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कैमरा मॉड्यूल में CMOS सेंसर का विकास: प्रयोगशाला से रोज़मर्रा की तकनीक तक
बना गयी 10.09
किसी भी इलेक्ट्रॉनिक्स स्टोर में आज जाएं, और आप कैमरे पाएंगे—चाहे वे स्मार्टफोन्स में हों, एक्शन कैम में, या सुरक्षा उपकरणों में—एक छोटे लेकिन शक्तिशाली घटक के साथ: CMOS सेंसर। Complementary Metal-Oxide-Semiconductor का संक्षिप्त रूप, यह चिप ने हमारे द्वारा प्रकाश को कैप्चर करने और उसे डिजिटल छवियों में बदलने के तरीके में क्रांति ला दी है। लेकिन इसका सफर एक प्रयोगशाला प्रयोग से आधुनिक तकनीक की रीढ़ तक कैसे पहुंचा, यह एक दिलचस्प कहानी है।कैमरा मॉड्यूल्सयह रातोंरात नहीं था। चलिए CMOS सेंसर के विकास का पता लगाते हैं, यह देखते हैं कि कैसे उन्होंने पुराने तकनीकों को पीछे छोड़ दिया, उपभोक्ता की जरूरतों के अनुसार अनुकूलित किया, और इमेजिंग के भविष्य को आकार दिया।
1. प्रारंभिक दिन: CMOS बनाम CCD – सेंसर प्रभुत्व के लिए लड़ाई (1960 के दशक–1990 के दशक)
सीएमओएस के मुख्य मंच पर आने से पहले, चार्ज-कपल्ड डिवाइस (सीसीडी) इमेजिंग की दुनिया में राज करते थे। 1960 के दशक में बेल लैब्स द्वारा विकसित, सीसीडी ने उच्च संवेदनशीलता और कम शोर के साथ प्रकाश को विद्युत संकेतों में परिवर्तित करने में उत्कृष्टता हासिल की—स्पष्ट फोटो के लिए महत्वपूर्ण। दशकों तक, वे पेशेवर कैमरों, चिकित्सा इमेजिंग, और यहां तक कि हबल जैसे अंतरिक्ष टेलीस्कोप के लिए पसंदीदा विकल्प थे।
CMOS प्रौद्योगिकी, इसके विपरीत, लगभग उसी समय उभरी लेकिन इसे प्रारंभ में "बजट विकल्प" के रूप में खारिज कर दिया गया। प्रारंभिक CMOS सेंसर में दो प्रमुख दोष थे: उच्च शोर (जिससे दानेदार छवियाँ बनती थीं) और खराब प्रकाश संवेदनशीलता। CCDs के विपरीत, जिन्हें सिग्नल प्रोसेसिंग के लिए बाहरी सर्किटरी की आवश्यकता होती थी, प्रारंभिक CMOS डिज़ाइन ने चिप पर सीधे प्रोसेसिंग घटकों को एकीकृत किया—एक विशेषता जिसने कम शक्ति खपत का वादा किया लेकिन इसके साथ व्यापारिक समझौते भी थे। ऑन-चिप सर्किट ने विद्युत हस्तक्षेप उत्पन्न किया, जिससे छवि गुणवत्ता खराब हो गई, और CMOS सेंसर CCDs की गतिशील रेंज (उज्ज्वल और अंधेरे दोनों विवरणों को कैप्चर करने की क्षमता) से मेल खाने में संघर्ष करते थे।
1980 के दशक तक, हालांकि, शोधकर्ताओं ने CMOS की संभावनाओं को देखना शुरू कर दिया। इसका कम पावर उपयोग पोर्टेबल उपकरणों के लिए एक गेम-चेंजर था—कुछ ऐसा जो CCDs, जो बैटरी को जल्दी खत्म कर देते थे, प्रदान नहीं कर सकते थे। 1993 में, टेक्सास विश्वविद्यालय, ऑस्टिन में, डॉ. एरिक फॉस्सम के नेतृत्व में एक टीम ने एक महत्वपूर्ण सफलता हासिल की: उन्होंने "एक्टिव-पिक्सेल सेंसर" (APS) डिज़ाइन विकसित किया। APS ने CMOS चिप पर प्रत्येक पिक्सेल में एक छोटा एम्प्लीफायर जोड़ा, शोर को कम किया और संवेदनशीलता को बढ़ाया। इस नवाचार ने CMOS को एक दोषपूर्ण अवधारणा से एक व्यवहार्य प्रतियोगी में बदल दिया।
2. 2000 के दशक: वाणिज्यीकरण और उपभोक्ता CMOS का उदय
2000 के दशक ने CMOS के प्रयोगशाला से स्टोर शेल्व्स में संक्रमण को चिह्नित किया। इस बदलाव को दो प्रमुख कारकों ने प्रेरित किया: लागत और डिजिटल प्रौद्योगिकी के साथ संगतता।
