تحول حسگرهای CMOS در ماژول‌های دوربین: از آزمایشگاه تا فناوری روزمره

ساخته شده در 10.09

هر فروشگاه الکترونیکی را که امروز وارد شوید، دوربین‌هایی خواهید یافت—چه در گوشی‌های هوشمند، دوربین‌های اکشن یا دستگاه‌های امنیتی—که با یک قطعه کوچک اما قدرتمند به نام حسگر CMOS پر شده‌اند. CMOS مخفف Semiconductor Oxide-Metal Complementary است، این تراشه نحوه ضبط نور و تبدیل آن به تصاویر دیجیتال را متحول کرده است. اما سفر آن از یک آزمایشگاه به ستون فقرات دنیای مدرنماژول‌های دوربیناین تغییرات یک شبه اتفاق نیفتاد. بیایید به بررسی تکامل حسگرهای CMOS بپردازیم و ببینیم چگونه از فناوری‌های قدیمی پیشی گرفتند، به نیازهای مصرف‌کننده سازگار شدند و آینده تصویربرداری را شکل دادند.

1. روزهای اولیه: CMOS در مقابل CCD – نبرد برای تسلط بر حسگر (دهه 1960 تا 1990)

قبل از اینکه CMOS در مرکز توجه قرار گیرد، دستگاه‌های جفت‌شده بار (CCDs) بر دنیای تصویر‌برداری سلطنت می‌کردند. CCDها که در دهه ۱۹۶۰ توسط آزمایشگاه‌های بل توسعه یافتند، در تبدیل نور به سیگنال‌های الکتریکی با حساسیت بالا و نویز کم عالی بودند—که برای عکس‌های واضح حیاتی است. به مدت چند دهه، آنها انتخاب اصلی برای دوربین‌های حرفه‌ای، تصویر‌برداری پزشکی و حتی تلسکوپ‌های فضایی مانند هابل بودند.

تکنولوژی CMOS، در مقابل، در حدود همان زمان ظهور کرد اما در ابتدا به عنوان یک "جایگزین ارزان" رد شد. سنسورهای اولیه CMOS دو نقص عمده داشتند: نویز بالا (که تصاویر دانه‌دار ایجاد می‌کرد) و حساسیت ضعیف به نور. بر خلاف CCDها که به مدارهای خارجی برای پردازش سیگنال نیاز داشتند، طراحی‌های اولیه CMOS اجزای پردازش را مستقیماً روی تراشه ادغام کردند—ویژگی‌ای که وعده کاهش مصرف انرژی را می‌داد اما با معایبی همراه بود. مدارهای روی تراشه تداخل الکتریکی ایجاد می‌کردند که کیفیت تصویر را خراب می‌کرد و سنسورهای CMOS در تطابق با دامنه دینامیکی CCDها (توانایی ضبط جزئیات روشن و تاریک) با مشکل مواجه بودند.

تا دهه ۱۹۸۰، با این حال، محققان شروع به دیدن پتانسیل CMOS کردند. مصرف کم انرژی آن یک تغییر دهنده بازی برای دستگاه‌های قابل حمل بود—چیزی که CCDها، که باتری‌ها را به سرعت تخلیه می‌کردند، نمی‌توانستند ارائه دهند. در سال ۱۹۹۳، تیمی در دانشگاه تگزاس در آستین، به رهبری دکتر اریک فاسوم، یک پیشرفت انجام داد: آنها طراحی "حسگر پیکسل فعال" (APS) را توسعه دادند. APS یک تقویت‌کننده کوچک به هر پیکسل در تراشه CMOS اضافه کرد، نویز را کاهش داد و حساسیت را افزایش داد. این نوآوری CMOS را از یک مفهوم ناقص به یک رقیب قابل قبول تبدیل کرد.

2. دهه 2000: تجاری‌سازی و ظهور مصرف‌کننده CMOS

دهه ۲۰۰۰ نشان‌دهنده انتقال CMOS از آزمایشگاه به قفسه‌های فروشگاه بود. دو عامل کلیدی این تغییر را هدایت کردند: هزینه و سازگاری با فناوری دیجیتال.

اولاً، حسگرهای CMOS ارزان‌تر برای تولید بودند. بر خلاف CCDها که به فرآیندهای تولید تخصصی نیاز داشتند، تراشه‌های CMOS می‌توانستند با استفاده از همان کارخانه‌هایی که میکروچیپ‌های کامپیوتری تولید می‌کردند (یک صنعت ۵۰ میلیارد دلاری در آن زمان) ساخته شوند. این مقیاس‌پذیری قیمت‌ها را کاهش داد و CMOS را برای برندهای الکترونیک مصرفی قابل دسترس کرد.

