اللغة العربية
تطور مستشعرات CMOS في وحدات الكاميرا: من المختبر إلى التكنولوجيا اليومية
تم إنشاؤها 10.09
ادخل إلى أي متجر للإلكترونيات اليوم، وستجد الكاميرات—سواء في الهواتف الذكية، أو كاميرات الحركة، أو أجهزة الأمان—معبأة بمكون صغير ولكنه قوي: مستشعر CMOS. اختصار لـ Complementary Metal-Oxide-Semiconductor، لقد أحدثت هذه الشريحة ثورة في كيفية التقاطنا للضوء وتحويله إلى صور رقمية. لكن رحلتها من تجربة مختبر إلى العمود الفقري للحديثوحدات الكاميرالم يكن ذلك بين عشية وضحاها. دعونا نتتبع تطور مستشعرات CMOS، مستكشفين كيف تفوقت على التقنيات القديمة، وتكيفت مع احتياجات المستهلكين، وشكلت مستقبل التصوير.
1. الأيام الأولى: CMOS مقابل CCD – المعركة من أجل هيمنة المستشعرات (1960s–1990s)
قبل أن تتصدر CMOS المشهد، كانت أجهزة نقل الشحن (CCDs) تهيمن على عالم التصوير. تم تطوير CCDs في الستينيات بواسطة مختبرات بيل، وكانت تتفوق في تحويل الضوء إلى إشارات كهربائية بحساسية عالية وضوضاء منخفضة - وهو أمر حاسم للحصول على صور واضحة. لعقود، كانت الخيار المفضل لكاميرات المحترفين، والتصوير الطبي، وحتى التلسكوبات الفضائية مثل هابل.
تكنولوجيا CMOS، بالمقابل، ظهرت في نفس الوقت تقريبًا ولكن تم تجاهلها في البداية كـ "بديل اقتصادي". كانت هناك عيبان رئيسيان في مستشعرات CMOS المبكرة: الضوضاء العالية (التي تسببت في صور ذات حبيبات) والحساسية الضعيفة للضوء. على عكس CCDs، التي كانت تتطلب دوائر خارجية لمعالجة الإشارة، كانت تصميمات CMOS المبكرة تدمج مكونات المعالجة مباشرة على الشريحة - وهي ميزة وعدت باستهلاك طاقة أقل ولكنها جاءت مع تنازلات. كانت الدوائر على الشريحة تولد تداخلًا كهربائيًا، مما دمر جودة الصورة، وكانت مستشعرات CMOS تكافح لمطابقة النطاق الديناميكي لـ CCDs (القدرة على التقاط التفاصيل الساطعة والداكنة على حد سواء).
بحلول الثمانينيات، بدأ الباحثون في رؤية إمكانيات CMOS. كان استخدامه المنخفض للطاقة نقطة تحول للأجهزة المحمولة - وهو ما لم تتمكن CCDs، التي تستنزف البطاريات بسرعة، من تقديمه. في عام 1993، حقق فريق من جامعة تكساس في أوستن، بقيادة الدكتور إريك فوسوم، اختراقًا: حيث طوروا تصميم "مستشعر البكسل النشط" (APS). أضافت APS مضخمًا صغيرًا إلى كل بكسل على شريحة CMOS، مما قلل من الضوضاء وزاد من الحساسية. حولت هذه الابتكار CMOS من مفهوم معيب إلى منافس قابل للتطبيق.
2. العقد 2000: commercialization وظهور CMOS الاستهلاكي
شهدت العقد الأول من الألفية الثانية انتقال CMOS من المختبر إلى رفوف المتاجر. كان هناك عاملان رئيسيان دفعا هذا التحول: التكلفة والتوافق مع التكنولوجيا الرقمية.