पहले, CMOS सेंसर का निर्माण करना सस्ता था। CCDs के विपरीत, जिन्हें विशेष उत्पादन प्रक्रियाओं की आवश्यकता होती थी, CMOS चिप्स को उन ही फैक्ट्रियों का उपयोग करके बनाया जा सकता था जो कंप्यूटर माइक्रोचिप्स का उत्पादन करती थीं (उस समय एक $50 बिलियन उद्योग)। इस पैमाने पर उत्पादन ने कीमतों को कम किया, जिससे CMOS उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स ब्रांडों के लिए सुलभ हो गया।
दूसरे, कैमरा मॉड्यूल सिकुड़ रहे थे—और CMOS इस आवश्यकता को पूरा करता था। जैसे-जैसे डिजिटल कैमरों ने फिल्म मॉडल को प्रतिस्थापित किया, उपभोक्ताओं ने छोटे, हल्के उपकरणों की मांग की। CMOS की एकीकृत प्रोसेसिंग का मतलब था कि कैमरा मॉड्यूल को अतिरिक्त सर्किट बोर्ड की आवश्यकता नहीं थी, जिससे आकार में कमी आई। 2000 में, कैनन ने EOS D30 जारी किया, जो CMOS सेंसर का उपयोग करने वाला पहला पेशेवर DSLR था। इसने साबित किया कि CMOS DSLR-गुणवत्ता वाली छवियाँ प्रदान कर सकता है, और जल्द ही, निकॉन और सोनी जैसे ब्रांडों ने भी इसका अनुसरण किया।
2000 के मध्य तक, CMOS ने उपभोक्ता कैमरों में CCDs को पीछे छोड़ दिया था। मार्केट रिसर्च फर्म IDC की 2005 की एक रिपोर्ट में पाया गया कि 70% डिजिटल कैमरों में CMOS सेंसर का उपयोग किया गया, जबकि CCDs के लिए केवल 30% था। लहर पलट गई थी: CMOS अब "बजट विकल्प" नहीं था - यह नया मानक था।
3. 2010 के दशक: स्मार्टफोन बूम - CMOS का सबसे बड़ा व्यवधान
यदि 2000 के दशक ने CMOS को मुख्यधारा में लाया, तो 2010 के दशक ने इसे एक घरेलू तकनीक में बदल दिया—स्मार्टफोनों के कारण। जब Apple ने 2007 में iPhone जारी किया, तो इसमें 2-मेगापिक्सल का CMOS सेंसर शामिल था, लेकिन प्रारंभिक स्मार्टफोन कैमरों को "पर्याप्त अच्छा" माना जाता था, न कि समर्पित कैमरों के लिए प्रतिस्पर्धा। यह तेजी से बदल गया जब उपभोक्ताओं ने फोन का उपयोग अपने प्राथमिक कैमरों के रूप में करना शुरू किया।
स्मार्टफोन निर्माताओं को CMOS सेंसर की आवश्यकता थी जो छोटे (पतले उपकरणों में फिट होने के लिए) लेकिन शक्तिशाली (कम रोशनी में उच्च गुणवत्ता वाली छवियों को कैप्चर करने के लिए) हों। इस मांग ने तीन प्रमुख नवाचारों को प्रेरित किया:
a. बैकसाइड-इल्यूमिनेटेड (BSI) CMOS
परंपरागत CMOS सेंसर के सामने वायरिंग होती है, जो कुछ प्रकाश को पिक्सेल तक पहुँचने से रोकती है। BSI CMOS डिज़ाइन को पलट देता है: वायरिंग पीछे होती है, इसलिए अधिक प्रकाश पिक्सेल पर पहुँचता है। इससे प्रकाश संवेदनशीलता में 40% तक की वृद्धि हुई, जिससे कम रोशनी में फोटो अधिक स्पष्ट होती हैं। सोनी ने 2009 में BSI CMOS पेश किया, और 2012 तक, यह iPhone 5 जैसे फ्लैगशिप में मानक बन गया।
b. स्टैक्ड CMOS
स्टैक्ड CMOS ने BSI को एक कदम आगे बढ़ाया। पिक्सल के समान परत पर प्रोसेसिंग सर्किट रखने के बजाय, इसने प्रोसेसिंग परत के ऊपर पिक्सल परत को स्टैक किया। इससे बड़े पिक्सल (जो अधिक प्रकाश कैप्चर करते हैं) और तेज प्रोसेसिंग (4K वीडियो और बर्स्ट मोड के लिए) के लिए जगह खाली हुई। सैमसंग के 2014 गैलेक्सी S5 ने स्टैक्ड CMOS का उपयोग किया, और आज, लगभग सभी उच्च अंत स्मार्टफोन इस डिज़ाइन पर निर्भर करते हैं।
