छवि संवेदक



छवि सेंसर (संवेदक) या इमेजर एक सेंसर 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 वस्तुओं से गुजरते हैंया वस्तुओं को प्रतिबिंबित करते हैं) को संकेत (विद्युत अभियांत्रिकी)में परिवर्तित करके करते हैं, वर्तमान के छोटे फटने जो सूचना देते हैं। तरंगें प्रकाश या अन्य विद्युत चुम्बकीय विकिरणहो सकती हैं। इमेज सेंसर का उपयोग एनालॉग इलेक्ट्रानिक्सऔर अंकीय इलेक्ट्रॉनिक्स दोनों प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक इमेजिंग उपकरणों में किया जाता है, जिसमें डिजिटल कैमरा,  कैमरा मॉड्यूल ,  कैमरा फ़ोन ,  ऑप्टिकल माउस  डिवाइस, ऑप्टिकल माउस डिवाइस, ऑप्टिकल माउस डिवाइस    चिकित्सीय इमेजिंग उपकरण,  रात्रि दृष्टि  उपकरण जैसे  थर्मल इमेजिंग शामिल हैं। उपकरण, राडार ,  सोनार  और अन्य। जैसे-जैसे प्रौद्योगिकी बदलती है, इलेक्ट्रॉनिक और डिजिटल इमेजिंगरासायनिक और एनालॉग इमेजिंग को बदलने लगती है।

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 (निर्वात नली) शामिल होते हैं, जबकि डिजिटल सेंसर में  फ्लैट पैनल डिटेक्टर  शामिल होते हैं।

सीसीडी बनाम सीएमओएस सेंसर
फ़ाइल: वेबकैम डिजिटल कैमरे के फ़ोटोसेंसर सरणी के कोने का एक माइक्रोग्राफ़ दो मुख्य प्रकार के डिजिटल इमेज(अंकीय छवि)सेंसर चार्ज-युग्मित डिवाइस (सीसीडी) और सक्रिय-पिक्सेल सेंसर (सीएमओएस सेंसर) हैं, जो पूरक एमओएस (सीएमओएस) या एन-टाइप एमओएस (एनएमओएस या लाइव एमओएस) प्रौद्योगिकियों में निर्मित हैं। सीसीडी और सीएमओएस सेंसर दोनों एमओएस तकनीक पर आधारित हैं एमओएस कैपेसिटर सीसीडी के निर्माण खंड हैं, और एमओएसएफईटी एम्पलीफायर सीएमओएस सेंसर के निर्माण खंड हैं। 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। 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।

सीसीडी इमेज सेंसर का प्रत्येक सेल एक एनालॉग डिवाइस है। जब प्रकाश चिप से टकराता है तो इसे प्रत्येक फोटो सेंसरमें 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।

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। कुछ सीएमओएस इमेजिंग सेंसर फोटोडायोड को हिट करने वाले फोटॉनों की संख्या बढ़ाने के लिए बैक-साइडरोशनी का भी उपयोग करते हैं। 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। वे स्थैतिक बिजली के निर्वहन के लिए भी कम असुरक्षित हैं।

एक अन्य डिज़ाइन, एक हाइब्रिड CCD/सीएमओएस आर्किटेक्चर ("sCMOS" नाम के तहत बेचा जाता है) में सीएमओएस रीडआउट इंटीग्रेटेड सर्किट (ROICs) होते हैं जो एक CCD इमेजिंग सब्सट्रेट से बम्प बॉन्ड होते हैं - एक ऐसी तकनीक जिसे इन्फ्रारेड स्टारिंग एरेज़ के लिए विकसित किया गया था और इसे अनुकूलित किया गया है सिलिकॉन आधारित डिटेक्टर प्रौद्योगिकी के लिए। 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।

प्रदर्शन
डानामिक रेंज (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, आकार बढ़ने के साथ सिग्नल-टू-शोर अनुपात और गतिशील रेंज में सुधार होता है।

