این حسگرها تصاویر نوری را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند و معمولاً در دوربین‌های دیجیتال، سیستم‌های نظارتی و بینایی ماشین استفاده می‌شوند.
سنسورهای تصویر ابزارهای الکترونیکی هستند که تصاویر نوری تهیه کرده و آن را به سیگنال‌های دیجیتال تبدیل می‌کنند. آنها در طیف گسترده‌ای از دستگاه‌های تصویربرداری، از جمله دوربین‌های دیجیتال، گوشی‌های هوشمند، دوربین‌های نظارتی و تجهیزات علمی استفاده می‌شوند.
انواع سنسورهای تصویر
دو نوع اصلی از سنسورهای تصویر وجود دارد: سنسورهای CCD و سنسورهای CMOS. هر دو نوع با تبدیل فوتون‌های نور به سیگنال الکتریکی عمل می‌کنند، اما از فناوری‌های مختلفی برای انجام این کار استفاده می‌کنند.
charge coupled devices (CCD)
سنسورهای CCD یا Charge-coupled devices نوعی سنسور تصویر هستند که فوتون‌های نور را به بار الکتریکی تبدیل می‌کنند. آنها از آرایه‌ای از پیکسل‌ها تشکیل شده‌اند که هر پیکسل قادر به جمع آوری و انتقال بار است.
نحوه کلی کار CCDها
به طور کلی فرآیند کاری این سنسورها شامل سه مرحله اصلی است: نوردهی، انتقال، و بازخوانی.
در طول مرحله نوردهی، پیکسل‌ها بار الکتریکی را متناسب با شدت نور فرودی جمع آوری و ذخیره می‌کنند. این بار در داخل حفره‌های بالقوه‌‌ی واقع در زیر هر پیکسل به دام می‌افتد.
پس از مرحله نوردهی، بار در تراشه CCD (Charge-coupled device)، با استفاده از رجیسترهایی خاص، از پیکسلی به پیکسل دیگر منتقل می‌شود. این انتقال بار با اعمال سیگنال‌های کلاکی که میدان‌های الکتریکی ایجاد می‌کنند، به دست می‌آید و به بسته‌های بار اجازه می‌دهد تا در سراسر تراشه حرکت کنند. متداول‌ترین تکنیک بین تکنینک‌های انتقال، تکنیک شیفت رجیستر bucket-brigade میباشد.
هنگامی که بار به رجیستر خروجی منتقل شد، می‌توان آن را به صورت متوالی از هر پیکسل خواند. این کار با تبدیل بار انباشته شده به سیگنال ولتاژ انجام می‌شود. سپس سیگنال ولتاژ می‌تواند بیشتر تقویت شود و برای پردازش یا ذخیره سازی دیجیتالی شود.
مزایا و معایب CCDها:
سنسورهای CCD به دلیل کیفیت تصویر عالی، حساسیت بالا و نویز کم شناخته شده‌اند. آنها محدوده دینامیکی خوبی ارائه می‌دهند، به این معنی که می‌توانند جزئیات روشن و کم نور را در یک صحنه ثبت کنند. CCDها به ویژه در کاربردهایی که نیاز به بازتولید دقیق رنگ دارند، مانند دوربین‌های حرفه‌ای و سیستم‌های تصویربرداری علمی مفید هستند.
با این حال، CCDها دارای معایبی هم هستند. آنها در مقایسه با انواع دیگر حسگرهای تصویر مانند CMOS، انرژی بیشتری مصرف می‌کنند و گرمای بیشتری تولید می‌کنند. سنسورهای CCD سرعت خوانش آهسته‌تری نیز دارند و برای مواردی که نیاز به عکس‌برداری مداوم یا فیلم‌برداری سریع دارند، مناسب نیستند.
سنسورهای نیمه هادی اکسید فلزی (CMOS)
سنسورهای مکمل اکسید فلزی نیمه هادی (CMOS) نوعی سنسور تصویر هستند که به طور گسترده در دوربین‌های دیجیتال، گوشی‌های هوشمند و سایر دستگاه‌های تصویربرداری استفاده می‌شود. آنها به خاطر مصرف انرژی کم، سرعت خوانش سریع و توانایی ادغام عملکردهای اضافی در یک تراشه معروف هستند.
سنسورهای CMOS، مشابه CCD ها، بر اساس اصل تبدیل فوتون‌های نور به بار الکتریکی کار می‌کنند. با این حال، فناوری و قابلیت‌های آنها به طور قابل توجهی متفاوت است.