أولاً، كانت حساسات CMOS أرخص في التصنيع. على عكس CCDs، التي كانت تتطلب عمليات إنتاج متخصصة، كان يمكن تصنيع رقائق CMOS باستخدام نفس المصانع التي تنتج رقائق الكمبيوتر (صناعة بقيمة 50 مليار دولار في ذلك الوقت). وقد أدى هذا القابلية للتوسع إلى خفض الأسعار، مما جعل CMOS متاحة لعلامات الإلكترونيات الاستهلاكية.
ثانياً، كانت وحدات الكاميرا تتقلص - وكانت CMOS تلبي هذا الطلب. مع استبدال الكاميرات الرقمية لنماذج الأفلام، طالب المستهلكون بأجهزة أصغر وأخف وزناً. كانت المعالجة المدمجة لـ CMOS تعني أن وحدات الكاميرا لم تكن بحاجة إلى لوحات دوائر إضافية، مما قلل من الحجم. في عام 2000، أصدرت كانون كاميرا EOS D30، أول كاميرا DSLR احترافية تستخدم مستشعر CMOS. أثبتت أن CMOS يمكن أن تقدم صوراً بجودة DSLR، وسرعان ما تبعتها علامات تجارية مثل نيكون وسوني.
بحلول منتصف العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، كانت CMOS قد تفوقت على CCDs في الكاميرات الاستهلاكية. وجدت تقرير صادر عن شركة أبحاث السوق IDC في عام 2005 أن 70% من الكاميرات الرقمية تستخدم مستشعرات CMOS، مقارنةً بـ 30% فقط لمستشعرات CCD. لقد تغيرت الموازين: لم تعد CMOS "خيارًا اقتصاديًا" - بل أصبحت المعيار الجديد.
3. العقد 2010: ازدهار الهواتف الذكية – أكبر م disruptor لـ CMOS
إذا كانت العقد 2000 قد جعلت CMOS شائعًا، فإن العقد 2010 حولته إلى تقنية منزلية—بفضل الهواتف الذكية. عندما أصدرت شركة آبل هاتف iPhone في عام 2007، كان يتضمن مستشعر CMOS بدقة 2 ميجابكسل، لكن الكاميرات في الهواتف الذكية في البداية كانت تُعتبر "جيدة بما يكفي" للصور العادية، وليست منافسة للكاميرات المخصصة. تغير ذلك بسرعة مع بدء المستهلكين في استخدام الهواتف ككاميراتهم الأساسية.
احتاج صانعو الهواتف الذكية إلى مستشعرات CMOS صغيرة (لتناسب الأجهزة النحيفة) ولكنها قوية (للتقاط صور عالية الجودة في الإضاءة المنخفضة). قاد هذا الطلب إلى ثلاثة ابتكارات رئيسية:
أ. CMOS مضاء من الخلف (BSI)
تحتوي مستشعرات CMOS التقليدية على أسلاك في المقدمة، مما يمنع بعض الضوء من الوصول إلى البكسل. يقوم BSI CMOS بعكس التصميم: الأسلاك في الخلف، لذا يصل المزيد من الضوء إلى البكسل. وقد زاد ذلك من حساسية الضوء بنسبة تصل إلى 40%، مما يجعل الصور في الإضاءة المنخفضة أكثر وضوحًا. قدمت سوني BSI CMOS في عام 2009، وبحلول عام 2012، أصبح معيارًا في الهواتف الرائدة مثل آيفون 5.
ب. CMOS المكدس
أخذت CMOS المكدسة BSI خطوة إلى الأمام. بدلاً من وضع دوائر المعالجة على نفس طبقة البكسلات، قامت بتكديس طبقة البكسلات فوق طبقة معالجة منفصلة. وهذا أتاح مساحة لبكسلات أكبر (تلتقط المزيد من الضوء) ومعالجة أسرع (لفيديو 4K ووضع الانفجار). استخدمت سامسونغ Galaxy S5 المكدس في عام 2014، واليوم، تعتمد جميع الهواتف الذكية الراقية تقريبًا على هذا التصميم.