دوم، ماژول‌های دوربین در حال کوچک شدن بودند و CMOS این نیاز را برآورده می‌کرد. با جایگزینی دوربین‌های دیجیتال به جای مدل‌های فیلم، مصرف‌کنندگان خواستار دستگاه‌های کوچکتر و سبک‌تر بودند. پردازش یکپارچه CMOS به این معنی بود که ماژول‌های دوربین به مدارهای اضافی نیاز نداشتند و این امر باعث کاهش اندازه می‌شد. در سال 2000، کانن EOS D30 را معرفی کرد، اولین DSLR حرفه‌ای که از حسگر CMOS استفاده می‌کرد. این موضوع ثابت کرد که CMOS می‌تواند تصاویر با کیفیت DSLR ارائه دهد و به زودی برندهایی مانند نیکون و سونی نیز به این سمت رفتند.

تا اواسط دهه 2000، CMOS در دوربین‌های مصرفی از CCDها پیشی گرفته بود. یک گزارش از شرکت تحقیقاتی بازار IDC در سال 2005 نشان داد که 70% دوربین‌های دیجیتال از حسگرهای CMOS استفاده می‌کنند، در حالی که تنها 30% از CCDها استفاده می‌کنند. جریان تغییر کرده بود: CMOS دیگر یک "گزینه اقتصادی" نبود - بلکه استاندارد جدید بود.

3. دهه ۲۰۱۰: رونق گوشی‌های هوشمند – بزرگ‌ترین مختل‌کننده CMOS

اگر دهه ۲۰۰۰ میلادی، CMOS را به فناوری اصلی تبدیل کرد، دهه ۲۰۱۰ آن را به یک فناوری خانگی تبدیل کرد—به لطف گوشی‌های هوشمند. زمانی که اپل در سال ۲۰۰۷ آیفون را عرضه کرد، این دستگاه شامل یک سنسور CMOS ۲ مگاپیکسلی بود، اما دوربین‌های اولیه گوشی‌های هوشمند به عنوان "کافی" برای عکس‌های غیررسمی دیده می‌شدند و رقیبی برای دوربین‌های اختصاصی محسوب نمی‌شدند. این وضعیت به سرعت تغییر کرد زیرا مصرف‌کنندگان شروع به استفاده از گوشی‌ها به عنوان دوربین‌های اصلی خود کردند.

سازندگان گوشی‌های هوشمند به حسگرهای CMOS نیاز داشتند که کوچک (برای جا شدن در دستگاه‌های باریک) اما قدرتمند (برای ضبط تصاویر با کیفیت بالا در نور کم) باشند. این تقاضا سه نوآوری عمده را به وجود آورد:

a. CMOS با نور پس‌زمینه (BSI)

سنسورهای CMOS سنتی دارای سیم‌کشی در جلو هستند که مانع از رسیدن برخی از نورها به پیکسل می‌شود. BSI CMOS طراحی را معکوس می‌کند: سیم‌کشی در پشت قرار دارد، بنابراین نور بیشتری به پیکسل می‌رسد. این امر حساسیت نوری را تا ۴۰٪ افزایش داد و عکس‌های کم‌نور را واضح‌تر کرد. سونی BSI CMOS را در سال ۲۰۰۹ معرفی کرد و تا سال ۲۰۱۲، این فناوری در پرچمدارهایی مانند آیفون ۵ استاندارد شد.

b. CMOS انباشته

CMOS انباشته یک قدم جلوتر از BSI برداشته است. به جای قرار دادن مدارهای پردازش در همان لایه با پیکسل‌ها، لایه پیکسل را بر روی یک لایه پردازش جداگانه انباشته کرد. این کار فضای بیشتری برای پیکسل‌های بزرگتر (که نور بیشتری را جذب می‌کنند) و پردازش سریع‌تر (برای ویدیوهای 4K و حالت عکاسی متوالی) آزاد کرد. گلکسی S5 سامسونگ در سال 2014 از CMOS انباشته استفاده کرد و امروزه تقریباً تمام گوشی‌های هوشمند رده بالا به این طراحی وابسته‌اند.