एक्सपोजर-टाइम कंट्रोल

छवि संवेदकों का एक्सपोजर समय आम तौर पर या तो पारंपरिक यांत्रिक शटर (फोटोग्राफी) द्वारा नियंत्रित किया जाता है, जैसा कि फिल्म कैमरों में या इलेक्ट्रॉनिक शटरद्वारा किया जाता है। इलेक्ट्रॉनिक शटरिंग "वैश्विक" हो सकती है, उस स्थिति में पूरे छवि संवेदक क्षेत्र का फोटोइलेक्ट्रॉनों का संचय शुरू होता है और एक साथ बंद हो जाता है, या "रोलिंग" होता है, जिसमें प्रत्येक पंक्ति का एक्सपोजर अंतराल तुरंत उस पंक्ति के रीडआउट से पहले होता है, जो "रोल" करता है। छवि फ्रेम में (आमतौर पर लैंडस्केप प्रारूप में ऊपर से नीचे तक)। वैश्विक इलेक्ट्रॉनिक शटरिंग कम आम है, क्योंकि इसके लिए "स्टोरेज" सर्किट की आवश्यकता होती है, जो एक्सपोज़र अंतराल के अंत से लेकर रीडआउट प्रक्रिया के वहां पहुंचने तक, आमतौर पर कुछ मिलीसेकंड बाद चार्ज होल्ड करता है।

रंग पृथक्करण
सेंसर, रंग-पृथक्करण तंत्र के प्रकार से भिन्न:
 * बायर फिल्टरसेंसर, कम लागत वाला और सबसे आम, रंग फ़िल्टर सरणीका उपयोग करके जो चयनित 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 पैटर्नप्रत्येक 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 नमूनों को डेमोसाइसिंग एल्गोरिथ्म का उपयोग करके प्रक्षेपित किया जा सकता है, या हानिपूर्ण संपीड़न द्वारा पूरी तरह से अनदेखा किया जा सकता है। 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।
 * फोवोन एक्स 3 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।
 * 3-सीसीडी, तीन असतत छवि संवेदकों का उपयोग करते हुए, एक द्विध्रुवीय प्रिज्म द्वारा 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 पासबैंडके 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 4:4:4 सिग्नल उत्पन्न करते हैं, जिसे टेलीविजन प्रसारण ,  वीडियो संपादनऔर क्रोमा कुंजी दृश्य प्रभावों में प्राथमिकता दी जाती है।

विशेषता सेंसर
विभिन्न अनुप्रयोगों में विशेष सेंसर का उपयोग किया जाता है जैसे थर्मोग्राफी, मल्टी-स्पेक्ट्रल (बहु-स्पेक्ट्रल) छवियों का निर्माण, वीडियो लैरींगोस्कोपी, गामा कैमरा ,  एक्स-रे  के लिए सेंसर सरणियाँ, और  खगोल  विज्ञान के लिए अन्य अत्यधिक संवेदनशील सरणियाँ। जबकि सामान्य डिजिटल कैमरे एक फ्लैट सेंसर का उपयोग करते हैं, सोनी ने 2014 में एक घुमावदार सेंसर को प्रोटोटाइप किया, जो कि एक फ्लैट सेंसर के साथ होने वाले पेटज़वल फील्ड वक्रता  को कम/समाप्त करने के लिए।एक घुमावदार सेंसर का उपयोग लेंस के छोटे और छोटे व्यास को कम तत्वों और घटकों के साथ अधिक एपर्चर और फोटो के किनारे पर प्रकाश गिरावट के साथ कम करने की अनुमति देता है।

इतिहास
दृश्य प्रकाश के लिए प्रारंभिक एनालॉग सेंसर वीडियो कैमरा ट्यूब  थे।वे 1930 के दशक में वापस आ गए, और 1980 के दशक तक कई प्रकार विकसित किए गए।1990 के दशक की शुरुआत में, उन्हें आधुनिक ठोस-राज्य इलेक्ट्रॉनिक द्वारा प्रतिस्थापित किया गया था। ठोस-राज्य सीसीडी छवि सेंसर। आधुनिक ठोस-राज्य छवि सेंसर के लिए आधार MOS तकनीक है, जो 1959 में  बेल लैब्स  में मोहम्मद एम। अटला और  दाऊन कहंग  द्वारा एमओएसएफईटी के आविष्कार से उत्पन्न हुआ है। एमओएस तकनीक पर बाद में शोध ने ठोस-राज्य  सेमीकंडक्टर  छवि सेंसर के विकास का नेतृत्व किया, जिसमें चार्ज-युग्मित डिवाइस (सीसीडी) और बाद में सक्रिय-पिक्सेल सेंसर (सीएमओएस सेंसर) शामिल थे।