ج. دقة أعلى ونطاق ديناميكي
بحلول أواخر العقد 2010، وصلت حساسات CMOS إلى 48 ميغابكسل (MP) وما بعدها. كان لدى هاتف Xiaomi Mi 9 لعام 2019 حساس Sony بدقة 48MP، ودفع حساس Samsung بدقة 108MP (المستخدم في Galaxy S20 Ultra) حدود التفاصيل. كما تحسنت حساسات النطاق الديناميكي - من 8 EV (قيم التعريض) في العقد 2000 إلى 14 EV+ اليوم - مما يسمح للكاميرات بالتقاط غروب الشمس دون إضاءة السماء بشكل مفرط أو تظليل المقدمة.
4. 2020s إلى الحاضر: مستشعرات CMOS للذكاء الاصطناعي، وإنترنت الأشياء، وما بعده
اليوم، لم تعد حساسات CMOS مخصصة فقط للكاميرات—إنها تدعم عصرًا جديدًا من التكنولوجيا الذكية. إليك كيف تتطور:
أ. دمج الذكاء الاصطناعي
تعمل مستشعرات CMOS الحديثة مع شرائح الذكاء الاصطناعي لتحسين الصور في الوقت الحقيقي. على سبيل المثال، يستخدم هاتف Google Pixel 8 مستشعر CMOS بدقة 50 ميجابكسل مقترنًا بالذكاء الاصطناعي لـ "حساب" الصور: حيث يقلل من الضوضاء، ويضبط الألوان، وحتى يصلح اللقطات الضبابية قبل أن تضغط على زر الغالق. كما يمكّن الذكاء الاصطناعي ميزات مثل تتبع الأجسام (للفيديو) ووضع البورتريه (الذي يblur الخلفيات بدقة).
ب. إنترنت الأشياء والأمان
تعد حساسات CMOS صغيرة بما يكفي لتناسب أجهزة إنترنت الأشياء مثل جرس الباب الذكي (مثل Ring) وأجهزة مراقبة الأطفال. كما أنها تستخدم في كاميرات الأمن المزودة برؤية ليلية - بفضل حساسية الأشعة تحت الحمراء (IR)، يمكن لحساسات CMOS التقاط صور واضحة في الظلام الدامس. في عام 2023، أفادت شركة أبحاث السوق Yole Développement أن وحدات كاميرات إنترنت الأشياء ستدفع نموًا سنويًا بنسبة 12% في مبيعات حساسات CMOS بحلول عام 2028.
ج. أجهزة استشعار متخصصة للاستخدامات المتخصصة
تتم تهيئة حساسات CMOS لتناسب صناعات معينة:
• السيارات: تستخدم السيارات ذاتية القيادة حساسات CMOS (تسمى "حساسات الصور") لاكتشاف المشاة، وإشارات المرور، والمركبات الأخرى. تتمتع هذه الحساسات بمعدلات إطارات عالية (تصل إلى 120 إطارًا في الثانية) لالتقاط الأجسام سريعة الحركة.
• طبي: تُستخدم حساسات CMOS المصغرة في المناظير لرؤية داخل الجسم، وتساعد الحساسات عالية الحساسية في تصوير الأشعة السينية والرنين المغناطيسي.
• الفضاء: تستخدم مركبة ناسا بيرسيفيرانس مستشعر CMOS لالتقاط صور للمريخ. على عكس CCDs، يمكن لمستشعر CMOS تحمل الإشعاع القاسي في الفضاء، مما يجعله مثالياً للاستكشاف.
د. طاقة أقل، كفاءة أعلى
مع تزايد ذكاء الأجهزة، تظل عمر البطارية أولوية. تستخدم تصميمات CMOS الجديدة "وضعيات منخفضة الطاقة" تقلل من استهلاك الطاقة بنسبة 30-50% عندما لا يكون المستشعر نشطًا. على سبيل المثال، يمكن أن تستمر الساعات الذكية المزودة بمستشعرات CMOS (لمراقبة معدل ضربات القلب وتتبع اللياقة البدنية) لعدة أيام بشحنة واحدة.