c. پیکسل‌های بالاتر و دامنه دینامیک

تا اواخر دهه ۲۰۱۰، حسگرهای CMOS به ۴۸ مگاپیکسل (MP) و بالاتر رسیدند. حسگر ۴۸MP سونی در می ۹ شیائومی در سال ۲۰۱۹ و حسگر ۱۰۸MP سامسونگ (که در گلکسی S20 Ultra استفاده شده) مرزهای جزئیات را جابجا کردند. حسگرها همچنین دامنه دینامیکی را بهبود بخشیدند - از ۸ EV (مقدارهای نوردهی) در دهه ۲۰۰۰ تا ۱۴ EV+ امروز - که به دوربین‌ها اجازه می‌دهد غروب‌ها را بدون از بین بردن آسمان یا تیره کردن پیش‌زمینه‌ها ثبت کنند.

4. 2020s تا کنون: حسگرهای CMOS برای هوش مصنوعی، اینترنت اشیا و فراتر از آن

امروز، حسگرهای CMOS دیگر فقط برای دوربین‌ها نیستند—آن‌ها در حال قدرت‌دهی به یک عصر جدید از فناوری‌های هوشمند هستند. در اینجا چگونگی تکامل آن‌ها آمده است:

a. ادغام هوش مصنوعی

حسگرهای CMOS مدرن با چیپ‌های AI برای بهبود تصاویر در زمان واقعی کار می‌کنند. به عنوان مثال، گوشی Pixel 8 گوگل از حسگر CMOS 50 مگاپیکسلی همراه با AI برای "محاسبه" عکس‌ها استفاده می‌کند: این حسگر نویز را کاهش می‌دهد، رنگ‌ها را تنظیم می‌کند و حتی عکس‌های تار را قبل از فشار دادن دکمه شاتر اصلاح می‌کند. AI همچنین ویژگی‌هایی مانند ردیابی اشیاء (برای ویدئو) و حالت پرتره (که پس‌زمینه‌ها را به دقت تار می‌کند) را فعال می‌کند.

b. اینترنت اشیاء و امنیت

سنسورهای CMOS به اندازه‌ای کوچک هستند که می‌توانند در دستگاه‌های IoT مانند زنگ‌های هوشمند (به عنوان مثال، Ring) و مانیتورهای نوزاد قرار بگیرند. آنها همچنین در دوربین‌های امنیتی با دید در شب استفاده می‌شوند—به لطف حساسیت به مادون قرمز (IR)، سنسورهای CMOS می‌توانند تصاویر واضحی را در تاریکی کامل ثبت کنند. در سال 2023، شرکت تحقیقاتی Yole Développement گزارش داد که ماژول‌های دوربین IoT باعث رشد سالانه 12 درصدی در فروش سنسورهای CMOS تا سال 2028 خواهند شد.

c. حسگرهای تخصصی برای استفاده‌های خاص

حسگرهای CMOS به صنایع خاصی سفارشی‌سازی می‌شوند:

• خودرو: خودروهای خودران از حسگرهای CMOS (که به آنها "حسگرهای تصویر" گفته می‌شود) برای شناسایی عابران پیاده، چراغ‌های راهنمایی و سایر وسایل نقلیه استفاده می‌کنند. این حسگرها دارای نرخ فریم بالایی (تا 120 فریم در ثانیه) هستند تا اشیاء با سرعت بالا را ضبط کنند.

• پزشکی: حسگرهای مینیاتوری CMOS در اندوسکوپ‌ها برای مشاهده داخل بدن استفاده می‌شوند و حسگرهای با حساسیت بالا در تصویربرداری با اشعه ایکس و MRI کمک می‌کنند.

• فضا: مریخ‌نورد پرسیورنس ناسا از حسگر CMOS برای عکاسی از مریخ استفاده می‌کند. بر خلاف CCDها، CMOS می‌تواند در برابر تابش شدید فضا مقاومت کند و این آن را برای اکتشاف ایده‌آل می‌سازد.

d. توان پایین، کارایی بالاتر

با هوشمندتر شدن دستگاه‌ها، عمر باتری همچنان یک اولویت باقی می‌ماند. طراحی‌های جدید CMOS از "حالت‌های کم‌مصرف" استفاده می‌کنند که مصرف انرژی را در زمانی که سنسور فعال نیست، 30-50% کاهش می‌دهد. به عنوان مثال، ساعت‌های هوشمند با سنسورهای CMOS (برای نظارت بر ضربان قلب و ردیابی تناسب اندام) می‌توانند روزها با یک بار شارژ کار کنند.

