافية وظيفية. يعد دمج المزيد من وظائف النظام (حتى أنظمة الاستيثاق الضوئي الذاتي) أمرًا ممكنًا ، اعتمادًا على الأهداف والقيود الاقتصادية مثل القدرة السوقية وتكاليف التطوير.

أشار جون مورس ، كبير محللي السوق في IMS Research ، إلى أن "سوق معالجة الصور الصناعية قد تغير بسرعة كبيرة ، ليس فقط على المستوى الفني ، ولكنه يتضمن أيضًا دمج الشركات المصنعة مؤخرًا. ونعتقد أن هذا الاتجاه سيستمر". لذا ، ينطبق الأمر نفسه على Cypress: من خلال الحصول على SMalCamera Technologies Inc. ، التي تأسست في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا MIT (معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا) في عام 1999 ، وسعت Cypress وصول أعمالها إلى قطاعي المستهلك والسيارات. وعمليات الدمج مع شركة FillFactory (هذه الشركة التي تم فصلها عن IMEC ، مركز أبحاث الإلكترونيات الدقيقة وتكنولوجيا النانو الأوروبية الشهير الذي يوجد مقره في لوفين ، بلجيكا ، في عام 1999) ، مما جعل السرو أكثر في المجال الصناعي.

سوق أجهزة الاستشعار صورة CMOS مزدهرة وسوف تصبح قريبا سوق واسع النطاق. لا يزال يعتمد إلى حد كبير على التصاميم الخاصة بالعميل لتلبية مجموعة من متطلبات التخصيص من حيث المواصفات وتكامل النظام. ومع ذلك ، فإنه سيوفر بشكل متزايد حلول قياسية عالمية. تستمر الزيادات في الدقة ، ومعدل الإطارات ، والحساسية ، فضلاً عن تخفيضات التكلفة ، في توسيع مجال التطبيق الخاص بها. جزء منه.

هيكل بكسل مستشعر CMOS

السلبي: بنية البكسل السلبي (PassivePixelSensor. المشار إليها بـ PPS) ، والمعروفة أيضًا باسم المبني للمجهول. وهو يتألف من صورة ضوئية متحيزة عكسيّة وأنبوب تبديل. والضوء الضوئي هو بشكل أساسي وصلة PN تتألف من شبه موصل من النوع P وأشباه الموصلات من النوع N. وهو ما يعادل ثنائي الصمام المنحاز بالتوازي مع مكثف MOS. عندما يتم تشغيل المفتاح ، يتصل الثنائي الضوئي مع العمود العمودية. يحتفظ مضخم تكامل الشحن في نهاية خط العمود بجهد خط العمود. عندما تتم قراءة شحنة الإشارة المخزنة في الصمام الثنائي الضوئي ، تتم إعادة ضبط الفولطية على جهد خط العمود ، وفي نفس الوقت ، يتم تحويل الشحنة المتناسبة مع الإشارة الضوئية بواسطة مضخم الشحن المدمج إلى خرج الشحنة.

نشط: بنية البكسل النشط (Active Pixel Sensor. APS for short) ، والمعروف أيضًا بالنشاط ، كما هو موضح في الشكل 2. في نفس الوقت تقريباً عندما تم اختراع بنية CMOS PPS بكسل ، أدرك الأشخاص بسرعة أن إدخال المخزن المؤقت أو مكبر للصوت في بكسل يمكن أن تتحسن أداء بكسل لديها مكبر للصوت الخاص به في كل بكسل في CMOS APS. يعمل ترانزستور التضخيم المدمج على السطح على تقليل مساحة السطح الفعالة لعنصر البكسل ، ويقلل من "كثافة التعبئة" ، ويؤدي إلى عكس 40٪ إلى 50٪ من الضوء الساقط. هناك مشكلة أخرى في هذا النوع من المستشعر وهي كيفية مواءمة أفضل لمكبرات الصوت متعددة القنوات الخاصة بالمستشعر ، والتي يمكن تحقيقها بشكل أفضل عن طريق تقليل المستوى المتبقي من ضوضاء النمط الثابت. نظرًا لأن كل مضخم في CMOS APS pixel يتم تنشيطه فقط أثناء هذه القراءة ، يكون استهلاك الطاقة لـ CMOS APS أصغر من مستشعر صورة CCD.

عامل التعبئة (Fill factor): يشير عامل التعبئة (Fill factor) ، الذي يدعى أيضاً عامل التعبئة fillure ، إلى حجم الثنائي الضوئي على البكسل بالنسبة إلى سطح البكسل. تشير الكفاءة الكمومية إلى القيمة المقيسة للعدد الأقصى الفعلي والنظري للإلكترونات بعد إصابة بيكسل بفوتون. عادةً ما تحتوي بنية البكسل السلبي على عامل تعبئة شحنة يصل إلى 70٪ ، وبالتالي تكون كفاءة الكم عالية. ومع ذلك ، فإن الثنائيات الضوئية تتراكم كمية صغيرة من الشحنة وتكون معرضة جدًا للفساد. بالإضافة إلى ذلك ، لا يوجد مضخم إشارة داخل البكسل ، ويتم استخدام مضخم إنهاء الناقل الرأسي فقط. ولذلك ، فإن الإشارة التي تمت قراءتها تحتوي على مقدار كبير من الفوضى ، ونسبة S / N الخاصة بها منخفضة ، ويختلف ضجيج البيكسل في أوضاع مختلفة (ضوضاء نمط ثابت FPN). وتؤثر على جودة الصورة بأكملها. بالمقارنة مع النوع السلبي ، يضيف هيكل البكسل النشط مضخماً عند كل بكسل ويحول الشحنة المتراكمة للضوء الضوئي إلى جهد للتضخيم ، مما يحسن بشكل كبير نسبة S / N ، وبالتالي يحسن التداخل المضاد أثناء الإرسال. القدرة. ومع ذلك ، نظرًا لأن مضخم الصوت يحتل مساحة أكبر بكثير من البيكسل ، فإن عامل التعبئة به منخفض نسبيًا ، وعادة ما يتراوح بين 25٪ و 35٪.