عرض الأشعة تحت الحمراء لملف سديم الجبار اخذت بواسطة ESOهو HAWK-I ، مصور واسع المجال مبرد
نمط باير على المستشعر
مخطط Foveon للترشيح الرأسي لاستشعار اللون
صورة مجهرية لزاوية صفيف جهاز الاستشعار الضوئي لملف كاميرا ويب كاميرا رقمية
مستشعر الصورة (أعلى اليسار) على اللوحة الأم لملف نيكون كولبيكس
أ اتفاقية مكافحة التصحر جهاز استشعار الصورة على لوحة دوائر مرنة
شركة American Microsystems، Inc. (AMI) سعة 1 كيلو بت درهم رقاقة (شريحة مركزية مع نافذة زجاجية) تستخدم كمستشعر صورة بواسطة
مستشعر الصورة – Image sensor
من ويكيبيديا
ان مستشعر الصورة أو جهاز تصوير هو المستشعر يكتشف وينقل معلومات تستخدم لصنع صورة. يقوم بذلك عن طريق تحويل المتغير التوهين من الضوء أمواج (كما هم يمر من خلال أو تنعكس الأشياء) في إشاراترشقات نارية صغيرة من تيار التي تنقل المعلومات. يمكن أن تكون الأمواج ضوء أو غيرها الاشعاع الكهرومغناطيسي. تستخدم مجسات الصورة في إلكتروني أجهزة التصوير على حد سواء التناظرية و رقمي الأنواع التي تشمل الكاميرات الرقمية, وحدات الكاميرا, الهواتف المزودة بكاميرات, الفأرة البصرية الأجهزة،[1][2][3] التصوير الطبي معدات، رؤية ليلية معدات مثل تصوير حراري الأجهزة، رادار, سونار، و اخرين. مثل تغييرات التكنولوجياوالإلكترونية و التصوير الرقمي يميل إلى استبدال التصوير الكيميائي والتناظري.
النوعان الرئيسيان من مستشعرات الصور الإلكترونية هما شحن الجهاز إلى جانب (CCD) و مستشعر البكسل النشط (CMOS المستشعر). تعتمد كل من مستشعرات CCD و CMOS على أكسيد الفلز أشباه الموصلات (MOS) ، مع أجهزة CCD على أساس مكثفات MOS ومستشعرات CMOS على أساس موسفيت (ترانزستور تأثير المجال MOS) مكبرات الصوت. تميل أجهزة الاستشعار التناظرية للإشعاع غير المرئي إلى المشاركة أنابيب مفرغة بمختلف أنواعها ، بينما تشمل المستشعرات الرقمية أجهزة الكشف المسطحة.
CCD مقابل مستشعرات CMOS :
النوعان الرئيسيان من الصورة الرقمية أجهزة الاستشعار هي شحن الجهاز إلى جانب (CCD) و مستشعر البكسل النشط (مستشعر CMOS) ، ملفقة في التكميلية MOS (CMOS) أو نوع N. موس (NMOS أو يعيش MOS) التقنيات. تعتمد كل من مستشعرات CCD و CMOS على تقنية MOS,[4] مع مكثفات MOS كونها اللبنات الأساسية لاتفاقية مكافحة التصحر ،[5] و موسفيت مكبرات الصوت هي اللبنات الأساسية لجهاز استشعار CMOS.[6][7]
عادةً ما تستخدم الكاميرات المدمجة في المنتجات الاستهلاكية الصغيرة مستشعرات CMOS ، والتي عادةً ما تكون أرخص وتستهلك طاقة أقل في الأجهزة التي تعمل بالبطاريات مقارنةً بأجهزة CCD.[8] تُستخدم مستشعرات CCD لكاميرات الفيديو عالية الجودة للبث ، وتهيمن مستشعرات MOS (C) في التصوير الفوتوغرافي الثابت والسلع الاستهلاكية حيث تشكل التكلفة الإجمالية مصدر قلق كبير. يقوم كلا النوعين من أجهزة الاستشعار بإنجاز نفس المهمة المتمثلة في التقاط الضوء وتحويله إلى إشارات كهربائية.