निष्क्रिय-पिक्सेल सेंसर (पीपीएस) निष्क्रिय पिक्सेल सेंसर  (एपीएस) का अग्रदूत था। एक पीपीएस में निष्क्रिय पिक्सेल होते हैं जो  एम्पलीफायर  के बिना पढ़े जाते हैं, प्रत्येक पिक्सेल में एक फोटोडायोड और एक एमओएसएफईटी स्विच होता है। यह एक प्रकार का  फोटोडायोड सरणी  है, जिसमें पिक्सेल एक  पी-एन जंक्शन, एकीकृत  संधारित्र  और चयन  ट्रांजिस्टर  के रूप में MOSFETs होते हैं।1968 में जी। वेकलर द्वारा एक फोटोडायोड सरणी प्रस्तावित की गई थी। यह पीपीएस का आधार था। ये शुरुआती फोटोडायोड सरणियाँ जटिल और अव्यवहारिक थीं, जिनके लिए चयन ट्रांजिस्टर को प्रत्येक पिक्सेल के भीतर गढ़ने की आवश्यकता होती है, साथ ही एकीकृत सर्किट के साथ-साथ-चिप  बहुसंकेतक  सर्किट।फोटोडायोड सरणियों का  शोर (इलेक्ट्रॉनिक्स)  भी प्रदर्शन के लिए एक सीमा थी, क्योंकि फोटोडायोड रीडआउट  [[ स्मृति  बस ]] कैपेसिटेंस के परिणामस्वरूप शोर स्तर में वृद्धि हुई।बाहरी कंप्यूटर मेमोरी के बिना एक फोटोडायोड सरणी के साथ सहसंबद्ध डबल सैंपलिंग (सीडी) का उपयोग नहीं किया जा सकता है। हालांकि, 1914 में डिप्टी कॉन्सल जनरल कार्ल आर। लूप ने राज्य विभाग को आर्चीबाल्ड लो पर एक कांसुलर रिपोर्ट में रिपोर्ट किया। आर्चीबाल्ड एम। लो के टेलीविस्टा सिस्टम में कहा गया है कि यह कहा जाता है कि ट्रांसमिटिंग स्क्रीन में सेलेनियम को किसी भी  प्रतिचुम्बकत्व  द्वारा प्रतिस्थापित किया जा सकता है। जून 2022 में, सैमसंग इलेक्ट्रॉनिक्स ने घोषणा की कि उसने 200 मिलियन पिक्सेल इमेज सेंसर बनाया है।200MP Isocell HP3 में सैमसंग रिपोर्टिंग के साथ 0.56 माइक्रोमीटर पिक्सेल हैं कि पिछले सेंसर में 064 माइक्रोमीटर पिक्सेल थे, 2019 के बाद से 12% की कमी थी। नए सेंसर में 2 x 1.4 इंच लेंस में 200 मिलियन पिक्सेल हैं।

चार्ज-युग्मित डिवाइस
चार्ज-युग्मित डिवाइस (CCD) का आविष्कार विलार्ड एस। बॉयल और जॉर्ज ई। स्मिथ ने 1969 में बेल लैब्स में किया था। एमओएस तकनीक पर शोध करते समय, उन्होंने महसूस किया कि एक इलेक्ट्रिक चार्ज चुंबकीय बुलबुले का सादृश्य था और इसे एक छोटे से एमओएस संधारित्र पर संग्रहीत किया जा सकता है।चूंकि यह सेमीकंडक्टर डिवाइस फैब्रिकेशन के लिए काफी सीधा था, जो एक पंक्ति में MOS कैपेसिटर की एक श्रृंखला है, उन्होंने उनसे एक उपयुक्त वोल्टेज जोड़ा ताकि चार्ज को एक से दूसरे तक कदम रखा जा सके। CCD एक अर्धचालक सर्किट है जिसका उपयोग बाद में टेलीविजन प्रसारण के लिए पहले अंकीय वीडियो कैमरा  में किया गया था। प्रारंभिक CCD सेंसर शटर लैग  से पीड़ित थे।यह काफी हद तक पिन किए  पिन्ड फोटोडायोड  (पीपीडी) के आविष्कार के साथ हल किया गया था। शिनवा -जी मंदिर द्वारा अलग -अलग टी जापानी सदस्य वेन और डी, हकुमन शिरकी डाई डाईई इश्हारा ए टी -वल्यू सी सदस्य 1980। यह कम अंतराल, कम शोर (इलेक्ट्रॉनिक्स), उच्च  क्वांटम दक्षता  और कम अंधेरे वर्तमान (भौतिकी) के साथ एक  फोटोडिटेक्टर  संरचना थी। 1987 में, पीपीडी को अधिकांश सीसीडी उपकरणों में शामिल किया जाना शुरू हुआ, जो  उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक   वीडियो कैमरे  और फिर  डिजिटल स्टिल कैमरा  में एक स्थिरता बन गया।तब से, पीपीडी का उपयोग लगभग सभी सीसीडी सेंसर और फिर सीएमओएस सेंसर में किया गया है।