c. उच्च पिक्सेल और गतिशील रेंज
2010 के अंत तक, CMOS सेंसर 48 मेगापिक्सल (MP) और उससे आगे पहुँच गए। Xiaomi के 2019 Mi 9 में 48MP Sony सेंसर था, और Samsung का 108MP सेंसर (जो Galaxy S20 Ultra में उपयोग किया गया) ने विवरण की सीमाओं को बढ़ा दिया। सेंसर ने गतिशील रेंज में भी सुधार किया—2000 के दशक में 8 EV (एक्सपोजर वैल्यू) से लेकर आज 14 EV+ तक—जिससे कैमरे सूर्यास्त को बिना आसमान को फुलाए या अग्रभूमि को अंधेरा किए कैप्चर कर सकते हैं।
4. 2020 का दशक से वर्तमान: एआई, आईओटी, और उससे आगे के लिए सीएमओएस सेंसर
आज, CMOS सेंसर केवल कैमरों के लिए नहीं हैं—वे स्मार्ट तकनीक के एक नए युग को शक्ति प्रदान कर रहे हैं। यहाँ बताया गया है कि वे कैसे विकसित हो रहे हैं:
a. एआई एकीकरण
आधुनिक CMOS सेंसर AI चिप्स के साथ मिलकर वास्तविक समय में छवियों को बेहतर बनाते हैं। उदाहरण के लिए, Google का Pixel 8 एक 50MP CMOS सेंसर का उपयोग करता है जो AI के साथ मिलकर फ़ोटो को "गणना" करता है: यह शोर को कम करता है, रंगों को समायोजित करता है, और यहां तक कि शटर दबाने से पहले धुंधली तस्वीरों को भी ठीक करता है। AI वस्तु ट्रैकिंग (वीडियो के लिए) और पोर्ट्रेट मोड (जो पृष्ठभूमि को सटीकता से धुंधला करता है) जैसी सुविधाओं को भी सक्षम बनाता है।
b. आईओटी और सुरक्षा
CMOS सेंसर इतने छोटे होते हैं कि उन्हें स्मार्ट डोरबेल्स (जैसे, Ring) और बेबी मॉनिटर्स जैसे IoT उपकरणों में फिट किया जा सके। इन्हें रात के दृष्टि वाले सुरक्षा कैमरों में भी उपयोग किया जाता है—इन्फ्रारेड (IR) संवेदनशीलता के कारण, CMOS सेंसर पूरी अंधकार में स्पष्ट चित्र कैप्चर कर सकते हैं। 2023 में, मार्केट रिसर्च फर्म Yole Développement ने रिपोर्ट किया कि IoT कैमरा मॉड्यूल 2028 तक CMOS सेंसर की बिक्री में 12% वार्षिक वृद्धि को प्रेरित करेंगे।
c. विशिष्ट उपयोगों के लिए विशेष सेंसर
CMOS सेंसर को विशिष्ट उद्योगों के लिए अनुकूलित किया जा रहा है:
• ऑटोमोटिव: स्व-ड्राइविंग कारें CMOS सेंसर (जिन्हें "इमेज सेंसर" कहा जाता है) का उपयोग पैदल चलने वालों, ट्रैफिक लाइट और अन्य वाहनों का पता लगाने के लिए करती हैं। ये सेंसर तेज़ गति से चलने वाली वस्तुओं को कैप्चर करने के लिए उच्च फ्रेम दर (120 fps तक) रखते हैं।
• Medical: मिनिएचर CMOS सेंसर एंडोस्कोप में शरीर के अंदर देखने के लिए उपयोग किए जाते हैं, और उच्च-संवेदनशीलता वाले सेंसर एक्स-रे और MRI इमेजिंग में मदद करते हैं।
• Space: NASA का Perseverance रोवर मंगल की तस्वीरें लेने के लिए एक CMOS सेंसर का उपयोग करता है। CCDs के विपरीत, CMOS अंतरिक्ष की कठोर विकिरण का सामना कर सकता है, जिससे यह अन्वेषण के लिए आदर्श बनता है।
d. कम शक्ति, उच्च दक्षता
जैसे-जैसे उपकरण स्मार्ट होते जा रहे हैं, बैटरी जीवन एक प्राथमिकता बनी हुई है। नए CMOS डिज़ाइन "कम-शक्ति मोड" का उपयोग करते हैं जो सेंसर सक्रिय नहीं होने पर ऊर्जा उपयोग को 30-50% तक कम कर देते हैं। उदाहरण के लिए, CMOS सेंसर (दिल की धड़कन की निगरानी और फिटनेस ट्रैकिंग के लिए) वाले स्मार्टवॉच एक ही चार्ज पर कई दिन तक चल सकते हैं।
5. भविष्य: कैमरा मॉड्यूल में CMOS के लिए अगला क्या है?