5. المستقبل: ماذا ينتظر CMOS في وحدات الكاميرا؟
تطور حساسات CMOS لا يظهر أي علامات على التباطؤ. إليك ثلاث اتجاهات يجب مراقبتها:
a. مستشعر CMOS ذو غالق عالمي
تستخدم معظم مستشعرات CMOS "غالق متدحرج"، والذي يلتقط الصور سطرًا بسطر - مما يمكن أن يتسبب في تشويه (مثل المباني المائلة في الفيديو السريع الحركة). يلتقط غالق CMOS العالمي الصورة بالكامل دفعة واحدة، مما يقضي على التشويه. يتم استخدامه بالفعل في الكاميرات الاحترافية (مثل Sony FX6)، لكنه مكلف. مع انخفاض التكاليف، سيصل الغالق العالمي إلى الهواتف الذكية، مما يجعل فيديو الحركة ومحتوى الواقع الافتراضي أكثر سلاسة.
b. التصوير متعدد الطيف
ستلتقط مستشعرات CMOS المستقبلية أكثر من مجرد الضوء المرئي - ستكتشف الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية (UV) وحتى الإشعاع الحراري. قد يسمح هذا للهواتف الذكية بقياس درجة الحرارة (للطهي أو الفحوصات الصحية) أو الرؤية من خلال الضباب (للسياقة). تقوم سامسونج وسوني بالفعل باختبار مستشعرات CMOS متعددة الطيف، مع توقع توفر الأجهزة التجارية بحلول عام 2026.
ج. مستشعرات أصغر وأكثر قوة
قانون مور (الذي يتنبأ بشريحة أصغر وأسرع) ينطبق أيضًا على CMOS. يقوم الباحثون بتطوير مستشعرات CMOS "نانوبكسل"، حيث تكون البكسلات بعرض 0.5 ميكرومتر (μm) فقط (البكسلات الحالية تتراوح بين 1-2 μm). ستتناسب هذه المستشعرات الصغيرة مع أجهزة مثل النظارات الذكية وعدسات الاتصال، مما يفتح آفاقًا جديدة للواقع المعزز/الواقع الافتراضي ومراقبة الصحة.
استنتاج
من بديل صاخب ومهمل إلى CCDs إلى محرك التصوير الحديث، قطعت مستشعرات CMOS شوطًا طويلاً. لقد تم دفع تطورها بواسطة طلب المستهلكين - للحصول على أجهزة أصغر، وصور أفضل، وتقنية أكثر ذكاءً - وهي مرتبطة بارتفاع الهواتف الذكية، والذكاء الاصطناعي، وإنترنت الأشياء.
اليوم، في كل مرة تلتقط فيها صورة بهاتفك، أو تمسح رمز الاستجابة السريعة، أو تتحقق من كاميرا الأمان، فإنك تستخدم مستشعر CMOS. ومع تقدم التكنولوجيا، ستستمر هذه الشرائح الصغيرة في دفع حدود ما هو ممكن - سواء كان ذلك التقاط صور سيلفي لمركبة المريخ، أو تشغيل السيارات ذاتية القيادة، أو السماح لنا برؤية العالم بطرق لم نتخيلها من قبل.
بالنسبة للشركات التي تبني وحدات الكاميرا أو التكنولوجيا الاستهلاكية، فإن البقاء في صدارة اتجاهات CMOS هو أمر أساسي. مع تزايد ذكاء المستشعرات، وصغر حجمها، وزيادة كفاءتها، ستستمر في تشكيل كيفية تفاعلنا مع العالم الرقمي - بكسل واحد في كل مرة.
اتصل
اترك معلوماتك وسنتصل بك.
WhatsApp
WeChat