مقدمة لتقنية مستشعر الصور

الفرضية الأساسية للتصوير الإلكتروني هي أن الطاقة الضوئية يتم تحويلها إلى كهرباء بطريقة تحافظ على المعلومات المرئية ، مما يسمح لنا بإعادة بناء الخصائص البصرية للمشهد. هذا التفاعل المتوقع بين الفوتونات والإلكترونات يبدأ عملية التقاط الصور الرقمية. بعد تحويل الطاقة التي يتم توصيلها بواسطة الفوتونات الحادثة إلى طاقة كهربائية ، يجب أن يكون لدى النظام طريقة ما لتحديد هذه الطاقة وتخزينها كتسلسل (أو مصفوفة) من القيم.

في معظم مستشعرات الصور ، يتم التحويل من الضوء إلى الكهرباء بواسطة ثنائي ضوئي ، وهو تقاطع PN الذي يفضل هيكله توليد أزواج ثقب الإلكترون استجابة للضوء الساقط.

عادة ما تكون الثنائيات الضوئية مصنوعة من السيليكون ، ولكن مواد أشباه الموصلات الأخرى مثل زرنيخيد الإنديوم ، أنتيمونيد الإنديوم ، تيلوريد الكادميوم الزئبقي ، وما إلى ذلك تستخدم أيضًا لأغراض خاصة مختلفة.

كان التقدم المهم في تكنولوجيا مستشعر الصور هو إنشاء ثنائي ضوئي من النوع المثبت. في الصورة أعلاه ، يتكون الصمام الضوئي ، مثل الصمام الثنائي العادي ، من منطقة من النوع p ومنطقة من النوع n.

تحتوي الثنائيات الضوئية من النوع المثبت على منطقة إضافية مصنوعة من أشباه الموصلات من النوع p (p للأشباه الموصلات القصيرة) ؛ كما هو موضح ، فهي أرق من المنطقتين الأخريين.

يوضح هذا الشكل هيكل ثنائي ضوئي مثبت مدمج في مستشعر صورة

تم تقديمه في OS ، حل الديوديدات الضوئية المثبتة المشكلة (تسمى "التخلف") المرتبطة بالتأخير في نقل الشحنة المولدة بالضوء. كما توفر الثنائيات الضوئية ذات النمط المثبت كفاءة كمية أعلى وأداء ضوضاء محسن وتيار مظلم أقل (سنعود إلى هذه المفاهيم لاحقًا في هذه السلسلة).

اليوم ، العنصر الحساس للضوء في جميع مستشعرات الصور CCD و CMOS تقريبًا هو ثنائي ضوئي مثبت.

تقنيات التصوير الرئيسية هما CCD (جهاز الشحن المقترن) و CMOS.

هناك أيضًا أنواع أخرى من المستشعرات ، مثل مستشعرات NMOS للمقياس الطيفي ، ومقاييس الضوء المصغرة التي توفر حساسية التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء ، وقد تستخدم التطبيقات الخاصة صفيفات الصوديوم الضوئية المتصلة بدوائر المضخم المخصصة.

ومع ذلك ، سنركز على CCD و CMOS. تغطي فئتي الاستشعار العامتين هاتين مجموعة واسعة جدًا من التطبيقات والوظائف.

يبدو أن الناس ينجذبون إلى الحكم على قيمة "ما هو الأفضل ؟" أسئلة مثل جبل السطح أو من خلال ثقب ؟ BJT أو FET ؟ كانون أو نيكون ؟ ويندوز أو ماك (أو لينكس) ؟ هذه الأسئلة نادرا ما يكون لها إجابات ذات مغزى ، وحتى مقارنة الميزات الفردية يمكن أن يكون صعبا.

إذن ، ما هو الأفضل ، CMOS أو CCD ؟ تسير المقارنة التقليدية على هذا المنوال: يحتوي CCD على ضوضاء أقل ، وتوحيد أفضل من البكسل إلى البكسل ، وله سمعة جيدة لجودة الصورة الفائقة. توفر أجهزة استشعار CMOS مستويات أعلى من التكامل-مما يقلل من التعقيد لمصممي الدوائر-ويقلل من استهلاك الطاقة.

أنا لا أقول أن هذا التقييم غير دقيق ، ولكن فائدته محدودة. يعتمد الكثير على احتياجاتك من أجهزة الاستشعار ومتطلباتك وأولوياتك.

بالإضافة إلى ذلك ، تتغير التكنولوجيا بسرعة ، وقد تغير كمية الأموال الكبيرة المستثمرة في أبحاث وتطوير التصوير الرقمي تدريجياً نمط CCD و CMOS.

ثانيًا ، مستشعرات الصور لا تنتج صورًا. إنه جزء لا يتجزأ من نظام التصوير الرقمي (وهو جزء مهم للغاية بالطبع) ، ولا تعتمد جودة الصورة المدركة التي ينتجها النظام على المستشعر فقط ، ولكن عوامل أخرى كثيرة. ليس هناك شك في أن CCDs يتفوق على أجهزة استشعار CMOS لبعض الخصائص الإلكترونية الضوئية. ولكن ربط CCD مع أعلى بشكل عامتبدو جودة الصورة غير معقولة بعض الشيء.

يتطلب النظام المستند إلى مستشعر CCD استثمارًا كبيرًا في التصميم. تتطلب CCDs مجموعة متنوعة من الفولتية ذات المستوى غير المنطقي والتحكم في الطاقة (بما في ذلك الفولتية السلبية) ، ويمكن أن يكون التوقيت الذي يجب تطبيقه على المستشعر معقدًا للغاية. إن "بيانات" الصورة التي ينتجها المستشعر هي شكل موجي تناظري يحتاج إلى تضخيم وعينات دقيقة ، وبالطبع فإن أي دائرة لمعالجة الإشارات أو تحويل البيانات لديها القدرة على إحداث ضوضاء.

يبدأ الأداء المنخفض الضوضاء مع CCD ، لكنه لا ينتهي هناك-يجب أن نسعى جاهدين لتقليل الضوضاء في جميع أنحاء سلسلة الإشارة.

شكل موجي الناتج CCD

الوضع مختلف تمامًا بالنسبة لمستشعرات الصور CMOS. تعمل بشكل أكبر مثل الدوائر المتكاملة القياسية ، مع مصادر جهد على المستوى المنطقي ، ومعالجة الصور على الشريحة ، وبيانات الإخراج الرقمي. قد تضطر أيضًا إلى التعامل مع بعض ضجيج الصورة الإضافي ، ولكن في العديد من التطبيقات ، هذا سعر صغير للدفع مقابل تقليل تعقيد التصميم إلى حد كبير وتكلفة التطوير والضغط.

معالجة الصور ليست مهمة متحكم دقيق نموذجية ، خاصة عندما تعمل باستخدام أجهزة استشعار ذات معدل إطار مرتفع أو دقة عالية. ستستفيد معظم التطبيقات من قوة الحوسبة لمعالج الإشارة الرقمية أو FPGA.

يجب أيضًا النظر في الضغط ، خاصةً إذا كنت بحاجة إلى تخزين الصور في الذاكرة أو نقلها لاسلكياً. يمكن تنفيذ ذلك بواسطة البرامج أو الأجهزة القابلة للبرمجة.