CMOS सेंसरों का विकास धीमा होने के कोई संकेत नहीं दिखा रहा है। यहाँ तीन प्रवृत्तियाँ हैं जिन पर ध्यान देना चाहिए:
a. ग्लोबल शटर CMOS
अधिकांश CMOS सेंसर "रोलिंग शटर" का उपयोग करते हैं, जो लाइन दर लाइन छवियों को कैप्चर करता है - इससे विकृति हो सकती है (जैसे, तेज़ गति वाले वीडियो में झुके हुए भवन)। ग्लोबल शटर CMOS एक बार में पूरी छवि को कैप्चर करता है, जिससे विकृति समाप्त हो जाती है। इसका उपयोग पहले से ही पेशेवर कैमरों (जैसे सोनी के FX6) में किया जा रहा है, लेकिन यह महंगा है। जैसे-जैसे लागत घटेगी, ग्लोबल शटर स्मार्टफोनों में आएगा, जिससे एक्शन वीडियो और VR सामग्री अधिक स्मूद होगी।
b. मल्टी-स्पेक्ट्रल इमेजिंग
भविष्य के CMOS सेंसर केवल दृश्य प्रकाश को ही नहीं, बल्कि अवरक्त, पराबैंगनी (UV) और यहां तक कि तापीय विकिरण को भी पकड़ेंगे। इससे स्मार्टफोन तापमान मापने (खाना पकाने या स्वास्थ्य जांच के लिए) या धुंध के माध्यम से देखने में सक्षम हो सकते हैं (ड्राइविंग के लिए)। सैमसंग और सोनी पहले से ही मल्टी-स्पेक्ट्रल CMOS का परीक्षण कर रहे हैं, और 2026 तक व्यावसायिक उपकरणों की उम्मीद है।
c. छोटे, अधिक शक्तिशाली सेंसर
मूर का नियम (जो छोटे, तेज चिप्स की भविष्यवाणी करता है) CMOS पर भी लागू होता है। शोधकर्ता "नैनोपिक्सेल" CMOS सेंसर विकसित कर रहे हैं, जहाँ पिक्सेल केवल 0.5 माइक्रोमीटर (μm) चौड़े हैं (वर्तमान पिक्सेल 1-2 μm हैं)। ये छोटे सेंसर स्मार्ट चश्मे और संपर्क लेंस जैसे उपकरणों में फिट होंगे, जो AR/VR और स्वास्थ्य निगरानी के लिए नए संभावनाओं के द्वार खोलेंगे।
निष्कर्ष
एक शोरगुल, अनदेखी वैकल्पिक CCDs से लेकर आधुनिक इमेजिंग के इंजन तक, CMOS सेंसर ने लंबा सफर तय किया है। उनकी विकास यात्रा उपभोक्ता मांग द्वारा संचालित रही है—छोटे उपकरणों, बेहतर फोटो और स्मार्ट तकनीक के लिए—और यह स्मार्टफोन्स, AI और IoT के उदय से जुड़ी हुई है।
आज, जब भी आप अपने फोन से फोटो लेते हैं, QR कोड स्कैन करते हैं, या सुरक्षा कैमरा चेक करते हैं, आप एक CMOS सेंसर का उपयोग कर रहे हैं। और जैसे-जैसे तकनीक आगे बढ़ती है, ये छोटे चिप्स संभावनाओं की सीमाओं को आगे बढ़ाते रहेंगे—चाहे वह मंगल रोवर की सेल्फी लेना हो, स्वायत्त कारों को शक्ति देना हो, या हमें दुनिया को ऐसे देखने देना हो जैसे हमने कभी कल्पना नहीं की थी।
व्यवसायों के लिए जो कैमरा मॉड्यूल या उपभोक्ता तकनीक का निर्माण कर रहे हैं, CMOS प्रवृत्तियों के आगे रहना महत्वपूर्ण है। जैसे-जैसे सेंसर अधिक स्मार्ट, छोटे और कुशल होते जा रहे हैं, वे डिजिटल दुनिया के साथ हमारे इंटरैक्शन को आकार देते रहेंगे—एक पिक्सेल एक बार में।
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