ડિજિટલ આંખની ક્રાંતિ: સ્માર્ટફોન કેમેરા પાછળનું સાયન્સ અને સીમોસ સેન્સરની કાર્યશૈલી

કેમેરા ક્રાંતિનું હૃદય: સીમોસ ટેકનોલોજી શું છે?

આજે આપણે સ્માર્ટફોનમાંથી ક્ષણવારમાં જે સુસ્પષ્ટ ફોટોગ્રાફ્સ લઈએ છીએ, સોશિયલ મીડિયા પર સેલ્ફી શેર કરીએ છીએ કે હાઈ-ડેફિનેશન વિડીયો રેકોર્ડ કરીએ છીએ, તેની પાછળ એક નાનકડી પણ અત્યંત તીવ્ર સિલિકોન ચિપ કામ કરી રહી છે. આ ચિપને સીમોસ ઈમેજ સેન્સર (CMOS - Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Image Sensor) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. સરળ ભાષામાં કહીએ તો, સીમોસ સેન્સર એ ડિજિટલ કેમેરાની 'કૃત્રિમ આંખ' છે, જે લેન્સમાંથી આવતા પ્રકાશના ફોટોન (photon) કણોને પકડીને તેને ઈલેક્ટ્રોનિક ડિજિટલ ચિત્રમાં ફેરવે છે.

દરેક ઈમેજ સેન્સરમાં લાખો કે કરોડો નાના-નાના કોષો હોય છે, જેને આપણે પિક્સલ (pixel - ચિત્રનો સૌથી નાનો એકમ) કહીએ છીએ. આધુનિક સીમોસ સેન્સરમાં દરેક પિક્સલ પોતે જ પ્રકાશ માપે છે, તેને વીજપ્રવાહમાં રૂપાંતરિત કરે છે અને તે જ જગ્યાએ સિગ્નલને એમ્પ્લીફાય (સંકેત મજબૂત) પણ કરે છે. આ સિદ્ધાંતને એક્ટિવ-પિક્સલ સેન્સર (APS - Active-Pixel Sensor) કહેવામાં આવે છે. આ ટેકનોલોજીને કારણે જ આજના કેમેરા કદમાં અત્યંત નાના, વિજળીની ઓછી ખપત કરનારા અને અદભુત પ્રકાશગ્રાહ્ય ક્ષમતા ધરાવતા બન્યા છે.

સીસીડી થી સીમોસ સુધી: ડિજિટલ ફોટોગ્રાફીનો ઈતિહાસ

ડિજિટલ ઈમેજિંગની શરૂઆત ૧૯૬૯માં બેલ લેબોરેટરીઝ ખાતે વિલાર્ડ બોયલ અને જોર્જ ઈ. સ્મિથ દ્વારા ચાર્જ-કપલ્ડ ડિવાઈસ (CCD - Charge-Coupled Device) ની શોધ સાથે થઈ હતી. સીસીડી સેન્સરે લાંબા સમય સુધી કેમેરા ક્ષેત્રે રાજ કર્યું. પરંતુ સીસીડીની એક મોટી મર્યાદા એ હતી કે તેમાં તમામ પિક્સલનો વીજભાર ચિપના એક ખૂણેથી ક્રમશઃ પસાર કરીને વાંચવો (readout) પડતો હતો. આ ચાર્જ ટ્રાન્સફર પ્રક્રિયામાં જરા પણ ભૂલ ચાલે તેમ ન હોવાથી, સીસીડી સેન્સરમાં પુષ્કળ વીજળી વપરાતી હતી, ચિપ ગરમ થઈ જતી હતી અને તેની નિર્માણ પ્રક્રિયા અત્યંત જટિલ હતી.

