Scegliere un sensore di immagine CMOS per sistemi di telecamere

Quando si tratta di sensori per sistemi di imaging di precisione, hai tre scelte ideali: microbolometro, rivelatore a accoppiamento di carica (CCD) e moduli sensore di immagine CMOS. I sistemi basati su bolometro sono ideali per l'imaging infrarosso di precisione, mentre i moduli sensore di immagine CCD e CMOS sono ideali per l'imaging a colori o monocromatico. Ognuno di questi può essere utilizzato per catturare immagini di alta qualità, sebbene abbiano diverse applicazioni ideali e vantaggi.

Se stai progettando un nuovo prodotto per l'imaging a livello consumer o industriale, e produrrai in grande volume, un sensore di immagine CMOS è probabilmente la scelta migliore. Vediamo cosa devi sapere per selezionare un sensore di immagine CMOS di alta qualità da utilizzare nel tuo prossimo sistema di imaging.

Scegliere un sensore di immagine CCD vs. CMOS

I sensori di immagine CCD e CMOS sono disponibili in varietà a colori e monocromatiche, e ogni tipo di sensore di immagine è piuttosto diverso. I sensori di immagine CCD generalmente hanno una sensibilità maggiore e un rumore inferiore rispetto a un sensore di immagine CMOS con la stessa dimensione e densità di pixel. I sensori di immagine CCD sono spesso raffreddati con Peltier in applicazioni scientifiche e applicazioni con luminosità estremamente bassa, il che riduce il rumore nell'immagine e fornisce una risoluzione molto alta. I CCD tendono anche a costare di più perché sono prodotti in volumi inferiori rispetto ai sensori di immagine CMOS, semplicemente perché la maggior parte delle applicazioni non richiede il livello di precisione fornito da un CCD.

Contrasta questo con i sensori di immagine CMOS, che sono prodotti utilizzando lo stesso processo dei circuiti integrati CMOS (da cui il nome). Questi dispositivi costano meno e tendono a utilizzare meno energia, ma producono anche immagini con più rumore e risoluzione inferiore. I sensori CMOS forniscono una conversione elettro-ottica più veloce, quindi possono essere utilizzati in applicazioni video con alta frequenza di fotogrammi. Il rumore in un sensore di immagine CMOS può essere rimosso dall'immagine catturata utilizzando filtraggio e media. Questo rende i sensori CMOS ideali per applicazioni di elettronica di consumo, inclusi IoT e dispositivi mobili.

Diagramma a blocchi funzionale per un sensore di immagine CMOS

Se stai cercando un sensore di immagine CMOS per un modulo video o fotocamera nel tuo prossimo prodotto, ecco alcuni punti da considerare:

• Risoluzione. Questa è la metrica di prestazione più citata per i sensori di immagine CCD e CMOS. Proprio come i moduli di visualizzazione, questi dispositivi hanno una risoluzione specificata e un passo dei pixel. La risoluzione si riferisce al numero di pixel, ma il vero fattore che determina la qualità dell'immagine è il passo dei pixel (normalmente specificato in unità di distanza). Un sensore di immagine CMOS con un passo dei pixel più piccolo avrà una risoluzione più fine. Combinando il passo dei pixel e il numero di pixel, è possibile determinare il campo visivo per le immagini raccolte con il tuo sistema. Nota che la risoluzione è talvolta indicata in megapixel (MP). Come riferimento, gli smartphone più nuovi e avanzati contengono sensori di immagine da ~7 MP.
• Illuminazione posteriore. Un sensore CMOS retroilluminato (BSI) ha una maggiore sensibilità grazie a modifiche nell'architettura dei pixel. Questi sensori sono attualmente utilizzati nelle nuove generazioni di smartphone e nei sistemi di fotocamere che devono operare in condizioni di scarsa illuminazione.
• Montaggio sul tuo PCB. Un sensore di immagine CMOS viene tipicamente montato su un PCB come componente SMD o attraverso fori. Alcuni sensori CMOS vengono forniti come un die che si monta su un BGA.
• Integrazione. Alcuni sensori di immagine CMOS sono forniti confezionati come un system-on-chip (SoC) e sono integrati con il loro blocco di elaborazione del segnale.
• Stabilità della temperatura. Rispetto ai sensori CCD, i sensori CMOS hanno una figura di rumore più elevata. Nota che il livello di rumore aumenta con la temperatura.
• Filtraggio infrarosso. Alcuni sensori di immagine CMOS includono un sottile strato di materiale che assorbe o riflette la luce infrarossa. Dovresti verificare la presenza di un filtro infrarosso sul tuo sensore di immagine CMOS.
• Gamma dinamica. Come altri sensori, definisce l'intervallo di intensità luminosa in ingresso su cui un modulo può fornire immagini senza raggiungere la saturazione.

