دليل اختيار مستشعر الصور CMOS لوحدة الكاميرا

أجهزة استشعار الصور هي أجهزة تقوم بتحويل الإشارات الضوئية إلى إشارات كهربائية وتُستخدم على نطاق واسع في أسواق التلفزيون الرقمي والاتصالات المرئية. وفي الوقت الحالي، أكثر نوعين استخدامًا هما CCD (جهاز اقتران الشحنة) وCMOS (أشباه الموصلات المعدنية التكميلية).

ومن بينها، تعد CMOS حاليًا الأكثر لفتًا للانتباه وتعتبر ذات إمكانات التطوير الأكبر.

مستشعر الصور CMOS هو مستشعر صور ذو حالة صلبة نموذجي، يتكون عادة من مجموعة وحدات حساسة للصورة، ومشغل صف، ومشغل عمود، ومنطق التحكم في التوقيت، ومحول AD، وواجهة إخراج ناقل البيانات، وواجهة التحكم وأجزاء أخرى. عادة ما يتم دمج هذه الأجزاء على نفس شريحة السيليكون. يمكن تقسيم عملية عملها بشكل عام إلى إعادة الضبط، والتحويل الكهروضوئي، والتكامل والقراءة.

يمكن أيضًا دمج دوائر معالجة الإشارات الرقمية الأخرى على شريحة مستشعر الصور CMOS، مثل محولات AD، والتحكم التلقائي في التعرض، وتعويض عدم التجانس، ومعالجة توازن اللون الأبيض، والتحكم في مستوى اللون الأسود، وتصحيح جاما، وما إلى ذلك. من أجل إجراء حسابات سريعة، يمكن دمج أجهزة DSP ذات الوظائف القابلة للبرمجة مع أجهزة CMOS لتشكيل كاميرا رقمية أحادية الشريحة ونظام معالجة الصور.

وبصورة أدق، ينبغي اعتبار مستشعر الصور CMOS بمثابة نظام صور. وفي الواقع، عندما يشتري المصمم مستشعر صور CMOS، فإنه يحصل على نظام كامل يشمل سجلات منطقية لمصفوفة الصور، والذاكرة، ومولدات نبضات التوقيت، والمحولات.

1. بنية البكسل لأنبوب MOS

يشكل الترانزستور MOS والصمام الثنائي الضوئي مقطعًا عرضيًا هيكليًا يعادل البكسل. أثناء فترة تكامل الضوء، يتم قطع الترانزستور MOS، ويقوم الصمام الثنائي الضوئي بتوليد ناقلات مقابلة وفقًا لشدة الضوء الساقط ويخزنها عند الوصلة PN للمصدر (الموضع ① في الشكل أدناه).

عندما تنتهي فترة التكامل، يتم تطبيق نبضة مسح على بوابة الترانزستور MOS، مما يؤدي إلى تشغيلها وإعادة تعيين الصمام الضوئي إلى الجهد المرجعي، مما يتسبب في تدفق تيار فيديو عبر الحمل، والذي يتوافق حجمه مع شدة الضوء الساقط.

يلعب الوصلة PN لمصدر الترانزستور MOS دور التحويل الكهروضوئي وتخزين الناقل. عند تطبيق إشارة نبضية على البوابة، تتم قراءة إشارة الفيديو.

2. بنية مجموعة مستشعرات الصور CMOS

تتكون بنية مجموعة بكسل CMOS من سجل تحويل أفقي، وسجل تحويل رأسي ومجموعة بكسل CMOS.

بنية مجموعة مستشعرات CMOS

(1- سجل تحويل عمودي؛ 2- سجل تحويل أفقي؛ 3- مفتاح مسح أفقي؛ 4- مفتاح مسح عمودي؛ 5- مجموعة بكسل؛ 6- خط إشارة؛ 7- بكسل)

كما ذكرنا سابقًا، يعمل كل ترانزستور MOS كمفتاح تحت محرك النبضات لدوائر المسح الأفقية والرأسية. يقوم سجل التحويل الأفقي بتشغيل ترانزستورات MOS التي تلعب دور المسح الأفقي من اليسار إلى اليمين، أي دور معالجة العمود، ويقوم سجل التحويل الرأسي بمعالجة صفوف المصفوفة بشكل متسلسل.

تتكون كل بكسل من ثنائي ضوئي وترانزستور MOS يعمل كمفتاح رأسي. يتم تشغيل المفتاح الأفقي بالتتابع تحت تأثير النبضة التي يولدها سجل الإزاحة الأفقي، ويتم تشغيل المفتاح الرأسي تحت تأثير النبضة التي يولدها سجل الإزاحة الرأسي، بحيث يتم تطبيق جهد المرجع (التحيز) على الثنائي الضوئي للبكسل بالتتابع.

3. مبدأ عمل وطريقة عمل مستشعر الصور CMOS

وفقًا لمخطط الكتلة الوظيفية لمستشعر الصور CMOS، يمكن العثور على أن سير عمل مستشعر الصور CMOS ينقسم بشكل أساسي إلى الخطوات الثلاث التالية.