૧૯૬૦ના દાયકામાં પીટર નોબલ અને જી. વેકલરે પેસિવ-પિક્સલ સેન્સર (PPS) નો ખ્યાલ આપ્યો હતો, પરંતુ તેમાં એમ્પ્લીફિકેશન ન હોવાને કારણે ઈલેક્ટ્રોનિક નોઈઝ (ઝાંખપ અથવા અવાજ) ખૂબ વધારે આવતો હતો. ૧૯૬૭માં પીટર નોબલે દરેક પિક્સલની અંદર જ ટ્રાન્ઝિસ્ટર મૂકીને 'એક્ટિવ પિક્સલ'ની કલ્પના રજૂ કરી. ત્યારબાદ ૧૯૮૫માં ઓલિમ્પસ (Olympus) કંપનીના ત્સુતોમુ નાકામુરાની ટીમે ચાર્જ મોડ્યુલેશન ડિવાઈસ (CMD) આધારિત પ્રથમ માઈક્રોન-સ્તરનું મોસ (MOS) એક્ટિવ-પિક્સલ સેન્સર બનાવ્યું અને 'એક્ટિવ પિક્સલ સેન્સર' (APS) શબ્દ આપ્યો.

પરંતુ સાચી ક્રાંતિ ત્યારે આવી જ્યારે ૧૯૮૦માં એનઇસી (NEC) ના નોબુકાઝુ તેરાનિશી અને તેમની ટીમે 'પિન્ડ ફોટોડાયોડ' (PPD - Pinned Photodiode) ની શોધ કરી. આ ઈનોવેશનને ૧૯૮૪માં કોડાક કંપનીના બી.સી. બર્કી દ્વારા પિન્ડ ફોટોડાયોડ નામ આપવામાં આવ્યું. PPD ને લીધે ઈમેજમાં આવતો લેગ (ખેંચાણ), ડાર્ક કરંટ (અંધારામાં આવતો નોઈઝ) અને ઈલેક્ટ્રોન લીકેજ સંપૂર્ણપણે ઘટી ગયા. ૧૯૯૨માં મિત્સુબિશી ઈલેક્ટ્રિક અને ૧૯૯૩માં નાસા (NASA) ની જેટ પ્રપલ્શન લેબોરેટરી (JPL) ખાતે સીમોસ એક્ટિવ-પિક્સલ સેન્સરનો સફળ વિકાસ થયો, જેણે આજના આધુનિક કેમેરાનો પાયો નાખ્યો.

સીમોસ સેન્સરની રચના અને કાર્યપદ્ધતિ

આધુનિક સીમોસ સેન્સરનો પિક્સલ મુખ્યત્વે 4T (ચાર ટ્રાન્ઝિસ્ટર) આર્કિટેક્ચર પર કામ કરે છે. તેની અંદર પિન્ડ ફોટોડાયોડ (PPD), ફ્લોટિંગ ડિફ્યુઝન નોડ (FD - Floating Diffusion), અને ચાર માઇક્રોસ્કોપિક ટ્રાન્ઝિસ્ટર આવેલા હોય છે. ચાલો સમજીએ કે આ સિસ્ટમ પ્રકાશના એક કિરણને ડિજિટલ ડેટામાં કેવી રીતે રૂપાંતરિત કરે છે.

સૌપ્રથમ, જ્યારે કેમેરાનો શટર ખુલે છે, ત્યારે પ્રકાશના ફોટોન પિન્ડ ફોટોડાયોડ પર પડે છે. ફોટો-ઈલેક્ટ્રિક અસરમાંથી ફોટોન સિલિકોનના અણુઓમાંથી ઈલેક્ટ્રોન મુક્ત કરે છે. આ ઈલેક્ટ્રોન ફોટોડાયોડમાં એકઠા થાય છે. ત્યારબાદ ટ્રાન્સફર ગેટ (TG) ઓન થાય છે અને આ ભેગો થયેલો વીજભાર ફ્લોટિંગ ડિફ્યુઝન (FD) નામના નાનકડા કેપેસિટરમાં ટ્રાન્સફર થાય છે. આ પ્રક્રિયાને જરા પણ ડેટા ગુમાવ્યા વગર પૂરી કરવામાં PPD ટેકનોલોજી મદદરરૂપ થાય છે.

