ساختار CMOS و اصل کار

اصل CMOS نسبتاً ساده است. فرآیند کار آن را می توان به طور کلی به چهار مرحله تقسیم کرد: تنظیم مجدد، تبدیل فوتوالکتریک، ادغام و بازخوانی.

هنگامی که نور فرودی از فیلترهای رنگی RGB عبور می کند و به سنسور CMOS می رسد، اثر فوتوالکتریک رخ می دهد. الکترون ها تولید و خوانده می شوند و سپس به سیگنال های آنالوگ تبدیل می شوند. این سیگنال ها تقویت می شوند (تنظیم ISO) و در نهایت به مقادیر ولتاژ تبدیل می شوند. وقتی این مقادیر جمع شوند، تصویری را که ما می بینیم تشکیل می دهند.

سنسور CMOS خام نمی تواند تصاویر رنگی بگیرد. پس از فشار دادن شاتر، فتودیود در هر پیکسل، شدت نور را به مقدار دیجیتال (0-255) تبدیل می کند.

این محدوده سطوح روشنایی، از سیاه (0) تا سفید (255) را نشان می دهد.

آرایه فیلتر رنگی (CFA)

برای گرفتن تصاویر رنگی، ساختاری به نام آرایه فیلتر رنگ (CFA) مورد نیاز است. این آرایه مشابه سلول های مخروطی چشم انسان عمل می کند. طول موج های خاصی از نور از فیلترهای رنگی مربوطه عبور می کند و به هر پیکسل اجازه می دهد تا اطلاعات رنگ را بگیرد.

الگوی بایر

رایج ترین CFA آرایه فیلتر Bayer است. از ردیف های متناوب فیلترهای قرمز، سبز و آبی تشکیل شده است. در این چیدمان، 50 درصد فیلترها سبز هستند، در حالی که قرمز و آبی هر کدام 25 درصد را تشکیل می دهند.

 

الگوی بایر به الگوی RGGB نیز گفته می شود که نشان دهنده کوچکترین واحد تکراری آرایش فیلتر است.

در طول دو دهه گذشته، بسیاری از تولیدکنندگان نوری طرح های جایگزین CFA را بررسی کرده اند. با این حال، با وجود نوآوری های مختلف، آرایه بایر امروزه استاندارد غالب باقی مانده است.

 

ساختار تک پیکسلی

هر پیکسل در یک حسگر CMOS بر حسب میکرومتر (µm) اندازه‌گیری می‌شود و شامل فتودیود و اجزای الکترونیکی اطراف است.

یک پیکسل CMOS معمولاً شامل موارد زیر است:

• فتودیود
• تقویت کننده
• بازنشانی گیت
• دروازه انتقال
• پخش شناور

در بالای این اجزا یک میکرولنز قرار دارد که به تمرکز نور بیشتر بر روی فتودیود کمک می کند و حساسیت را بهبود می بخشد.

اندازه سنسور، وضوح و اندازه پیکسل

اندازه کلی سنسور با وضوح و اندازه پیکسل تعیین می شود. به طور کلی، سنسورهای بزرگتر در مقایسه با سنسورهای کوچکتر وضوح بالاتر یا اندازه پیکسل های بزرگتر را ارائه می دهند.

با این حال، به دلیل محدودیت فضا در دستگاه هایی مانند گوشی های هوشمند، توسعه حسگر رویکردهای جایگزین در اندازه های ثابت را در پیش گرفته است. بهینه‌سازی‌های مربوط به پیکسل{1}}در بخش‌های بعدی با جزئیات بیشتر مورد بحث قرار خواهند گرفت.

خلاصه

در اصل، سنسورهای CMOS سیگنال‌های نور را از طریق یک سری فرآیندها به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند و سپس از الگوریتم‌هایی برای خروجی یک تصویر قابل خواندن استفاده می‌کنند.