مستشعر البكسل النشط (APS): ثورة في التصوير الرقمي

مستشعر البكسل النشط (APS)

مستشعر البكسل النشط (Active-Pixel Sensor - APS) هو نوع من مستشعرات الصور حيث تحتوي كل وحدة بكسل على كاشف ضوئي (عادةً ما يكون ديود ضوئي مثبت - Pinned Photodiode) وواحد أو أكثر من الترانزستورات النشطة. تُستخدم هذه المستشعرات على نطاق واسع في تقنيات الكاميرات الرقمية الحديثة، بما في ذلك كاميرات الهواتف المحمولة، وكاميرات الويب، ومعظم الكاميرات الرقمية الجيبية، وكاميرات DSLR، والكاميرات عديمة المرآة (MILCs)، وحتى في تطبيقات التصوير بدون عدسات مثل تصوير خلايا الدم.

أنواع مستشعرات APS

في مستشعرات البكسل النشط القائمة على أشباه الموصلات من نوع (Metal-Oxide-Semiconductor - MOS)، تُستخدم ترانزستورات تأثير المجال (MOSFETs) كمضخمات للإشارة. وهناك أنواع مختلفة من هذه المستشعرات، منها:

• مستشعرات NMOS APS: وهي الإصدارات المبكرة من هذه التقنية.
• مستشعرات CMOS APS: وهي الأكثر شيوعاً حالياً، وتُعرف ببساطة باسم مستشعرات CMOS. ظهرت هذه المستشعرات كبديل لمستشعرات الجهاز المقترن بالشحنة (CCD)، وتفوقت عليها في المبيعات والانتشار بحلول منتصف العقد الأول من القرن الحادي والعشرين.

يُستخدم مصطلح "مستشعر البكسل النشط" للإشارة إلى البكسل الفردي نفسه، أو للإشارة إلى المصفوفة الكاملة من هذه البكسلات التي تشكل مستشعر الصورة بالكامل، وفي هذه الحالة يُسمى أحياناً "مصور البكسل النشط" (Active-Pixel Image Sensor).

تاريخ وتطور التقنية

الخلفية والبدايات

أثناء البحث في تقنية MOS، اكتشف ويلارد بويول وجورج سميث أن الشحنة الكهربائية يمكن تخزينها في مكثف MOS صغير، وهو ما أصبح حجر الزاوية في اختراع الجهاز المقترن بالشحنة (CCD) في عام 1969.

ومع ذلك، واجهت تقنية CCD عدة تحديات، منها الاعتماد الكلي على نقل الشحنة بشكل مثالي أثناء القراءة، مما أدى إلى ضعف تحمل الإشعاع، وأداء متواضع في ظروف الإضاءة المنخفضة، وصعوبات في تصنيع مصفوفات كبيرة، ومحدودية التكامل مع الإلكترونيات على الشريحة، بالإضافة إلى استهلاك طاقة أعلى.

مستشعر البكسل الخامل (PPS)

قبل ظهور APS، كان هناك مستشعر البكسل الخامل (Passive-Pixel Sensor - PPS)، وهو نوع من مصفوفات الديود الضوئي. يتكون PPS من بكسلات خاملة يتم قراءتها بدون تضخيم، حيث يتكون كل بكسل من ديود ضوئي ومفتاح MOSFET. عانى هذا النوع من المستشعرات من قيود كبيرة مثل الضوضاء العالية، وبطء عملية القراءة، وعدم القدرة على التوسع في الحجم، مما جعل تقنية CCD هي الخيار المفضل في ذلك الوقت.

ظهور مستشعر البكسل النشط (APS)

جاء مستشعر البكسل النشط ليحل هذه المشكلات من خلال دمج مضخم MOSFET داخل كل بكسل. يقوم هذا المضخم بتحويل الشحنة المتولدة ضوئياً إلى جهد كهربائي وتضخيم إشارة الجهد، مما يقلل بشكل كبير من الضوضاء الناتجة عن سعة ناقل القراءة، ويزيد من سرعة القراءة وكفاءة المستشعر.

دور الديود الضوئي المثبت (PPD)

يُعد الديود الضوئي المثبت (Pinned Photodiode - PPD) عنصراً أساسياً في مستشعرات CMOS الحديثة. اخترعه فريق من شركة NEC في عام 1980، ويتميز بقدرته على تقليل التأخير والضوضاء، وتوفير كفاءة كمية عالية وتيار مظلم منخفض. بدأ دمج PPD في مستشعرات CCD في عام 1987، ثم أصبح معياراً أساسياً في جميع مستشعرات CMOS اللاحقة.