छवि संवेदक
एक छवि संवेदक या इमेजर एक संवेदक है जो छवि बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली जानकारी का पता लगाता है और बताता है। यह प्रकाश तरंगों के चर क्षीणन (जैसा कि वे अपवर्तन या प्रतिबिंब (भौतिकी) वस्तुओं) को सिग्नल (इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग) में परिवर्तित करके करते हैं, विद्युत प्रवाह के छोटे फटने जो सूचना देते हैं। तरंगें प्रकाश या अन्य विद्युत चुम्बकीय विकिरण हो सकती हैं। इमेज सेंसर का उपयोग एनालॉग इलेक्ट्रॉनिक्स और डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स दोनों प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक इमेजिंग उपकरणों में किया जाता है, जिसमें डिजिटल कैमरा, कैमरा मॉड्यूल, कैमरा फोन, ऑप्टिकल माउस डिवाइस शामिल हैं।[1][2][3] मेडिकल इमेजिंग उपकरण, नाइट विजन उपकरण जैसे थर्मोग्राफी डिवाइस, रडार, सोनार और अन्य। तकनीकी परिवर्तन के रूप में, इलेक्ट्रॉनिक और डिजिटल इमेजिंग रासायनिक और एनालॉग इमेजिंग को बदलने की प्रवृत्ति रखते हैं।
दो मुख्य प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक छवि सेंसर चार्ज-युग्मित डिवाइस (सीसीडी) और सक्रिय-पिक्सेल सेंसर (सीएमओएस सेंसर) हैं। सीसीडी और सीएमओएस सेंसर दोनों मेटल-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर (एमओएस) तकनीक पर आधारित हैं, जिसमें एमओएस कैपेसिटर पर आधारित सीसीडी और एमओएसएफईटी (एमओएस फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर) एम्पलीफायरों पर आधारित सीएमओएस सेंसर हैं। अदृश्य विकिरण के लिए एनालॉग सेंसर में विभिन्न प्रकार के वैक्यूम ट्यूब शामिल होते हैं, जबकि डिजिटल सेंसर में फ्लैट-पैनल डिटेक्टर शामिल होते हैं।
सीसीडी बनाम सीएमओएस सेंसर
फ़ाइल: 'वेबकैम' के फोटोसेंसर सरणी के कोने का एक माइक्रोग्राफ। jpeg|थंब डिजिटल कैमरा
दो मुख्य प्रकार के डिजिटल इमेज सेंसर चार्ज-युग्मित डिवाइस (सीसीडी) और सक्रिय-पिक्सेल सेंसर (सीएमओएस सेंसर), पूरक एमओएस (सीएमओएस) या एन-टाइप सेमीकंडक्टर में सेमीकंडक्टर डिवाइस फैब्रिकेशन हैं। एन-टाइप एमओएस (एनएमओएस लॉजिक) या लाइव एमओएस) प्रौद्योगिकियां। CCD और CMOS सेंसर दोनों ही MOS तकनीक पर आधारित हैं,[4] एमओएस कैपेसिटर एक सीसीडी के बिल्डिंग ब्लॉक होने के साथ,[5] और MOSFET प्रवर्धक एक CMOS संवेदक के निर्माण खंड हैं।[6][7]
छोटे उपभोक्ता उत्पादों में एकीकृत कैमरे आमतौर पर सीएमओएस सेंसर का उपयोग करते हैं, जो आमतौर पर सस्ते होते हैं और सीसीडी की तुलना में बैटरी चालित उपकरणों में कम बिजली की खपत होती है।[8] सीसीडी सेंसर उच्च अंत प्रसारण गुणवत्ता वाले वीडियो कैमरों के लिए उपयोग किए जाते हैं, और सीएमओएस सेंसर अभी भी फोटोग्राफी और उपभोक्ता वस्तुओं में हावी हैं जहां समग्र लागत एक प्रमुख चिंता है। दोनों प्रकार के सेंसर प्रकाश को पकड़ने और इसे विद्युत संकेतों में परिवर्तित करने का एक ही कार्य पूरा करते हैं।