كل خلية من أ اتفاقية مكافحة التصحر جهاز استشعار الصورة هو جهاز تمثيلي. عندما يضرب الضوء الرقاقة ، يتم الاحتفاظ بها كشحنة كهربائية صغيرة في كل منها مستشعر الصورة. يتم تضخيم الشحنات الموجودة في خط البكسل الأقرب لمكبرات الإخراج (واحد أو أكثر) وإخراجها ، ثم يقوم كل سطر من البكسل بتحويل شحناته بخط واحد أقرب إلى مكبر (مكبرات الصوت) ، وملء الخط الفارغ الأقرب إلى مكبرات الصوت (s) ). تتكرر هذه العملية بعد ذلك حتى يتم تضخيم شحنتها وإخراجها لجميع خطوط البكسل.[9]
يحتوي مستشعر صور CMOS على مكبر للصوت لكل بكسل مقارنة بالمضخمات القليلة الموجودة في جهاز CCD. ينتج عن هذا مساحة أقل لالتقاط الفوتونات من CCD ، ولكن تم التغلب على هذه المشكلة باستخدام العدسات الدقيقة أمام كل ثنائي ضوئي ، والتي تركز الضوء في الثنائي الضوئي الذي كان سيصطدم بمكبر الصوت لولا ذلك ولم يتم اكتشافه.[9] تستخدم بعض مستشعرات التصوير CMOS أيضًا إضاءة الجانب الخلفي لزيادة عدد الفوتونات التي تضرب الثنائي الضوئي.[10] يمكن تنفيذ مستشعرات CMOS بمكونات أقل ، واستخدام طاقة أقل ، و / أو توفير قراءة أسرع من مستشعرات CCD.[11] هم أيضا أقل عرضة لتفريغ الكهرباء الساكنة.
تصميم آخر ، بنية CCD / CMOS مختلطة (تُباع تحت الاسم “sCMOS”) يتكون من دوائر متكاملة لقراءة CMOS (ROICs) مرتبطة بركيزة تصوير CCD – وهي تقنية تم تطويرها للأشعة تحت الحمراء يحدق المصفوفات وقد تم تكييفه مع تقنية الكاشف القائمة على السيليكون.[12] هناك طريقة أخرى تتمثل في استخدام الأبعاد الدقيقة جدًا المتوفرة في تقنية CMOS الحديثة لتنفيذ بنية تشبه CCD بالكامل في تقنية CMOS: يمكن تحقيق هذه الهياكل عن طريق فصل بوابات البولي سيليكون الفردية بواسطة فجوة صغيرة جدًا ؛ على الرغم من أنه لا يزال أحد منتجات أجهزة الاستشعار البحثية المختلطة ، فإنه من المحتمل أن يستفيد من مزايا كل من أجهزة التصوير CCD و CMOS.[13]
أداء:
هناك العديد من المعلمات التي يمكن استخدامها لتقييم أداء مستشعر الصورة ، بما في ذلك مدى ديناميكي, إشارة إلى نسبة الضوضاء، وحساسية الإضاءة المنخفضة. بالنسبة لأجهزة الاستشعار من الأنواع المماثلة ، تتحسن نسبة الإشارة إلى الضوضاء والنطاق الديناميكي مثل بحجم يزيد.
التحكم في وقت التعرض
وقت التعرض من أجهزة استشعار الصورة يتم التحكم فيها بشكل عام بواسطة ميكانيكي تقليدي مصراع، كما في كاميرات الأفلام ، أو بواسطة ملف مصراع الإلكترونية. يمكن أن يكون الإغلاق الإلكتروني “عالميًا” ، وفي هذه الحالة يبدأ تراكم الإلكترونات الضوئية في منطقة حساس الصورة بالكامل ويتوقف في وقت واحد ، أو “يتدحرج” في هذه الحالة يسبق فاصل التعريض الضوئي لكل صف قراءة ذلك الصف مباشرةً ، في عملية “تدور” عبر إطار الصورة (عادةً من أعلى إلى أسفل بتنسيق أفقي). يعتبر الإغلاق الإلكتروني العالمي أقل شيوعًا ، لأنه يتطلب دوائر “تخزين” للاحتفاظ بالشحن من نهاية فترة التعريض حتى تصل عملية القراءة إلى هناك ، وعادةً ما يتم ذلك بعد بضعة مللي ثانية.[14]
فصل اللون:
هناك عدة أنواع رئيسية من مستشعرات الصور الملونة ، تختلف حسب نوع آلية فصل الألوان:
مستشعر مرشح باير، منخفضة التكلفة والأكثر شيوعًا ، باستخدام ملف مجموعة مرشح اللون الذي يمرر الضوء الأحمر والأخضر والأزرق إلى المحدد مجسات بكسل. يتم جعل كل عنصر حساس فردي حساسًا للأحمر أو الأخضر أو الأزرق عن طريق أ هلام اللون مصنوعة من أصباغ كيميائية منقوشة على العناصر. مصفوفة المرشح الأكثر شيوعًا ، وهي نمط باير، يستخدم وحدتي بكسل أخضر لكل لون أحمر وأزرق. ينتج عن هذا دقة أقل للألوان الحمراء والزرقاء. قد يتم تقريب عينات الألوان المفقودة باستخدام أ demosaicing الخوارزمية ، أو تجاهلها تمامًا بواسطة الضياع. من أجل تحسين معلومات اللون ، تقنيات مثل أخذ عينات موقع مشترك اللون إستخدم بيزو آلية لتحويل مستشعر اللون بخطوات بكسل.