Unità di sensori di immagine CMOS per diverse applicazioni

Se esamini il mercato, vedrai che diverse unità di sensori di immagine CMOS offrono un'ampia gamma di risoluzioni. Alcune applicazioni non richiedono una fotocamera da 10 MP, come vedremo di seguito.

Omnivision Technologies OV02686-H38A

Il sensore di immagine CMOS OV02686-H38A di Omnivision è ideale per smartphone economici, tablet, webcam per laptop o altri dispositivi che non sono necessariamente destinati alla cattura di immagini estremamente dettagliate. Questo modulo da 1600 x 1200 pixel fornisce immagini a colori RGB a 10 bit (1 miliardo di colori unici) a 15 fotogrammi al secondo. La dimensione del pixel è di 1,75 micron, fornendo immagini ad alta risoluzione con un ampio campo visivo. Il nucleo del sensore di immagine include un ADC integrato, conferendo al modulo un'ingombro ridotto.

Diagramma a blocchi del modulo sensore di immagine CMOS integrato Omnivision OV02686-H38A. Dal breve prodotto OV02686-H38A.

Micron MT9V022IA7ATC

Il sensore di immagine CMOS a colori MT9V022IA7ATC ha 752 x 480 pixel in un pacchetto IBGA a 52 pin. Questo prodotto è commercializzato per applicazioni automobilistiche. Sebbene non abbia la stessa risoluzione dei sensori di immagine tipicamente usati negli smartphone, offre un'impressionante gamma dinamica di 100 dB. Questo modulo fornisce anche un numero di funzioni standard di elaborazione del segnale con un controller integrato. Alcune applicazioni nel settore automobilistico includono il rilevamento della sonnolenza del conducente, la biometria e l'evitamento delle collisioni.

Qualità dell'immagine dal sensore di immagine CMOS MT9V022IA7ATC a diverse temperature. Dal breve prodotto MT9V022IA7ATC.

ON Semiconductor MT9F002I12STCV-DP

Se stai cercando una qualità d'immagine seria per una fotocamera professionale, il MT9F002I12STCV-DP è ideale per catturare immagini e video con una risoluzione di 4608 x 3288 pixel (sono 15 MP!). Questo sensore di immagine CMOS a colori può anche raccogliere immagini in rapporti di aspetto 4:3 o 16:9. Questo particolare sensore di immagine CMOS fornisce sensibilità e SNR competitivi con i CCD a 13 fotogrammi al secondo. Un ADC integrato fornisce una profondità di colore di 12 bit con dati forniti in seriale o parallelo:

Il MT9F002 è un sensore a scansione progressiva che genera un flusso di dati pixel a una velocità di fotogrammi costante. Utilizza un loop a fase bloccata (PLL) on-chip per generare tutti gli orologi interni da un unico orologio di ingresso principale che funziona tra 2 e 64 MHz. La velocità massima di uscita dei pixel è di 220 Mp/s per l'interfaccia seriale HiSPi I/F e di 96 Mp/s per l'interfaccia parallela I/F, corrispondente a una velocità dell'orologio dei pixel di 220 MHz e 96 MHz, rispettivamente. [Fonte: datasheet MT9F002I12STCV-DP]

Modalità di cattura di immagini fisse e video HD. Dal datasheet MT9F002I12STCV-DP.

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