चार्ज-युग्मित डिवाइस इमेज सेंसर का प्रत्येक सेल एक एनालॉग डिवाइस है। जब प्रकाश चिप से टकराता है तो इसे प्रत्येक फोटो सेंसर में एक छोटे विद्युत आवेश के रूप में रखा जाता है। (एक या अधिक) आउटपुट एम्पलीफायरों के निकटतम पिक्सेल की लाइन में शुल्क प्रवर्धित और आउटपुट होते हैं, फिर पिक्सेल की प्रत्येक पंक्ति अपने चार्ज को एम्पलीफायरों के करीब एक लाइन में स्थानांतरित कर देती है, जिससे एम्पलीफायरों के सबसे करीब की खाली लाइन भर जाती है। यह प्रक्रिया तब तक दोहराई जाती है जब तक कि पिक्सेल की सभी पंक्तियों का चार्ज प्रवर्धित और आउटपुट नहीं हो जाता।[9] सीसीडी के कुछ एम्पलीफायरों की तुलना में एक सीएमओएस इमेज सेंसर में प्रत्येक पिक्सेल के लिए एक एम्पलीफायर होता है। इसके परिणामस्वरूप एक सीसीडी की तुलना में फोटॉनों को पकड़ने के लिए कम क्षेत्र होता है, लेकिन प्रत्येक फोटोडायोड के सामने माइक्रोलेंस का उपयोग करके इस समस्या को दूर किया गया है, जो प्रकाश को फोटोडायोड में केंद्रित करता है जो अन्यथा एम्पलीफायर से टकराता और पता नहीं चलता।[9] कुछ सीएमओएस इमेजिंग सेंसर भी बैक-इलुमिनेटेड सेंसर का उपयोग करते हैं। फोटोडायोड को हिट करने वाले फोटॉनों की संख्या बढ़ाने के लिए बैक-साइड रोशनी।[10] सीएमओएस सेंसर संभावित रूप से कम घटकों के साथ लागू किए जा सकते हैं, कम बिजली का उपयोग करते हैं, और/या सीसीडी सेंसर की तुलना में तेजी से रीडआउट प्रदान करते हैं।[11] वे स्थैतिक बिजली के निर्वहन के लिए भी कम असुरक्षित हैं।
एक अन्य डिज़ाइन, एक हाइब्रिड CCD/CMOS आर्किटेक्चर (sCMOS के नाम से बेचा जाता है) में CMOS रीडआउट इंटीग्रेटेड सर्किट (ROICs) होते हैं जो CCD इमेजिंग सब्सट्रेट से बम्प बॉन्ड होते हैं - एक ऐसी तकनीक जिसे इन्फ्रारेड स्टारिंग एरेज़ के लिए विकसित किया गया था और इसे सिलिकॉन के लिए अनुकूलित किया गया है। -आधारित डिटेक्टर तकनीक।[12] एक और तरीका यह है कि पूरी तरह से सीएमओएस तकनीक में सीसीडी जैसी संरचना को लागू करने के लिए आधुनिक सीएमओएस प्रौद्योगिकी में उपलब्ध बहुत अच्छे आयामों का उपयोग किया जाए: इस तरह की संरचनाओं को व्यक्तिगत पॉली-सिलिकॉन गेट्स को बहुत कम अंतर से अलग करके प्राप्त किया जा सकता है; हालांकि अभी भी अनुसंधान हाइब्रिड सेंसर का एक उत्पाद सीसीडी और सीएमओएस इमेजर्स दोनों के लाभों का संभावित रूप से उपयोग कर सकता है।[13]
प्रदर्शन