مستشعر Foveon X3، باستخدام مجموعة من مستشعرات البكسل ذات الطبقات ، لفصل الضوء عبر خاصية الامتصاص المتأصلة المعتمدة على الطول الموجي للسيليكون ، بحيث يستشعر كل موقع قنوات الألوان الثلاثة. تشبه هذه الطريقة طريقة عمل الفيلم الملون للتصوير الفوتوغرافي.
3CCD، باستخدام ثلاثة مستشعرات صور منفصلة ، مع فصل الألوان بواسطة a منشور مزدوج اللون. توفر العناصر ثنائية اللون فصل ألوان أكثر حدة ، وبالتالي تحسين جودة اللون. لأن كل مستشعر حساس بالتساوي داخله نطاق المرور، وبدقة كاملة ، تنتج مستشعرات 3-CCD جودة ألوان أفضل وأداء أفضل في الإضاءة المنخفضة. 3-مجسات CCD تنتج كامل 4:4:4 إشارة ، وهو المفضل في البث التلفزيوني, تحرير الفيديو و مفتاح صفاء تأثيرات بصرية.
مجسات خاصة:
تستخدم أجهزة الاستشعار الخاصة في تطبيقات مختلفة مثل التصوير الحراريوخلق صور متعددة الأطياف, مناظير الحنجرة بالفيديو, كاميرات جاما، مصفوفات أجهزة الاستشعار لـ الأشعة السينية، ومصفوفات أخرى شديدة الحساسية لـ الفلك.[بحاجة لمصدر]
بينما تستخدم الكاميرات الرقمية بشكل عام مستشعرًا مسطحًا ، صممت سوني نموذجًا أوليًا لمستشعر منحني في عام 2014 لتقليل / إزالة انحناء مجال بيتزفال يحدث مع جهاز استشعار مسطح. يسمح استخدام المستشعر المنحني بقطر أقصر وأصغر للعدسة مع عناصر ومكونات مخفضة مع فتحة أكبر وسقوط ضوئي أقل عند حافة الصورة.[16]
التاريخ:
كانت المستشعرات التناظرية المبكرة للضوء المرئي أنابيب كاميرا الفيديو. يعود تاريخها إلى الثلاثينيات ، وتم تطوير عدة أنواع حتى الثمانينيات. بحلول أوائل التسعينيات ، تم استبدالها بالحديثة الحالة الصلبة مجسات الصور CCD.[17]
أساس مستشعرات الحالة الصلبة الحديثة هو تقنية MOS ،[18][19] التي تنشأ من اختراع MOSFET بواسطة محمد محمد عطالله و Dawon Kahng في مختبرات بيل في عام 1959.[20] أدت الأبحاث اللاحقة حول تقنية MOS إلى تطوير الحالة الصلبة أشباه الموصلات مجسات الصورة ، بما في ذلك شحن الجهاز إلى جانب (CCD) وبعد ذلك مستشعر البكسل النشط (CMOS المستشعر).[18][19]
ال مستشعر البكسل السلبي (PPS) كان مقدمة لمستشعر البكسل النشط (APS).[7] تتكون PPS من وحدات البكسل السلبية التي تتم قراءتها بدونها تضخيم، مع كل بكسل يتكون من ثنائي ضوئي و a موسفيت مفتاح كهربائي.[21] إنه نوع من مجموعة الثنائي الضوئي، مع وحدات بكسل تحتوي على ملف السندات الإذنية تقاطع، المدمجة مكثف، و MOSFETs كاختيار الترانزستورات. تم اقتراح مصفوفة الثنائي الضوئي بواسطة G.Weckler في عام 1968.[6] كان هذا أساس PPS.[7] كانت صفيفات الثنائي الضوئي المبكرة هذه معقدة وغير عملية ، وتتطلب تصنيع ترانزستورات التحديد داخل كل بكسل ، جنبًا إلى جنب مع على الرقاقة معدد الإرسال الدوائر. ال الضوضاء من صفائف الثنائي الضوئي كان أيضًا قيدًا على الأداء ، مثل قراءات الثنائي الضوئي حافلة أدت السعة إلى زيادة مستوى الضوضاء. أخذ العينات المزدوجة المترابطة (CDS) أيضًا لا يمكن استخدامه مع مصفوفة الثنائي الضوئي بدون خارجي ذاكرة.[6]
