مقالات

حسگر تصویر سنسور دوربین

اجزای سنسور دوربین

تراشه حسگر تصویر حالت جامد شامل پیکسل هایی است که از عناصر حساس به نور، لنزهای میکرو و قطعات میکرو الکتریکی تشکیل شده است. تراشه ها توسط شرکت های نیمه هادی تولید می شوند و از ویفر بریده می شوند. اتصالات سیم سیگنال را از قالب به پدهای تماسی در پشت سنسور منتقل می کند. این بسته بندی از تراشه حسگر و پیوندهای سیم در برابر آسیب فیزیکی و محیطی محافظت می کند، اتلاف حرارتی را فراهم می کند و شامل الکترونیک متصل کننده برای انتقال سیگنال است. یک پنجره شفاف در جلوی بسته بندی به نام شیشه پوششی از تراشه حسگر و سیم ها محافظت می کند و در عین حال اجازه می دهد نور به ناحیه حساس به نور برسد.

سنسورهای تصویر از ویفرهای سیلیکونی

قالب های حسگر در دسته های بزرگ روی ویفرهای سیلیکونی تولید می شوند. ویفرها به قطعات زیادی بریده می شوند و هر قطعه یک قالب حسگر دارد. هر چه اندازه قالب سنسور بزرگتر باشد، تعداد سنسورها در هر ویفر کمتر است. این معمولا منجر به هزینه های بالاتر می شود. یک نقص منفرد روی یک ویفر، احتمال بیشتری برای تأثیرگذاری بر حسگر تصویر بزرگتر خواهد داشت.

 

عملکرد سنسور در داخل دوربین

در یک سیستم دوربین، حسگر تصویر نور فرودی (فوتون) را دریافت می کند که از طریق یک لنز یا سایر اپتیک ها متمرکز می شود. بسته به اینکه سنسور CCD یا CMOS باشد، اطلاعات را به عنوان ولتاژ یا سیگنال دیجیتال به مرحله بعدی منتقل می کند. حسگرهای CMOS با استفاده از مبدل آنالوگ به دیجیتال روی تراشه (ADC) فوتون ها را به الکترون، سپس به ولتاژ و سپس به مقدار دیجیتال تبدیل می کنند.

بسته به سازنده دوربین، طرح کلی و اجزای مورد استفاده متفاوت خواهد بود. هدف اصلی این طرح، تبدیل نور به سیگنال دیجیتالی است که می‌توان آن را تجزیه و تحلیل کرد تا برخی اقدامات آینده را آغاز کند. دوربین‌های سطح مصرف‌کننده دارای اجزای اضافی برای ذخیره‌سازی تصویر (کارت حافظه)، مشاهده (ال سی دی تعبیه‌شده) و دستگیره‌ها و سوئیچ‌های کنترل هستند که دوربین‌های بینایی ماشین فاقد آن هستند.

تفاوت بین CCD و CMOS

سنسورهای CCD (Charged Couple Device) نوردهی را برای همه پیکسل ها به طور همزمان شروع و متوقف می کنند. این به عنوان شاتر جهانی شناخته می شود. سپس CCD این بار نوردهی را به رجیستر شیفت افقی منتقل می کند و سپس به تقویت کننده انتشار شناور ارسال می شود. توجه: در سال 2015، سونی اعلام کرد که قصد دارد تولید CCD خود را متوقف کند و تا سال 2026 به پشتیبانی از CCD ها پایان دهد.

 

در گذشته، سنسورهای CMOS (نیمه هادی اکسید فلزی مکمل) تنها قادر به شروع و توقف نوردهی در یک ردیف پیکسل در یک زمان بودند که به عنوان شاتر نورد شناخته می شود. این در طول زمان تغییر کرده است و بسیاری از سنسورهای CMOS شاتر جهانی در حال حاضر در بازار موجود هستند. سنسورهای CMOS از ADC های کوچکتری برای هر ستون پیکسل استفاده می کنند که امکان نرخ فریم بالاتر از CCD ها را فراهم می کند. حسگرهای CMOS در طول سال‌ها دستخوش پیشرفت‌های عمده‌ای شده‌اند و اکثر سنسورهای CMOS مدرن از نظر کیفیت تصویر، سرعت تصویر و ارزش کلی برابر یا برتر از CCD‌ها هستند.