गतिशील रेंज, सिग्नल-टू-शोर अनुपात और कम-प्रकाश संवेदनशीलता सहित छवि संवेदक के प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए कई पैरामीटर का उपयोग किया जा सकता है। तुलनीय प्रकार के सेंसर के लिए, सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात और डायनामिक रेंज में सुधार होता है क्योंकि छवि सेंसर प्रारूप#सेंसर आकार बढ़ता है।
एक्सपोजर-टाइम कंट्रोल
छवि संवेदकों का एक्सपोजर समय आमतौर पर या तो एक पारंपरिक यांत्रिक शटर (फोटोग्राफी) द्वारा नियंत्रित किया जाता है, जैसा कि फिल्म कैमरों में या इलेक्ट्रॉनिक शटर द्वारा किया जाता है। इलेक्ट्रॉनिक शटरिंग वैश्विक हो सकती है, जिस स्थिति में संपूर्ण छवि संवेदक क्षेत्र का फोटोइलेक्ट्रॉनों का संचय शुरू होता है और एक साथ रुकता है, या रोलिंग जिस स्थिति में प्रत्येक पंक्ति का एक्सपोज़र अंतराल तुरंत उस पंक्ति के रीडआउट से पहले होता है, उस प्रक्रिया में जो छवि फ़्रेम में रोल करती है (आमतौर पर) लैंडस्केप प्रारूप में ऊपर से नीचे तक)। ग्लोबल इलेक्ट्रॉनिक शटरिंग कम आम है, क्योंकि इसके लिए स्टोरेज सर्किट की आवश्यकता होती है ताकि एक्सपोजर अंतराल के अंत से रीडआउट प्रक्रिया वहां पहुंचने तक चार्ज हो सके, आमतौर पर कुछ मिलीसेकंड बाद।[14]
रंग जुदाई
कई मुख्य प्रकार के रंग छवि सेंसर हैं, जो रंग-पृथक्करण तंत्र के प्रकार से भिन्न होते हैं:
- बायर फ़िल्टर | बायर-फ़िल्टर सेंसर, कम लागत वाला और सबसे आम, एक रंग फ़िल्टर सरणी का उपयोग करके जो चयनित सक्रिय-पिक्सेल सेंसर को लाल, हरा और नीला प्रकाश देता है। तत्वों पर प्रतिरूपित रासायनिक रंगों से बने रंगीन जेल के माध्यम से प्रत्येक व्यक्तिगत सेंसर तत्व को लाल, हरे या नीले रंग के प्रति संवेदनशील बनाया जाता है। सबसे आम फ़िल्टर मैट्रिक्स, बायर पैटर्न, प्रत्येक लाल और नीले रंग के लिए दो हरे पिक्सेल का उपयोग करता है। इसका परिणाम लाल और नीले रंग के लिए कम रिज़ॉल्यूशन होता है। लापता रंग के नमूने एक डेमोसाइजिंग एल्गोरिथ्म का उपयोग करके प्रक्षेपित हो सकते हैं, या हानिपूर्ण संपीड़न द्वारा पूरी तरह से अनदेखा कर सकते हैं। रंग की जानकारी में सुधार करने के लिए, रंग सह-साइट नमूनाकरण जैसी तकनीकें रंग संवेदक को पिक्सेल चरणों में स्थानांतरित करने के लिए पीजोइलेक्ट्रिकिटी तंत्र का उपयोग करती हैं।
- Foveon X3 सेंसर, स्तरित पिक्सेल सेंसर की एक सरणी का उपयोग करते हुए, सिलिकॉन की अंतर्निहित तरंग दैर्ध्य-निर्भर अवशोषण संपत्ति के माध्यम से प्रकाश को अलग करता है, जैसे कि हर स्थान तीनों रंग चैनलों को महसूस करता है। यह विधि उसी तरह है जैसे फोटोग्राफी के लिए रंगीन फिल्म काम करती है।