ત્યારબાદ, આ વીજભારને સોર્સ ફોલોઅર (SF) ટ્રાન્ઝિસ્ટર દ્વારા વોલ્ટેજ સિગ્નલમાં બદલવામાં આવે છે અને એમ્પ્લીફાય કરવામાં આવે છે. સિલેક્ટ ટ્રાન્ઝિસ્ટર (SEL) આ પિક્સલને પ્રોસેસિંગ લાઈન સાથે જોડે છે, અને રીસેટ ટ્રાન્ઝિસ્ટર (RST) કામ પૂરું થયા પછી FD નોડને ખાલી કરીને આગામી ફ્રેમ માટે તૈયાર કરે છે. આ રીતે દરેક પિક્સલ પોતાનું વોલ્ટેજ સિગ્નલ ચિપની ધાર પર આવેલા એનાલોગ-ટુ-ડિજિટલ કન્વર્ટર (ADC) ને મોકલે છે, જ્યાં તે ૦ અને ૧ ના ડિજિટલ કોડમાં ફેરવાય છે.

મહત્વપૂર્ણ આંકડા, માઇલસ્ટોન અને બજાર પર કબજો

સીમોસ સેન્સરે તેની શરૂઆતના બે દાયકામાં સીસીડી ટેકનોલોજીને બજારમાંથી લગભગ અપ્રસ્તુત કરી દીધી. ૨૦૦૦ના દાયકાની શરૂઆતમાં સીમોસનો ઉપયોગ માત્ર સસ્તા વેબકેમ અને સિક્યુરિટી કેમેરામાં થતો હતો કારણ કે સીસીડીમાં કલર અને ઈમેજ ક્વોલિટી વધુ સારી હતી. પરંતુ ૨૦૦૦ના દાયકામાં ૧૯૯૯માં હ્યુન્ડાઈ ઈલેક્ટ્રોનિક્સ દ્વારા 0.5 um DRAM પ્રોસેસમાં 800x600 કલર સીમોસ સેન્સર બનાવવામાં આવ્યું, જેમાં Integrated ADCs અને 4T PPD હતા.

સોની (Sony) કંપનીએ ૨૦૦૭માં દરેક કોલમ માટે અલગ એનાલોગ-ટુ-ડિજિટલ કન્વર્ટર (Column ADC) પરિપથ વિકસાવ્યો, જેનાથી રીડઆઉટ સ્પીડ અનેક ગણી વધી ગઈ અને નોઈઝ ખૂબ ઘટી ગયો. આ સફળતાને કારણે બજારમાં સીમોસ સેન્સરનો હિસ્સો ઝડપથી વધ્યો.

૨૦૦૭ સુધીમાં વૈશ્વિક ઈમેજ સેન્સર માર્કેટમાં સીમોસનો હિસ્સો ૫૪% થયો અને પહેલીવાર તે સીસીડીથી આગળ નીકળી ગયો. ૨૦૧૨ સુધીમાં આ હિસ્સો વધીને ૭૪% થયો અને ૨૦૧૭માં સીમોસે સમગ્ર વિશ્વના ઈમેજ સેન્સર વેચાણના ૮૯% હિસ્સા પર પોતાનો એકહથ્થુ અધિકાર જમાવી લીધો. સોની, ઓમનિવિઝન (OmniVision), સેમસંગ અને સિલિકોન ફાઉન્ડ્રીઝે આ ક્ષેત્રમાં અબજો ડોલરનું રોકાણ કર્યું.

બેક-ઈલ્યુમિનેશન અને સ્ટેક્ડ સેન્સર: આધુનિક કેમેરાની તાકાત

પરંપરાગત ફ્રન્ટ-ઈલ્યુમિનેટેડ (Front-Illuminated) સીમોસ સેન્સરમાં સિલિકોનની ઉપરના ભાગમાં ધાતુના વાયરિંગ અને ટ્રાન્ઝિસ્ટરના સ્તર આવેલા હતા. આના કારણે લેન્સમાંથી આવતો લગભગ ૩૦% થી ૪૦% પ્રકાશ આ વાયર સાથે અથડાઈને વેડફાઈ જતો હતો, જેના લીધે રાત્રે કે ઓછા પ્રકાશમાં ફોટોગ્રાફી ખરાબ આવતી હતી.

