छवि संवेदक



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 वस्तुओं से गुजरते हैं या वस्तुओं को प्रतिबिंबित करते हैं) को संकेत (विद्युत अभियांत्रिकी) में परिवर्तित करके करते हैं, विद्युत धारा के छोटे विस्फोट जो सूचना देते हैं। तरंगें प्रकाश या अन्य विद्युत चुम्बकीय विकिरण हो सकती हैं। छवि संवेदक का उपयोग अनुरूप इलेक्ट्रानिक्सऔर अंकीय इलेक्ट्रॉनिक्स दोनों प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक प्रतिबिंबन उपकरणों में किया जाता है, जिसमें डिजिटल कैमरा, कैमरा मॉड्यूल, कैमरा फ़ोन , ऑप्टिकल माउस उपकरण   चिकित्सीय प्रतिबिंबन उपकरण,  रात्रि दृष्टि  उपकरण जैसे ऊष्मीय प्रतिबिंबन उपकरण, राडार, सोनार और अन्य शामिल हैं। जैसे-जैसे प्रौद्योगिकी बदलती है, इलेक्ट्रॉनिक और अंकीय प्रतिबिंब रासायनिक और अनुरूप प्रतिबिंबन को बदलने लगती है।

दो मुख्य प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक छवि संवेदक चार्ज-युग्मित उपकरण (सीसीडी) और सक्रिय पिक्सेल संवेदक (सीएमओएस संवेदक) हैं। सीसीडी और सीएमओएस संवेदक दोनों मेटल-ऑक्साइड-अर्धचालक (एमओएस) तकनीक पर आधारित हैं, जिसमें एमओएस कैपेसिटर पर आधारित सीसीडी और एमओएसएफईटी (एमओएस फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर) प्रवर्धक पर आधारित सीएमओएस संवेदक हैं। अदृश्य विकिरण के लिए अनुरूप संवेदक में विभिन्न प्रकार के वैक्यूम ट्यूब (निर्वात नली) शामिल होते हैं, जबकि डिजिटल संवेदक में फ्लैट पैनल संसूचक शामिल होते हैं।

सीसीडी बनाम सीएमओएस संवेदक
फ़ाइल: वेबकैम डिजिटल कैमरे के फ़ोटोसेंसर सरणी के कोने का एक माइक्रोग्राफ़ दो मुख्य प्रकार के डिजिटल इमेज (अंकीय छवि) संवेदक चार्ज-युग्मित उपकरण (सीसीडी) और सक्रिय-पिक्सेल संवेदक (सीएमओएस संवेदक) हैं, जो पूरक एमओएस (सीएमओएस) या एन-टाइप एमओएस (एनएमओएस या लाइव एमओएस) प्रौद्योगिकियों में निर्मित हैं। सीसीडी और सीएमओएस संवेदक दोनों एमओएस तकनीक पर आधारित हैं एमओएस कैपेसिटर सीसीडी के निर्माण खंड हैं, और एमओएसएफईटी प्रवर्धक सीएमओएस संवेदक के निर्माण खंड हैं। छोटे उपभोक्ता उत्पादों में एकीकृत कैमरे आमतौर पर सीएमओएस संवेदक 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 संवेदक उच्च अंत प्रसारण गुणवत्ता वाले वीडियो कैमरों के लिए उपयोग किए जाते हैं, और सीएमओएस संवेदक अभी भी फोटोग्राफी और उपभोक्ता वस्तुओं में हावी हैं जहां समग्र लागत प्रमुख चिंता है। दोनों प्रकार के संवेदक प्रकाश को पकड़ने और इसे विद्युत संकेतों में परिवर्तित करने का एक ही कार्य पूरा करते हैं।

सीसीडी छवि संवेदक का प्रत्येक सेल एक अनुरूप उपकरण है। जब प्रकाश चिप से टकराता है तो इसे प्रत्येक प्रकाश संसूचक में छोटे विद्युत आवेश के रूप में रखा जाता है। (एक या अधिक) निर्गत प्रवर्धक के निकटतम पिक्सेल की लाइन में शुल्क प्रवर्धित और निर्गत होते हैं, फिर पिक्सेल की प्रत्येक पंक्ति अपने चार्ज को प्रवर्धक के करीब एक लाइन में स्थानांतरित कर देती है, जिससे प्रवर्धक 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 निर्गत नहीं हो जाता।

सीसीडी के कुछ प्रवर्धक की तुलना में सीएमओएस छवि संवेदक में प्रत्येक पिक्सेल के लिए प्रवर्धक होता है। इसके परिणामस्वरूप एक सीसीडी की तुलना में फोटॉनों को पकड़ने के लिए कम क्षेत्र होता है, लेकिन प्रत्येक फोटोडायोड (प्रकाश चालकीय) के सामने माइक्रोलेंस का उपयोग करके इस समस्या को दूर किया गया है, जो प्रकाश को फोटोडायोड में केंद्रित करता है जो अन्यथा प्रवर्धक से टकराता और पता नहीं चलता। कुछ सीएमओएस प्रतिबिंबन संवेदक फोटोडायोड को हिट करने वाले फोटॉनों की संख्या बढ़ाने के लिए बैक-साइड रोशनी का भी उपयोग करते हैं। सीएमओएस संवेदक संभावित रूप से कम घटकों के साथ लागू किए जा सकते हैं, कम बिजली का उपयोग करते हैं, और/या सीसीडी संवेदक की तुलना में तेजी से अनुशीर्षक प्रदान करते हैं। वे स्थैतिक बिजली के निर्वहन के लिए भी कम असुरक्षित हैं।

एक अन्य डिज़ाइन, हाइब्रिड सीसीडी/सीएमओएस आर्किटेक्चर ("एससीएमओएस" नाम के तहत बेचा जाता है) में सीएमओएस अनुशीर्षक संबद्ध परिपथ (आरओआईसी) होते हैं जो एक सीसीडी प्रतिबिंबन सब्सट्रेट से बम्प बॉन्ड होते हैं - एक ऐसी तकनीक जिसे इन्फ्रारेड स्टारिंग एरेज़ के लिए विकसित किया गया था और इसे सिलिकॉन आधारित संसूचक प्रौद्योगिकी के लिए अनुकूलित किया गया है। 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 संवेदक का उत्पाद सीसीडी और सीएमओएस इमेजर्स दोनों के लाभों का संभावित रूप से उपयोग कर सकता है।

प्रदर्शन
गतिक परिसर सिगनल-रव अनुपात और कम-प्रकाश संवेदनशीलता सहित छवि संवेदक के प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए कई मापदंड का उपयोग किया जा सकता है। तुलनीय प्रकार के संवेदक के लिए, आकार बढ़ने के साथ सिगनल-रव अनुपात और गतिक परिसर में सुधार होता है।

उद्भासन अवधि नियंत्रण

छवि संवेदकों का उद्भासन अवधि आम तौर पर या तो सांकेतिक 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, 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 उद्भासन अवधि तुरंत उस पंक्ति के अनुशीर्षक से पहले होता है, जो छवि फ्रेम में (आमतौर पर लैंडस्केप प्रारूप में ऊपर से नीचे तक) "रोल" करता है। वैश्विक इलेक्ट्रॉनिक शटरिंग कम आम है, क्योंकि इसके लिए "स्टोरेज" परिपथ की आवश्यकता होती है, जो उद्भासन अवधि के अंत से लेकर अनुशीर्षक प्रक्रिया के वहां पहुंचने तक, आमतौर पर कुछ मिलीसेकंड बाद चार्ज नियन्त्रित करता है।

रंग पृथक्करण
संवेदक, रंग-पृथक्करण तंत्र के प्रकार से भिन्न:
 * बायर फिल्टर सेंसर, कम लागत वाला और सबसे आम, रंग फ़िल्टर सरणी का उपयोग करके जो चयनित पिक्सेल संवेदक को लाल, हरा और नीला प्रकाश देता है। तत्वों पर प्रतिरूपित रासायनिक रंगों से बने रंगीन जेल के माध्यम से प्रत्येक व्यक्तिगत संवेदक 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 वियोजन होता है। विलुप्त रंग के नमूनों को डेमोसाइसिंग (प्रदर्शन) 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, कलर को-साइट नमूनाकरण जैसी तकनीकें रंग संवेदक को पिक्सेल चरणों में स्थानांतरित करने के लिए पीजोइलेक्ट्रिकिटी तंत्र का उपयोग करती हैं।
 * फोवोन एक्स 3 संवेदक, स्तरित पिक्सेल संवेदक 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 संवेदक अपने पासबैंडके भीतर समान रूप से संवेदनशील होता है, और पूर्ण वियोजन पर, 3-सीसीडी संवेदक बेहतर रंग गुणवत्ता और बेहतर कम रोशनी का प्रदर्शन करते हैं। 3-सीसीडी संवेदक एक पूर्ण 4:4:4 सिग्नल उत्पन्न करते हैं, जिसे टेलीविजन प्रसारण ,  वीडियो संपादनऔर क्रोमा कुंजी दृश्य प्रभावों में प्राथमिकता दी जाती है।

विशेषता संवेदक
विभिन्न अनुप्रयोगों में विशेष संवेदक का उपयोग किया जाता है जैसे थर्मोग्राफी, मल्टी-स्पेक्ट्रल (बहु-स्पेक्ट्रल) छवियों का निर्माण, वीडियो लैरींगोस्कोपी, गामा कैमरा ,  एक्स-रे  के लिए संवेदक सरणियाँ, और  खगोल  विज्ञान के लिए अन्य अत्यधिक संवेदनशील सरणियाँ। जबकि सामान्य डिजिटल कैमरों में एक फ्लैट संवेदक का उपयोग किया जाता है, सोनी ने 2014 में एक फ्लैट संवेदक के साथ होने वाले पेटज़वल फील्ड वक्रताको कम करने/समाप्त करने के लिए एक घुमावदार संवेदक का प्रोटोटाइप बनाया। एक घुमावदार संवेदक का उपयोग लेंस के एक छोटे और छोटे व्यास की अनुमति देता है जिसमें कम एपर्चर वाले तत्व और घटक होते हैं और फोटो के किनारे पर कम रोशनी गिरती है।

इतिहास
दृश्य प्रकाश के लिए प्रारंभिक अनुरूप संवेदक वीडियो कैमरा ट्यूबथे। 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 सीसीडी छवि संवेदकों द्वारा प्रतिस्थापित कर दिया गया था।

आधुनिक सॉलिड-स्टेट छवि संवेदक का आधार एमओएस तकनीक है, जो 1959 में  बेल लैब्समें मोहम्मद एम. अटाला और दाऊन कहंग द्वारा एमओएसएफईटी के आविष्कार से उत्पन्न हुआ है। बाद में एमओएस प्रौद्योगिकी पर शोध ने चार्ज-युग्मित उपकरण (सीसीडी) और बाद में सक्रिय-पिक्सेल संवेदक (सीएमओएस संवेदक) सहित ठोस-राज्य अर्धचालकछवि संवेदक के विकास का नेतृत्व किया।

निष्क्रिय-पिक्सेल संवेदक (पीपीएस) निष्क्रिय पिक्सेल संवेदक (एपीएस) का अग्रदूत था। एक पीपीएस में निष्क्रिय पिक्सेल होते हैं जिन्हें बिना प्रवर्धन के पढ़ा जाता है, 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 MOSFETs वाले पिक्सेल चयन ट्रांजिस्टर के रूप में होते हैं। 1968 में जी. वेक्लर द्वारा एक फोटोडायोड व्यूह प्रस्तावित किया गया था। यह पीपीएस का आधार था। ये शुरुआती फोटोडायोड सरणियाँ जटिल और अव्यावहारिक थीं, जिनमें ऑन-चिप मल्टीप्लेक्सरसर्किट के साथ-साथ प्रत्येक पिक्सेल के भीतर चयन ट्रांजिस्टर की आवश्यकता होती थी। फोटोडायोड सरणियों का शोर (इलेक्ट्रॉनिक्स)भी प्रदर्शन की एक सीमा थी, क्योंकि फोटोडायोड अनुशीर्षक बस कैपेसिटेंस के परिणामस्वरूप शोर का स्तर बढ़ गया था। बाहरी मेमोरी के बिना फोटोडायोड सरणी के साथ सहसंबद्ध डबल सैंपलिंग (सीडीएस) का भी उपयोग नहीं किया जा सकता है। हालांकि, 1914 में उप महावाणिज्यदूत कार्ल आर. लूप ने आर्किबाल्ड एम. लो के टेलीविस्टा सिस्टम पर एक कांसुलर रिपोर्ट में राज्य विभाग को सूचना दी कि "यह कहा गया है कि ट्रांसमिटिंग स्क्रीन में सेलेनियम को किसी भी प्रतिचुम्बकत्वसामग्री द्वारा प्रतिस्थापित किया जा सकता है"।

जून 2022 में, सैमसंग इलेक्ट्रॉनिक्स ने घोषणा की कि उसने 200 मिलियन पिक्सेल का छवि संवेदक बनाया है। 200MP ISOCELL HP3 में 0.56 माइक्रोमीटर पिक्सेल हैं, सैमसंग ने बताया कि पिछले संवेदक में 064 माइक्रोमीटर पिक्सेल थे, जो 2019 के बाद से 12% कम है। नए संवेदक में 2 x 1.4 इंच के लेंस में 200 मिलियन पिक्सेल हैं।

चार्ज-युग्मित उपकरण
चार्ज-कपल्ड उपकरण (सीसीडी) का आविष्कार 1969 में बेल लैब्स में विलार्ड एस. बॉयल और जॉर्ज ई. स्मिथ द्वारा किया गया था। एमओएस 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 एमओएस कैपेसिटर की एक श्रृंखला को एक पंक्ति में बनाना काफी सरल था, इसलिए उन्होंने उनके साथ एक उपयुक्त वोल्टेज जोड़ा ताकि चार्ज को एक से दूसरे तक ले जाया जा सके। सीसीडी एक सेमीकंडक्टर परिपथ है जिसे बाद में टेलीविजन प्रसारण के लिए पहले डिजिटल वीडियो कैमरोंमें इस्तेमाल किया गया था।

प्रारंभिक सीसीडी संवेदक शटर लैगसे पीड़ित थे। पिन्ड फोटोडायोड (पीपीडी)के आविष्कार के साथ इसे काफी हद तक सुलझा लिया गया था। इसका आविष्कार 1980 में NEC में नोबुकाज़ू टेरानिशी, हिरोमित्सु शिराकी और यासुओ इशिहारा द्वारा किया गया था। यह लो लैग, लो नॉइज़, उच्च  क्वांटम दक्षताऔर लो डार्क करंट के साथ एक फोटोडिटेक्टर संरचना थी। 987 में, PPD को अधिकांश CCD उपकरणों में शामिल किया जाने लगा, जो उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक  वीडियो कैमरे और फिर  डिजिटल स्टिल कैमरामें एक स्थिरता बन गया। तब से, PPD का उपयोग लगभग सभी CCD संवेदक और फिर CMOS संवेदक में किया गया है।

सक्रिय-पिक्सेल संवेदक
NMOS एक्टिव-पिक्सेल संवेदक (APS) का आविष्कार ओलिंपस कॉर्पोरेशनद्वारा 1980 के दशक के मध्य में जापान में किया गया था। यह एमओएस सेमीकंडक्टर उपकरण फैब्रिकेशन में प्रगति से सक्षम था, जिसमें एमओएसएफईटी स्केलिंग छोटे माइक्रोन और फिर उप-माइक्रोन स्तर तक पहुंच गया था। पहला NMOS APS 1985 में ओलिंप में सुतोमु नाकामुरा की टीम द्वारा निर्मित किया गया था। सीएमओएस एक्टिव-पिक्सेल संवेदक (सीएमओएस संवेदक) को बाद में 1993 में नासा   जेट प्रोपल्शन प्रयोगशाला  में वैज्ञानिकों के एक समूह द्वारा सुधार किया गया था। 2007 तक, CMOS संवेदक की बिक्री ने CCD संवेदक को पीछे छोड़ दिया था। 2010 तक, CMOS संवेदक ने सभी नए अनुप्रयोगों में बड़े पैमाने पर CCD संवेदक को विस्थापित कर दिया।

अन्य छवि संवेदक
1975 में पहला वाणिज्यिक डिजिटल कैमरा, क्रोमेमको साइक्लोप्स, 32 × 32 एमओएस छवि संवेदक का उपयोग करता था। यह एक संशोधित MOS डायनेमिक रैंडम एक्सेस मेमोरी (डायनेमिक रैंडम-एक्सेस मेमोरी) मेमोरी चिप  थी।

MOS छवि संवेदक का व्यापक रूप से ऑप्टिकल माउस तकनीक में उपयोग किया जाता है। 1980 में ज़ीरक्सा में रिचर्ड एफलियोन द्वारा आविष्कृत पहले ऑप्टिकल माउस में 5 µm NMOS एकीकृत परिपथ संवेदक चिप का उपयोग किया गया था। पहले वाणिज्यिक ऑप्टिकल माउस के बाद से, इंटेलीमॉसको 1999 में पेश किया गया, अधिकांश ऑप्टिकल माउस उपकरण सीएमओएस संवेदक का उपयोग करते हैं।

फरवरी 2018 में, डार्टमाउथ कॉलेजके शोधकर्ताओं ने एक नई छवि सेंसिंग तकनीक की घोषणा की, जिसे शोधकर्ता क्वांटा छवि संवेदक के लिए QIS कहते हैं। पिक्सेल के बजाय, QIS चिप्स में वह होता है जिसे शोधकर्ता "जोट्स" कहते हैं। प्रत्येक जोट प्रकाश के एक 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)