- तीन-सीसीडी कैमरा, तीन असतत छवि संवेदकों का उपयोग करते हुए, एक डाइक्रोइक प्रिज्म द्वारा रंग पृथक्करण के साथ। डाइक्रोइक तत्व एक तेज रंग पृथक्करण प्रदान करते हैं, इस प्रकार रंग की गुणवत्ता में सुधार होता है। क्योंकि प्रत्येक सेंसर अपने पासबैंड के भीतर समान रूप से संवेदनशील होता है, और पूर्ण रिज़ॉल्यूशन पर, 3-सीसीडी सेंसर बेहतर रंग गुणवत्ता और बेहतर कम रोशनी का प्रदर्शन करते हैं। 3-सीसीडी सेंसर एक पूर्ण क्रोमा सबसैंपलिंग|4:4:4 सिग्नल उत्पन्न करते हैं, जिसे टेलीविजन प्रसारण, वीडियो संपादन और क्रोमा कुंजी दृश्य प्रभावों में प्राथमिकता दी जाती है।
विशेषता सेंसर
विभिन्न अनुप्रयोगों में विशेष सेंसर का उपयोग किया जाता है जैसे कि थर्मोग्राफी, मल्टी-स्पेक्ट्रल छवियों का निर्माण, लैरींगोस्कोपी, गामा कैमरा, एक्स-रे के लिए सेंसर सरणी, और खगोल विज्ञान के लिए अन्य अत्यधिक संवेदनशील सरणी।[citation needed]
जबकि सामान्य डिजिटल कैमरों में एक फ्लैट सेंसर का उपयोग किया जाता है, सोनी ने 2014 में एक फ्लैट सेंसर के साथ होने वाले पेट्ज़वल फील्ड वक्रता को कम करने/समाप्त करने के लिए एक घुमावदार सेंसर का प्रोटोटाइप बनाया। एक घुमावदार सेंसर का उपयोग लेंस के एक छोटे और छोटे व्यास को कम करने वाले तत्वों और अधिक एपर्चर वाले घटकों और तस्वीर के किनारे पर कम प्रकाश गिरने की अनुमति देता है।[16]
इतिहास
दृश्यमान प्रकाश के लिए शुरुआती एनालॉग सेंसर वीडियो कैमरा ट्यूब थे। वे 1930 के दशक के हैं, और 1980 के दशक तक कई प्रकार विकसित किए गए थे। 1990 के दशक के प्रारंभ तक, उन्हें आधुनिक ठोस-अवस्था इलेक्ट्रॉनिक|ठोस-अवस्था सीसीडी छवि संवेदकों द्वारा प्रतिस्थापित कर दिया गया था।[17] आधुनिक सॉलिड-स्टेट इमेज सेंसर का आधार MOS तकनीक है,[18][19] जो 1959 में बेल लैब्स में मोहम्मद एम. अटाला और डॉन कहंग द्वारा MOSFET के आविष्कार से उत्पन्न हुआ है।[20] एमओएस प्रौद्योगिकी पर बाद में शोध ने चार्ज-युग्मित डिवाइस (सीसीडी) और बाद में सक्रिय-पिक्सेल सेंसर (सीएमओएस सेंसर) सहित ठोस-राज्य अर्धचालक छवि सेंसर के विकास का नेतृत्व किया।[18][19]
निष्क्रिय-पिक्सेल सेंसर (PPS) सक्रिय-पिक्सेल सेंसर (APS) का अग्रदूत था।[7]एक PPS में निष्क्रिय पिक्सेल होते हैं जो बिना एम्पलीफायर के पढ़े जाते हैं, प्रत्येक पिक्सेल में एक फोटोडायोड और एक MOSFET स्विच होता है।[21] यह एक प्रकार का फोटोडायोड सरणी है, जिसमें p-n जंक्शन, एकीकृत कैपेसिटर और MOSFETs वाले पिक्सेल चयन ट्रांजिस्टर के रूप में होते हैं। 1968 में जी. वेक्लर द्वारा एक फोटोडायोड व्यूह प्रस्तावित किया गया था।[6] यह पीपीएस का आधार था।