सक्रिय-पिक्सेल सेंसर
NMOS लॉजिक एक्टिव-पिक्सेल सेंसर (APS) का आविष्कार 1980 के दशक के मध्य के दौरान जापान में ओलिंपस कॉर्पोरेशन  द्वारा किया गया था।यह MOS सेमीकंडक्टर डिवाइस फैब्रिकेशन में अग्रिमों द्वारा सक्षम किया गया था, एमओएसएफईटी स्केलिंग के साथ सेमीकंडक्टर स्केल उदाहरणों की छोटी सूची तक पहुंचने के साथ। माइक्रोन और फिर उप-माइक्रोन स्तर। पहला NMOS APS 1985 में ओलिंपस में त्सुतोमु नाकामुरा की टीम द्वारा गढ़ा गया था। सीएमओएस एक्टिव-पिक्सेल सेंसर (सीएमओएस सेंसर) को बाद में 1993 में  नासा   जेट प्रोपल्शन प्रयोगशाला  में वैज्ञानिकों के एक समूह द्वारा सुधार किया गया था। 2007 तक, सीएमओएस सेंसर की बिक्री ने CCD सेंसर को पार कर लिया था। 2010 के दशक तक, सीएमओएस सेंसर ने सभी नए अनुप्रयोगों में काफी हद तक सीसीडी सेंसर को विस्थापित कर दिया।

अन्य छवि सेंसर
पहला वाणिज्यिक डिजिटल कैमरा, 1975 में क्रोमेम्को साइक्लोप्स ने 32 × 32 एमओएस इमेज सेंसर का उपयोग किया।यह एक संशोधित MOS डायनेमिक रैंडम एक्सेस मेमोरी  (डायनेमिक रैंडम-एक्सेस मेमोरी)  मेमोरी चिप  थी। MOS छवि सेंसर व्यापक रूप से ऑप्टिकल माउस तकनीक में उपयोग किए जाते हैं।1980 में ज़ीरक्सा  में रिचर्ड एफ। लियोन द्वारा आविष्कार किए गए पहले ऑप्टिकल माउस ने 6 माइक्रोन प्रक्रिया का उपयोग किया।NM NMOS लॉजिक इंटीग्रेटेड सर्किट सेंसर चिप।  पहले वाणिज्यिक ऑप्टिकल माउस के बाद से, 1999 में पेश किया गया  इंटेलीमॉस, अधिकांश ऑप्टिकल माउस डिवाइस सीएमओएस सेंसर का उपयोग करते हैं। फरवरी 2018 में, डार्टमाउथ कॉलेज  के शोधकर्ताओं ने एक नई छवि सेंसिंग तकनीक की घोषणा की, जिसे शोधकर्ताओं ने क्वांटा इमेज सेंसर के लिए क्यूआईएस कहा।पिक्सेल के बजाय, क्यूआईएस चिप्स के पास शोधकर्ताओं को जोट्स कहते हैं।प्रत्येक जोट प्रकाश के एक एकल कण का पता लगा सकता है, जिसे फोटॉन कहा जाता है।

बाहरी कड़ियाँ

 * Digital Camera Sensor Performance Summary by Roger Clark
 * (with graphical buckets and rainwater analogies)