૨૦૦૯માં Sony એ વાણિજ્યિક ધોરણે બેક-ઈલ્યુમિનેટેડ (BI અથવા BSI - Back-Illuminated) સીમોસ સેન્સર રજૂ કર્યું. આ નવી ડિઝાઇનમાં સિલિકોન વેફરને પાતળી કરીને ઊંધી કરી દેવામાં આવી, જેથી ધાતુનું વાયરિંગ સેન્સરની પાછળ જતું રહ્યું અને ફોટોડાયોડ સીધો પ્રકાશના સંપર્કમાં આવ્યો. BSI ટેકનોલોજીથી સેન્સરની પ્રકાશ પ્રત્યેની સંવેદનશીલતા બમણી (૨x) થઈ ગઈ.

[[fig 1_alt]]

ત્યારબાદ ૨૦૧૨માં સોનીએ 'સ્ટેક્ડ સીમોસ સેન્સર' (Stacked CMOS Sensor) લોન્ચ કર્યું. આમાં પિક્સલ એરે (સિલિકોનનો ઉપરનો ભાગ) અને લોજિક પ્રોસેસિંગ સર્કિટ (નીચેનો ભાગ) ને બે અલગ-અલગ સ્તરમાં બનાવીને એકબીજા પર ચીપકાવી દેવામાં આવ્યા. આનાથી સ્માર્ટફોનના નાના સેન્સરમાં પણ ખૂબ મોટો પિક્સલ એરિયા મળવા લાગ્યો અને પ્રોસેસિંગ સ્પીડમાં અદ્ભુત વધારો થયો.

સ્માર્ટફોન, ભારત અને ભવિષ્યની ક્વોન્ટા ઈમેજિંગ

આજે સ્માર્ટફોનમાં મોટા DSLRs જેવા સેન્સર ફિટ કરવા શક્ય બન્યા છે. Canon EOS 5D Mark IV જેવા મોટા ફુલ-ફ્રેમ કેમેરાના સેન્સર અને સ્માર્ટફોનના નાનકડા સેન્સર વચ્ચે કદનો બહુ મોટો તફાવત છે, છતાં સોફ્ટવેર, BSI આર્કિટેક્ચર અને કોમ્પ્યુટેશનલ ફોટોગ્રાફીના લીધે સ્માર્ટફોન કેમેરા અકલ્પનીય ગુણવત્તા આપે છે. ૨૦૧૪માં Phase One એ Sony સેન્સર સાથે મિડિયમ-ફોર્મેટ ડિજિટલ બેક લોન્ચ કરીને પ્રોફેશનલ ફોટોગ્રાફીમાંથી પણ સીસીડીનો અંત આણ્યો હતો.

ભારત જેવા દેશમાં જમીન સ્તરે સોશિયલ મીડિયા, ડિજિટલ કન્ટેન્ટ ક્રિએશન, આધાર કાર્ડ બાયોમેટ્રિક્સ અને સ્માર્ટ સિટી સીસીટીવી ફ્રેમવર્ક સીમોસ સેન્સરોની સસ્તા ઉત્પાદન અને ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતા પર જ નિર્ભર છે. મેડિકલ ક્ષેત્રે રક્તકોષોના લેન્સલેસ ઈમેજિંગથી લઈને ઓટોનોમસ કારના LiDAR અને કેમેરા વિઝનમાં સીમોસ સેન્સર અનિવાર્ય છે.

ઈમેજિંગ સાયન્સમાં હવે આગામી ક્રાંતિ 'ક્વોન્ટા ઈમેજિંગ સેન્સર' (QIS - Quanta Image Sensor) ના રૂપમાં આવી રહી છે. QIS નો ધ્યેય પ્રકાશના એક-એક સિંગલ ફોટોનને ગણવાનો (count) છે. આમાં સેન્સર પર 'જૉટ્સ' (jots) નામના સબ-માઇક્રોન કદના અબજો ફોટોઈલિમેન્ટ્સ હશે, જે એક સેકન્ડમાં સેંકડો કે હજારો વાર બિટ-પ્લેન રીડઆઉટ કરશે અને પ્રતિ સેકન્ડે ટેરાબિટ્સ (Terabits/sec) નો ડેટા જનરેટ કરશે. આ ભવિષ્યની ડિજિટલ આંખ અંધારા શબ્દને કેમેરાના શબ્દોશકોશમાંથી કાયમ માટે ભુસી નાખશે.