[7]ये शुरुआती फोटोडायोड सरणियाँ जटिल और अव्यावहारिक थीं, जिसमें एकीकृत सर्किट | ऑन-चिप मल्टीप्लेक्सर सर्किट के साथ-साथ प्रत्येक पिक्सेल के भीतर चयन ट्रांजिस्टर की आवश्यकता होती थी। फोटोडायोड सरणियों का शोर (इलेक्ट्रॉनिक्स) भी प्रदर्शन के लिए एक सीमा थी, क्योंकि फोटोडायोड रीडआउट मेमोरी बस कैपेसिटेंस के परिणामस्वरूप शोर का स्तर बढ़ गया। बाहरी कंप्यूटर मेमोरी के बिना फोटोडायोड सरणी के साथ सहसंबद्ध डबल सैंपलिंग (सीडीएस) का भी उपयोग नहीं किया जा सकता है।[6]हालांकि, 1914 में उप महावाणिज्यदूत कार्ल आर. लूप ने स्टेट डिपार्टमेंट को आर्चीबाल्ड लो|आर्चीबाल्ड एम. लो की टेलीविस्टा प्रणाली पर एक कांसुलर रिपोर्ट में रिपोर्ट किया कि यह कहा गया है कि ट्रांसमिटिंग स्क्रीन में सेलेनियम को किसी भी डायमैग्नेटिज्म द्वारा प्रतिस्थापित किया जा सकता है।[22] जून 2022 में, सैमसंग इलेक्ट्रॉनिक्स ने घोषणा की कि उसने 200 मिलियन पिक्सेल का इमेज सेंसर बनाया है। 200MP ISOCELL HP3 में 0.56 माइक्रोमीटर पिक्सेल हैं, सैमसंग ने बताया कि पिछले सेंसर में 064 माइक्रोमीटर पिक्सेल थे, जो 2019 के बाद से 12% कम है। नए सेंसर में 2 x 1.4 इंच लेंस में 200 मिलियन पिक्सेल हैं।[23]
चार्ज-युग्मित डिवाइस
चार्ज-युग्मित डिवाइस (CCD) का आविष्कार 1969 में बेल लैब्स में विलार्ड एस. बॉयल और जॉर्ज ई. स्मिथ द्वारा किया गया था।[24] MOS तकनीक पर शोध करते हुए, उन्होंने महसूस किया कि एक विद्युत आवेश चुंबकीय बुलबुले का सादृश्य था और इसे एक छोटे MOS संधारित्र पर संग्रहीत किया जा सकता था। चूंकि यह एमओएस कैपेसिटर की एक पंक्ति में सेमीकंडक्टर डिवाइस के निर्माण के लिए काफी सीधा था, उन्होंने उन्हें एक उपयुक्त वोल्टेज से जोड़ा ताकि चार्ज को एक से दूसरे तक ले जाया जा सके।[18]सीसीडी एक सेमीकंडक्टर सर्किट है जिसे बाद में टेलीविज़न प्रसारण के लिए पहले डिजिटल वीडियो कैमरों में इस्तेमाल किया गया था।[25] शुरुआती सीसीडी सेंसर शटर लैग से पीड़ित थे। यह काफी हद तक पिन किए गए फोटोडायोड (पीपीडी) के आविष्कार के साथ हल किया गया था।[7]1980 में, हिरोमित्सु शिराकी ने यासुओ इशिहारा का मसौदा तैयार किया और उन्हें शिनवा मंदिर के सदस्य के रूप में नियुक्त किया गया।[7][26] यह कम अंतराल, कम शोर (इलेक्ट्रॉनिक्स), उच्च क्वांटम दक्षता और कम डार्क करंट (भौतिकी) के साथ एक फोटोडेटेक्टर संरचना थी।[7]1987 में, PPD को अधिकांश CCD उपकरणों में शामिल किया जाने लगा, जो उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक वीडियो कैमरों और फिर डिजिटल स्टिल कैमरों में एक स्थिरता बन गया। तब से, पीपीडी का उपयोग लगभग सभी सीसीडी सेंसर और फिर सीएमओएस सेंसर में किया गया है।[7]
एक्टिव-पिक्सेल सेंसर