شحن الجهاز إلى جانب
المقال الرئيسي: شحن الجهاز إلى جانب
ال شحن الجهاز إلى جانب (CCD) اخترعها ويلارد س بويل و جورج إي سميث في Bell Labs عام 1969.[22] أثناء البحث عن تقنية MOS ، أدركوا أن الشحنة الكهربائية هي تشبيه للفقاعة المغناطيسية وأنه يمكن تخزينها في مكثف MOS. لأنه كان مستقيمًا إلى حد ما اختلق سلسلة من المكثفات MOS على التوالي ، قاموا بتوصيل جهد مناسب لهم بحيث يمكن نقل الشحنة من واحد إلى التالي.[18] CCD عبارة عن دائرة أشباه موصلات تم استخدامها لاحقًا في الأول كاميرات فيديو رقمية إلى عن على البث التلفزيوني.[23]
عانت مجسات CCD المبكرة من تأخر المصراع. تم حل هذا إلى حد كبير مع اختراع الثنائي الضوئي المثبت (PPD).[7] تم اختراعه بواسطة نوبوكازو تيرانيشيوهيروميتسو شيراكي وياسو إيشيهارا في NEC في 1980.[7][24] كانت كاشف ضوئي هيكل مع تأخر منخفض ، منخفض الضوضاء، عالي كفاءة ذرية و منخفض الظلام الحالي.[7] في عام 1987 ، بدأ دمج PPD في معظم أجهزة CCD ، وأصبح عنصرًا أساسيًا في مستهلك الكتروني كاميرات الفيديو وثم الكاميرات الرقمية الثابتة. منذ ذلك الحين ، تم استخدام PPD في جميع مستشعرات CCD تقريبًا ثم مستشعرات CMOS.[7]
مستشعر البكسل النشط
المقال الرئيسي: مستشعر البكسل النشط
ال NMOS مستشعر البكسل النشط (APS) اخترعها أوليمبوس في اليابان خلال منتصف الثمانينيات. تم تمكين هذا من خلال التقدم في MOS تصنيع جهاز أشباه الموصلات، مع تحجيم MOSFET تصل إلى أصغر ميكرون ثم ميكرون الفرعي المستويات.[6][25] تم تصنيع أول NMOS APS بواسطة فريق Tsutomu Nakamura في أوليمبوس في عام 1985.[26] ال CMOS تم تطوير مستشعر البكسل النشط (مستشعر CMOS) لاحقًا بواسطة إريك فوسمفريق في ناسا مختبر الدفع النفاث في عام 1993.[7] بحلول عام 2007 ، تجاوزت مبيعات مستشعرات CMOS مستشعرات CCD.[27] بحلول عام 2010 ، استبدلت مستشعرات CMOS بشكل كبير مستشعرات CCD في جميع التطبيقات الجديدة.
مستشعرات الصور الأخرى:
اول تجاري كاميرا رقمية، ال Cromemco Cyclops في عام 1975 ، تم استخدام مستشعر صور 32 × 32 MOS. لقد كانت ديناميكية معدلة لـ MOS الرامات “الذاكرة العشوائية في الهواتف والحواسيب (درهم) رقاقة للذاكرة.[28]
على نطاق واسع في الفأرة البصرية تقنية. أول فأرة ضوئية اخترعها ريتشارد ف. ليون في زيروكس في عام 1980 ، تستخدم 5 µ م NMOS دارة متكاملة رقاقة الاستشعار.[29][30] منذ أول ماوس ضوئي تجاري ، تم إصدار IntelliMouse في عام 1999 ، تستخدم معظم أجهزة الماوس الضوئية مستشعرات CMOS.[31]
في فبراير 2018 ، باحثون في كلية دارتموث عن تقنية جديدة لاستشعار الصور أطلق عليها الباحثون اسم QIS ، لـ Quanta Image Sensor. بدلاً من البكسل ، تحتوي رقائق QIS على ما يسميه الباحثون “jots”. يمكن لكل نقطة اكتشاف جسيم واحد من الضوء ، يسمى أ الفوتون.[32]