5. آینده: چه چیزی در انتظار CMOS در ماژول‌های دوربین است؟

تکامل حسگرهای CMOS نشانه‌ای از کند شدن ندارد. در اینجا سه روند برای نظارت وجود دارد:

a. شاتر جهانی CMOS

بیشتر حسگرهای CMOS از "شاتر رولینگ" استفاده می‌کنند که تصاویر را خط به خط ضبط می‌کند—این می‌تواند باعث اعوجاج شود (به عنوان مثال، ساختمان‌های کج در ویدیوهای سریع). شاتر جهانی CMOS تمام تصویر را به طور همزمان ضبط می‌کند و اعوجاج را از بین می‌برد. این فناوری در دوربین‌های حرفه‌ای (مانند FX6 سونی) استفاده می‌شود، اما هزینه بالایی دارد. با کاهش هزینه‌ها، شاتر جهانی به گوشی‌های هوشمند خواهد آمد و ویدیوهای اکشن و محتوای واقعیت مجازی را روان‌تر خواهد کرد.

b. تصویربرداری چندطیفی

سنسورهای CMOS آینده فقط نور مرئی را ثبت نخواهند کرد—آنها قادر به تشخیص اشعه مادون قرمز، فرابنفش (UV) و حتی تابش حرارتی خواهند بود. این می‌تواند به گوشی‌های هوشمند اجازه دهد دما را اندازه‌گیری کنند (برای پخت و پز یا بررسی‌های سلامتی) یا از میان مه ببینند (برای رانندگی). سامسونگ و سونی در حال حاضر در حال آزمایش CMOS چندطیفی هستند و انتظار می‌رود دستگاه‌های تجاری تا سال 2026 عرضه شوند.

c. حسگرهای کوچکتر و قدرتمندتر

قانون مور (که پیش‌بینی می‌کند چیپ‌های کوچک‌تر و سریع‌تری تولید شوند) همچنین به CMOS نیز اعمال می‌شود. محققان در حال توسعه حسگرهای CMOS "نانویی" هستند، جایی که پیکسل‌ها تنها 0.5 میکرومتر (μm) عرض دارند (پیکسل‌های فعلی 1-2 μm هستند). این حسگرهای کوچک در دستگاه‌هایی مانند عینک‌های هوشمند و لنزهای تماسی جا می‌گیرند و امکانات جدیدی برای واقعیت افزوده/واقعیت مجازی و نظارت بر سلامت فراهم می‌کنند.

نتیجه گیری

از یک گزینه‌ی پر سر و صدا و نادیده گرفته شده به CCDها تا موتور تصویربرداری مدرن، حسگرهای CMOS راه طولانی را طی کرده‌اند. تکامل آن‌ها تحت تأثیر تقاضای مصرف‌کننده بوده است—برای دستگاه‌های کوچکتر، عکس‌های بهتر و فناوری‌های هوشمند—و این موضوع به افزایش استفاده از گوشی‌های هوشمند، هوش مصنوعی و اینترنت اشیاء مرتبط است.

امروز، هر بار که با گوشی خود عکسی می‌گیرید، یک کد QR را اسکن می‌کنید یا دوربین امنیتی را بررسی می‌کنید، از یک حسگر CMOS استفاده می‌کنید. و با پیشرفت فناوری، این تراشه‌های کوچک همچنان مرزهای ممکن را جابجا خواهند کرد—چه در حال گرفتن سلفی‌های مریخ‌نورد، چه در تأمین انرژی خودروهای خودران، یا چه در اجازه دادن به ما برای دیدن جهان به روش‌هایی که هرگز تصور نکرده‌ایم.

برای کسب‌وکارهایی که ماژول‌های دوربین یا فناوری مصرفی می‌سازند، پیشی گرفتن از روندهای CMOS کلیدی است. با هوشمندتر، کوچکتر و کارآمدتر شدن حسگرها، آنها به شکل‌گیری نحوه تعامل ما با دنیای دیجیتال ادامه خواهند داد—یک پیکسل در یک زمان.

تماس

اطلاعات خود را وارد کنید و ما با شما تماس خواهیم گرفت.

درباره ما

محصولات

درباره ما

پشتیبانی

+8618520876676

+8613603070842

اخبار

leo@aiusbcam.com

vicky@aiusbcam.com

WeChat