NMOS लॉजिक एक्टिव-पिक्सेल सेंसर (APS) का आविष्कार 1980 के दशक के मध्य में ओलंपस कॉर्पोरेशन द्वारा जापान में किया गया था। यह एमओएस सेमीकंडक्टर डिवाइस फैब्रिकेशन में अग्रिमों द्वारा सक्षम किया गया था, जिसमें एमओएसएफईटी स्केलिंग सेमीकंडक्टर स्केल उदाहरणों की छोटी सूची तक पहुंच गई थी। माइक्रोन और फिर सब-माइक्रोन स्तर।[6][27] पहला NMOS APS 1985 में ओलिंप में Tsutomu नाकामुरा की टीम द्वारा निर्मित किया गया था।[28] CMOS एक्टिव-पिक्सेल सेंसर (CMOS सेंसर) को बाद में 1993 में NASA जेट प्रोपल्शन लेबोरेटरी में Eric Fossum की टीम द्वारा विकसित किया गया था।[7] 2007 तक, CMOS सेंसर की बिक्री ने CCD सेंसर को पीछे छोड़ दिया था।[29] 2010 तक, CMOS सेंसर ने सभी नए अनुप्रयोगों में बड़े पैमाने पर CCD सेंसर को विस्थापित कर दिया।
अन्य छवि सेंसर
1975 में पहला वाणिज्यिक डिजिटल कैमरा, क्रोमेमको साइक्लोप्स, 32 × 32 एमओएस इमेज सेंसर का उपयोग करता था। यह एक संशोधित MOS डायनेमिक रैंडम-एक्सेस मेमोरी (डायनेमिक रैंडम-एक्सेस मेमोरी) मेमोरी चिप थी।[30] MOS इमेज सेंसर का व्यापक रूप से ऑप्टिकल माउस तकनीक में उपयोग किया जाता है। 1980 में ज़ेरॉक्स में रिचर्ड एफ. लियोन द्वारा आविष्कृत पहला ऑप्टिकल माउस, 6 µm प्रक्रिया का उपयोग करता था|5 माइक्रोमीटर एनएमओएस लॉजिक इंटीग्रेटेड सर्किट सेंसर चिप।[31][32] पहले वाणिज्यिक ऑप्टिकल माउस के बाद से, IntelliMouse को 1999 में पेश किया गया, अधिकांश ऑप्टिकल माउस डिवाइस CMOS सेंसर का उपयोग करते हैं।[33] फरवरी 2018 में, डार्टमाउथ कॉलेज के शोधकर्ताओं ने एक नई इमेज सेंसिंग तकनीक की घोषणा की, जिसे शोधकर्ता क्वांटा इमेज सेंसर के लिए QIS कहते हैं। पिक्सल के बजाय, क्यूआईएस चिप्स में वह होता है जिसे शोधकर्ता जॉट कहते हैं। प्रत्येक जोट प्रकाश के एक कण का पता लगा सकता है, जिसे फोटॉन कहा जाता है।[34]
यह भी देखें
- डिजिटल कैमरों में प्रयुक्त सेंसर की सूची
- संपर्क छवि संवेदक (सीआईएस)
- इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल सेंसर
- वीडियो कैमरा ट्यूब
- सेमीकंडक्टर डिटेक्टर
- भरण कारक (इमेज सेंसर)
- फुल-फ्रेम डिजिटल एसएलआर
- छवि वियोजन
- छवि संवेदक प्रारूप, सामान्य छवि संवेदकों के आकार और आकार
- कलर फिल्टर ऐरे, कलर इमेज सेंसर्स पर छोटे कलर फिल्टर्स की पच्चीकारी
- सेंसिटोमेट्री, प्रकाश के प्रति संवेदनशील सामग्रियों का वैज्ञानिक अध्ययन
- टेलीविजन का इतिहास, 1880 के दशक से इलेक्ट्रॉनिक इमेजिंग तकनीक का विकास
- बड़े सेंसर विनिमेय-लेंस वीडियो कैमरों की सूची
- ओवरसैंपल्ड बाइनरी इमेज सेंसर
- कंप्यूटर दृष्टी
- पुश झाड़ू स्कैनर
- व्हिस्क ब्रूम स्कैनर
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बाहरी कड़ियाँ
- Digital Camera Sensor Performance Summary by Roger Clark
- Clark, Roger. "Does Pixel Size Matter?". clarkvision.com. (with graphical buckets and rainwater analogies)