 

 

سنسورهای مونو و رنگی

برای حسگرهای نور مرئی (نه مادون قرمز، UV یا اشعه ایکس) دو نوع اصلی وجود دارد. رنگی و تک سنسورهای رنگی دارای یک لایه اضافی هستند که در زیر میکرو لنز قرار می گیرد که فیلتر رنگ نامیده می شود که طول موج های رنگی نامطلوب را جذب می کند به طوری که هر پیکسل به طول موج رنگ خاصی حساس است. برای سنسورهای تک، فیلتر رنگی وجود ندارد، بنابراین هر پیکسل به تمام طول موج های نور مرئی حساس است.

برای مثال حسگر رنگی که در بالا سمت راست نشان داده شده است، آرایه فیلتر رنگی استفاده شده یک الگوی فیلتر بایر است. این الگوی فیلتر از آرایه 50% سبز، 25% قرمز و 25% آبی استفاده می کند. در حالی که اکثر دوربین‌های رنگی از الگوی فیلتر Bayer استفاده می‌کنند، الگوهای فیلتر دیگری نیز وجود دارند که دارای ترتیب‌بندی الگوی متفاوت و خرابی‌های RGB هستند.

 

فرمت سنسور تصویر (اندازه)

سنسورهای تصویر در انواع فرمت (همچنین به عنوان کلاس نوری، اندازه سنسور یا نوع) و بسته‌ها عرضه می‌شوند. وضوح و اندازه پیکسل اندازه کلی یک سنسور را با سنسورهای بزرگتر که دارای وضوح بالاتر یا اندازه پیکسل بزرگتر از سنسورهای کوچکتر هستند تعیین می کند. دانستن فرمت سنسور برای انتخاب لنز و اپتیک برای دوربین مهم است. همه لنزها برای فرمت ها و وضوح سنسورهای خاص طراحی شده اند. توجه داشته باشید که فرمت های حسگر فقط ناحیه تراشه حسگر را توصیف می کنند و نه کل بسته حسگر را.

در زیر نمونه ای از سنسور CMOS است که با نوع فرمت 2/3 اینچ دسته بندی شده است. با این حال، اندازه واقعی مورب قالب تنها 0.43 اینچ (11 میلی متر) است. انواع سنسورهای فعلی “اینچ” اندازه واقعی سنسور نیستند. در حالی که ممکن است به نظر برسد که انواع فرمت سنسور تا حدودی مبهم تعریف شده اند، اما در واقع بر اساس لوله های قدیمی دوربین فیلمبرداری است که در آن اندازه گیری اینچ به قطر بیرونی لوله ویدئو اشاره دارد. در زیر نموداری با رایج ترین انواع فرمت سنسور و اندازه مورب حسگر واقعی آنها بر حسب میلی متر نشان داده شده است.

 

اندازه پیکسل سنسور

اندازه پیکسل بر حسب میکرومتر (µm) اندازه‌گیری می‌شود و شامل کل ناحیه فتودیود و وسایل الکترونیکی اطراف آن می‌شود. یک پیکسل CMOS از یک دیود نوری، یک تقویت کننده، گیت تنظیم مجدد، گیت انتقال و انتشار شناور تشکیل شده است. با این حال، این عناصر ممکن است همیشه در هر پیکسل نباشند، زیرا می توانند بین پیکسل ها نیز به اشتراک گذاشته شوند. نمودار زیر طرح ساده‌شده‌ای از یک پیکسل مونو و رنگی CMOS را نشان می‌دهد.