مخطط كتلة وظيفية لمستشعر صور CMOS

الخطوة 1: يسلط الضوء الخارجي على مجموعة البكسل، مما يسبب تأثيرًا ضوئيًا كهربائيًا ويولد شحنات مقابلة في وحدة البكسل.

يتم تركيز المشهد على مجموعة مستشعرات الصور من خلال عدسة التصوير. مجموعة مستشعرات الصور عبارة عن مجموعة بكسل ثنائية الأبعاد. كل بكسل يحتوي على صمام ثنائي ضوئي. يحول الصمام الثنائي الضوئي في كل بكسل شدة الضوء على سطح المجموعة إلى إشارة كهربائية.

الخطوة 2: حدد البكسل الذي تريد تشغيله من خلال دائرة اختيار الصف ودائرة اختيار العمود، ثم اقرأ الإشارة الكهربائية الموجودة على البكسل.

أثناء عملية البوابات، يمكن لوحدة منطق اختيار الصف مسح صف البكسل صفًا تلو الآخر أو بالتناوب، وينطبق الأمر نفسه على الأعمدة. يمكن استخدام وحدة منطق اختيار الصف ووحدة منطق اختيار العمود معًا لتحقيق وظيفة استخراج النافذة للصورة.

الخطوة 3: قم بإجراء معالجة الإشارة على وحدات البكسل المقابلة.

تنتقل إشارات الصورة في وحدات البكسل الصفية إلى وحدات معالجة الإشارة التناظرية المقابلة ومحولات A/D من خلال حافلات الإشارة الخاصة بأعمدتها الخاصة، ويتم تحويلها إلى إشارات صورة رقمية للإخراج. وتتمثل الوظيفة الرئيسية لوحدات معالجة الإشارة التناظرية في تضخيم الإشارات وتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء.

بعد تضخيم الإشارة الكهربائية للبكسل، يتم إرسالها إلى دائرة أخذ العينات المزدوجة المترابطة (CDS) للمعالجة. تعد أخذ العينات المزدوجة المترابطة طريقة مهمة تستخدمها الأجهزة عالية الجودة لإزالة بعض التداخل. مبدأها الأساسي هو أن مستشعر الصورة يؤدي إلى مخرجين، أحدهما للإشارة في الوقت الفعلي والآخر للإشارة المرجعية. تتم إزالة نفس إشارات التداخل أو الإشارات ذات الصلة من خلال اختلاف الإشارتين.

يمكن لهذه الطريقة تقليل ضوضاء KTC وإعادة ضبط الضوضاء وضوضاء النمط الثابت FPN (ضوضاء النمط الثابت)، ويمكنها أيضًا تقليل ضوضاء 1/f وتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء. بالإضافة إلى ذلك، يمكنها أيضًا إكمال تكامل الإشارة والتضخيم والعينات والتثبيت والوظائف الأخرى.

يتم بعد ذلك إخراج الإشارة إلى محول تناظري/رقمي وتحويلها إلى إخراج إشارة رقمية.

بالإضافة إلى ذلك، من أجل الحصول على كاميرا عملية ذات جودة مؤهلة، يجب أن تحتوي الشريحة على دوائر تحكم مختلفة، مثل التحكم في وقت التعريض، والتحكم التلقائي في المكسب، وما إلى ذلك. من أجل جعل كل جزء من الدائرة في الشريحة يتحرك بإيقاع محدد، يجب استخدام إشارات تحكم توقيت متعددة. لتسهيل تطبيق الكاميرا، يلزم الشريحة أيضًا إخراج بعض إشارات التوقيت، مثل إشارات المزامنة، وإشارات بدء الخط، وإشارات بدء المجال، وما إلى ذلك.

تتمتع مستشعرات الصور CMOS بمزايا الحجم الصغير واستهلاك الطاقة المنخفض والسعر المنخفض والإنتاج الضخم، وهي تشكل 90% من سوق مستشعرات الصور. تُستخدم على نطاق واسع في الكاميرات الرقمية والهواتف الذكية والقيادة الذاتية والأمن وإنترنت الأشياء وغيرها من المجالات، ولديها إمكانات سوقية ضخمة في المستقبل.

• رقمي آلة تصوير

في الأيام الأولى للكاميرات الرقمية، كانت معظم الكاميرات الرقمية تستخدم التصوير بتقنية CCD. ومع ذلك، تطورت تقنية CMOS بسرعة في وقت لاحق وأصبحت مكونًا لا غنى عنه في كاميرات SLR المنزلية.

على الرغم من أن CMOS أدنى قليلاً من CCD في تشبع اللون والملمس، إلا أن شريحة معالجة CMOS يمكن أن تعوض عن ذلك، لذلك فهي لا تزال أفضل من CCD في جوانب أخرى، مثل آلية تقليل الضوضاء، وسرعة القراءة السريعة، وتوفير الطاقة، وما إلى ذلك. في السوق، تتمتع العديد من كاميرات SLR عالية الأداء بالخصائص المذكورة أعلاه.

• الهاتف الذكي

كما نعلم جميعًا، كانت المحطات الطرفية المحمولة دائمًا سوقًا مهمًا لمستشعرات الصور CMOS. تُستخدم الكاميرات المزدوجة والكاميرات ثلاثية الأبعاد على نطاق واسع في الهواتف الذكية، وتساعد إضافة العدسات مصنعي الهواتف المحمولة على توسيع الفجوة بين استراتيجيات المبيعات والمنتجات المنافسة. ينشط المصنعون بشكل أكبر في تركيب وحدات الكاميرا، وخاصة باستخدام 2 إلى 5 ملايين عدسة وظيفية منخفضة البكسل لزيادة عدد العدسات في منتجاتهم.

بشكل عام، يمكن تقسيم أجهزة استشعار CMOS إلى أجهزة استشعار CMOS ذات الإضاءة الخلفية وأجهزة استشعار CMOS مكدسة.

يقوم مستشعر CMOS المضاء من الخلف بتبديل الصمام الثنائي الضوئي وطبقة الأسلاك بحيث يدخل الضوء إلى الصمام الثنائي الضوئي الحساس للضوء أولاً، وبالتالي زيادة الحساسية وتحسين تأثير التصوير بشكل كبير في بيئات الإضاءة المنخفضة. كما نعلم جميعًا، فإن iPhone وXiaomi وMeizu مجهزة بمثل هذه المستشعرات.

مستشعر CMOS المكدس هو مشتق من مستشعر CMOS المضاء من الخلف. وهو الأكثر استخدامًا والأكثر تقدمًا في كاميرات الهواتف المحمولة وهو تقنية حصرية من Sony.

• الطيار الآلي

اليوم أصبح سوق السيارات ثاني أكبر مجال لتطبيق أجهزة استشعار CMOS بعد الهواتف المحمولة.

مع تطور تكنولوجيا القيادة الذاتية، زاد الطلب على الكاميرات المثبتة على المركبات بسرعة. تتطلب كل كاميرا إضافية مستشعر CMOS إضافيًا، مما يدفع بشكل مباشر نمو حجم سوق CMOS.

وفقًا لأحدث توقعات مجموعة Yole، زادت القيمة السوقية لأجهزة استشعار الصور CMOS بمقدار $5.5 مليار دولار أمريكي من عام 2016 إلى عام 2022، لتصبح أسرع شريحة نموًا وأعلى نسبة مئوية بين أجهزة استشعار السيارات (بما في ذلك أجهزة الرادارات المختلفة وأجهزة الاستشعار وما إلى ذلك).

• مجال الأمن

في مجال مراقبة الأمن، يجب الحصول على المعلومات المرئية من خلال الكاميرات، الأمر الذي يتطلب أجهزة استشعار صور CMOS. في السنوات الأخيرة، مع التكامل العميق لصناعة الأمن مع تقنيات مثل الذكاء الاصطناعي والبيانات الضخمة والحوسبة السحابية، استمر حجم سوق مراقبة الأمن بالكامل في التوسع. من إجمالي قيمة إنتاج صناعة الأمن في الصين البالغة 851 مليار يوان في عام 2020، بلغت قيمة المشاريع الأمنية 510 مليار يوان، وبلغت قيمة منتجات الأمن 260 مليار يوان، وبلغت قيمة سوق التشغيل والصيانة والخدمة 81 مليار يوان. في المستقبل، مع المزيد من تنفيذ البنية التحتية لصناعة الأمن، سيستمر حجم سوق رابطة الدول المستقلة في مجال مراقبة الأمن في النمو.

• مجال إنترنت الأشياء (IOT)

في مجال إنترنت الأشياء، هناك حاجة إلى تجهيز عدد كبير من الأجهزة الإلكترونية بوحدات كاميرا لتحقيق التعرف على الصور والوجه ومكالمات الفيديو وغيرها من الوظائف. مثل التلفزيون ومكبرات الصوت الذكية والطائرات بدون طيار والواقع الافتراضي والواقع المعزز وغيرها من المنتجات. بالإضافة إلى ذلك، هناك حاجة أيضًا إلى عدد كبير من أجهزة استشعار الصور CMOS في الأنظمة الطبية والصناعية. تسعى مجالات البحث الطبي والعلمي الآن إلى استخدام أجهزة استشعار CMOS منخفضة التكلفة وأفضل فعالية لتحل محل معظم المنتجات القديمة؛ مع تطور الرؤية الآلية، ستقدم المزيد والمزيد من خطوط الإنتاج الصناعية أجهزة استشعار الصور لتحسين كفاءة الإنتاج والجودة.

قائمة منتجات مستشعر الصور CMOS من Canon