در سنسورهای CMOS، هر پیکسل تقویت کننده مخصوص به خود را دارد که امکان بازخوانی موازی داده‌های پیکسل را فراهم می‌کند.
این قابلیت بازخوانی موازی منجر به سرعت بازخوانی کلی سریع‌تر در مقایسه با CCDها می‌شود.
مزایای CMOSها
- یکی از مزایای کلیدی سنسورهای CMOS مصرف کم انرژی آنهاست. برخلاف CCDها که برای انتقال شارژ به تراشه به ولتاژ بالا نیاز دارند، سنسورهای CMOS در ولتاژهای پایین تری کار می‌کنند و در نتیجه مصرف برق کاهش می‌یابد. این باعث می‌شود حسگرهای CMOS برای دستگاه‌های باتری‌دار مانند گوشی‌های هوشمند ایده‌آل باشند.
- یکی دیگر از مزایای سنسورهای CMOS توانایی آنها در یکپارچه سازی عملکردهای بیشتر بر روی یک تراشه است. از آنجایی که سنسورهای CMOS از ترانزیستورهای فعال در هر پیکسل استفاده می‌کنند، ترکیب ویژگی‌هایی مانند مبدل های آنالوگ به دیجیتال روی تراشه (ADC)، الگوریتم‌های پردازش تصویر و حتی قابلیت‌های ارتباط بی سیم در آنها آسان‌تر است. این ادغام می‌تواند طراحی کلی سیستم را ساده کرده و تعداد اجزای خارجی مورد نیاز را کاهش دهد.
- علاوه بر این، سنسورهای CMOS از نظر طراحی پیکسل، انعطاف پذیرند. پیکسل‌های CMOS را می‌توان کوچکتر کرد که تصاویر با وضوح بالاتر را امکان پذیر می‌کند. علاوه بر این، سنسورهای CMOS می‌توانند معماری‌های پیکسلی مختلفی را پیاده‌سازی کنند، مانند پیکسل‌های backside-illuminated (BSI) که حساسیت نور را بهبود می‌بخشد و کیفیت تصویر بهتری را به‌ویژه در شرایط کم نور امکان‌پذیر می‌کند.
محدودیت‌های CMOSها
در حالی که سنسورهای CMOS مزایای متعددی دارند، اما محدودیت‌هایی نیز دارند. در مقایسه با سنسورهای CCD، سنسورهای CMOS معمولا سطوح نویز بالاتر و محدوده دینامیکی کمتری را نشان می‌دهند. با این حال، پیشرفت‌های قابل توجهی در کاهش این محدودیت‌ها صورت گرفته است و سنسورهای مدرن CMOS اکنون در کیفیت تصویر درحال پیشرفت اند.
به طور کلی، پذیرش سنسورهای CMOS به دلیل مصرف انرژی کم، سرعت خوانش سریع، قابلیت‌های یکپارچه‌سازی و عملکرد بهبود یافته به سرعت رشد کرده است. آنها به فناوری غالب حسگر تصویر در اکثر دستگاه‌های الکترونیکی مصرفی تبدیل شده‌اند و نقش مهمی در پیشرفت فناوری تصویربرداری دیجیتال دارند.
مقایسه CMOSها و CCDها
هر دو سنسور CCD و CMOS مزایای خاص خود را دارند و برای کاربردهای مختلف مناسب هستند. سنسورهای CCD معمولاً در دوربین‌های حرفه‌ای و مواردی استفاده می‌شوند که کیفیت تصویر در آنها بسیار مهم است. از سوی دیگر، سنسورهای CMOS به دلیل هزینه کمتر، قابلیت‌های پردازش سریع‌تر و توانایی ادغام عملکردهای بیشتر بر روی تراشه سنسور، به طور گسترده در لوازم الکترونیکی مصرفی مانند گوشی‌های هوشمند و دوربین‌های دیجیتال استفاده می‌شوند.
در سال‌های اخیر، فناوری CMOS پیشرفت‌های قابل توجهی داشته است و شکاف کیفیت تصویر را در مقایسه با سنسورهای CCD کاهش داده است. در نتیجه، بسیاری از تولیدکنندگان به دلیل مزایایی که CMOSها از نظر کارایی، هزینه و تطبیق پذیری ارائه می‌دهند، به سمت استفاده از حسگرهای CMOS در دستگاه‌های تصویربرداری خود رفته‌اند.