معمولاً اندازه پیکسل بزرگتر برای افزایش حساسیت به نور بهتر است زیرا فضای بیشتری از فتودیود برای دریافت نور وجود دارد. اگر فرمت سنسور ثابت بماند اما وضوح آن افزایش یابد، اندازه پیکسل باید کاهش یابد. در حالی که این ممکن است حساسیت سنسور را کاهش دهد، بهبود در ساختار پیکسل، فناوری کاهش نویز و پردازش تصویر به کاهش این امر کمک کرده است. برای درک دقیق‌تر حساسیت حسگر، بهتر است به پاسخ طیفی سنسور (بازده کوانتومی) و همچنین سایر نتایج عملکرد سنسور مراجعه کنید.

 

پاسخ طیفی مونو و رنگی
به دلیل تفاوت‌های فیزیکی بین سنسورهای تک و رنگی و همچنین تفاوت‌های بین فناوری‌های سازنده حسگر و ساختار پیکسلی، حسگرهای مختلف نور را به درجات مختلفی حس می‌کنند. یکی از راه‌های دریافت درک دقیق‌تر از حساسیت سنسور به نور، خواندن نمودار پاسخ طیفی آن است (همچنین به عنوان نمودار کارایی کوانتومی شناخته می‌شود).

2 نمودار زیر نسخه های تک و رنگی همان مدل سنسور هستند. سمت چپ پاسخ طیفی یک حسگر مونو و سمت راست یک حسگر رنگی را نشان می دهد. محور X طول موج (nm) و محور Y بازده کوانتومی (%) است. اکثر دوربین های رنگی بینایی ماشین دارای فیلترهای برش IR هستند که برای جلوگیری از طول موج های نزدیک به IR نصب شده اند. این کار نویز IR و متقاطع رنگ را از تصویر حذف می کند و بهترین تطابق را با نحوه تفسیر چشم انسان از رنگ دارد. با این حال، در تعدادی از برنامه ها، تصویربرداری بدون فیلتر برش IR می تواند مفید باشد. چه فیلتر برش IR نصب شده باشد یا نه، سنسور رنگی هرگز به اندازه سنسور مونو حساس نخواهد بود.

هر چه راندمان کوانتومی بالاتر باشد حسگر بهتر در حس نور است. نمودارهای بالا یکی از بسیاری از نتایج عملکرد بر اساس استانداردهای اندازه‌گیری EMVA 1288 است. استاندارد EMVA 1288 نحوه آزمایش و نمایش نتایج عملکرد را دیکته می‌کند تا کاربران بتوانند مدل‌ها را در بین فروشندگان بهتر مقایسه و مقایسه کنند. برای اطلاعات بیشتر به سایت EMVA 1288 مراجعه کنید.

 

شاتر یکپارچه در مقابل شاتر رولینگ

یک عملکرد مهم سنسور نوع شاتر آن است. دو نوع اصلی کرکره الکترونیکی کرکره جهانی و کرکره غلتکی هستند. این نوع شاترها از نظر عملکرد و نتایج تصویربرداری نهایی متفاوت هستند، به خصوص زمانی که دوربین یا هدف در حال حرکت است. بیایید با جزئیات به نحوه عملکرد آنها و تأثیر آن بر تصویربرداری نگاه کنیم.

نمودار سمت چپ زمان نوردهی یک سنسور شاتر یکپارچه را نشان می دهد. همه پیکسل ها همزمان با نوردهی شروع می شوند و به پایان می رسند، اما بازخوانی همچنان خط به خط انجام می شود. این زمان‌بندی تصاویر بدون اعوجاج و بدون تاب خوردن یا انحراف ایجاد می‌کند. سنسورهای شاتر جهانی برای تصویربرداری از اجسام متحرک با سرعت بالا ضروری هستند.

 

نمودار سمت چپ زمان نوردهی سنسور کرکره نورد را نشان می دهد. زمان‌بندی نوردهی خط به خط متفاوت است و بازنشانی و بازخوانی در زمان‌های جابه‌جایی اتفاق می‌افتد. اگر هدف یا دوربین در حرکت باشند، این نوردهی ردیف به ردیف باعث ایجاد اعوجاج تصویر می شود. سنسورهای کرکره نوردی حساسیت بسیار خوبی را برای تصویربرداری از اجسام ساکن یا آهسته در حال حرکت ارائه می دهند.

 

 

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *