الميكانيكا الداخلية لأجهزة استشعار CMOS المتنقلة: مرشحات باير وآبار الثنائي الضوئي
كل صورة رقمية يتم التقاطها بواسطة الهاتف الذكي تنشأ في مستشعر البكسل النشط التكميلي لأكسيد المعادن وأشباه الموصلات (CMOS).. يتكون سطح مستشعر السيليكون من ملايين آبار الضوء الضوئية المجهرية. نظرًا لأن الثنائيات الضوئية السيليكونية مصابة بعمى الألوان في جوهرها (تقيس فقط شدة الضوء الكلية)، فإن مجموعة مرشحات الألوان الفسيفسائية المجهرية تسمى مرشح باير يتم ربطه بسطح المستشعر بنمط متناوب 50% أخضر، 25% أحمر، 25% أزرق العدسات الدقيقة.
تضرب فوتونات الضوء كل صمام ثنائي ضوئي جيدًا، مما يؤدي إلى إزاحة الإلكترونات عبر التأثير الكهروضوئي لتجميع الشحنة الكهربائية. تقوم المحولات التناظرية إلى الرقمية (ADCs) الموجودة على الشريحة بتحويل هذه الشحنة إلى أرقام رقمية 10 بت أو 14 بت. يقوم معالج إشارة الصورة (ISP) بعرض قيم RGB الأولية هذه، ويقوم بتقليل ضوضاء الإطارات المتعددة، ورسم خرائط النغمات، وإخراج إطارات الفيديو الأصلية بمعدل 30 إلى 60 إطارًا في الثانية.
تشخيص عيوب الحساس: البكسلات الميتة والبكسلات الساخنة والإشعاع الكوني
أثناء عملية تصنيع أشباه الموصلات، أو نتيجة لإشعاع الخلفية الطبيعية والتدوير الحراري، يمكن لآبار الثنائي الضوئي الفردية أن تتطور إلى عيوب دقيقة:
- البكسلات الميتة (أسود): يحدث عندما يفشل التوصيل الكهربائي للثنائي الضوئي بشكل كامل أو تقصر دائرة البكسل عن الأرض. يُنتج البكسل جهدًا صفريًا بغض النظر عن الضوء الوارد، ويظهر كنقطة سوداء دائمة.
- وحدات البكسل الساخنة (الأحمر الساطع أو الأخضر أو الأزرق): ناجمة عن خلع الشبكة البلورية السيليكونية التي تسمح للطاقة الحرارية بتكوين أزواج ثقب الإلكترون حتى في الظلام المطلق (تسرب التيار المظلم). تصبح وحدات البكسل الساخنة واضحة بشكل صارخ أثناء التعرض الطويل أو عندما يسخن مستشعر الجهاز أثناء تسجيل الفيديو الممتد.
- البكسلات العالقة: يحدث عندما يظل الترانزستور مغلقًا في حالة مفتوحة، مما يؤدي إلى تشبع ADC وإخراج نصوع واسع النطاق (أبيض نقي أو لون RGB كامل) في جميع ظروف الإضاءة.
طرح الإطار الداكن: المعيار العلمي لتدقيق أجهزة الاستشعار
في التصوير الفلكي الاحترافي وقياس الطيف العلمي، يتم تدقيق صحة المستشعر باستخدام طرح الإطار الداكن. من خلال منع جميع الفوتونات الساقطة من الوصول إلى المستشعر (مصراع مغلق أو عدسة مغطاة)، فإن أي إشارة تسجلها الكاميرا تمثل ضوضاء حرارية إلكترونية نقية وتسرب الثنائي الضوئي. يقوم الماسح الضوئي عبر الإنترنت الخاص بـ FlashSoft بتحليل هذه الإطارات المظلمة باستخدام تباين مضخم لاكتشاف وحدات البكسل الساخنة المعزولة التي تشير إلى تدهور المستشعر.