CCD 대 CMOS 센서 비교: 이미징에 가장 적합한 것은 무엇인가?

이 카메라에 CCD 센서를 사용해야 할까요, 아니면 CMOS 센서를 사용해야 할까요? 이 센서들을 비교하는 방법은 다음과 같습니다.

영상, 컴퓨터 비전, 광자 기술 응용 프로그램을 위한 모든 설계는 제대로 작동하기 위해 어떤 유형의 광학 조립체와 센서가 필요합니다. 다음 광학 시스템은 다양한 광학 구성 요소를 통합할 것이며, 이미징 센서는 광학과 전자 세계 사이의 다리 역할을 합니다.

신중한 센서 선택은 반응 시간, 형태 요소, 해상도, 그리고 응용 프로그램과 관련된 여러 요소를 고려하는 것을 요구합니다. CCD 대 CMOS 센서 사이의 선택은 어려울 수 있지만, 시스템이 이미지를 얼마나 빨리 해결할 수 있는지와 포화를 피하는 방법을 결정할 것입니다. 가시 범위를 벗어난 작업이 필요한 경우, 효과적인 이미징을 위해 Si 이외의 대체 재료를 고려해야 합니다. 일부 응용 프로그램에서는 포토다이오드 배열을 사용하는 것이 더 합리적일 수 있습니다. 다음은 이러한 다양한 유형의 센서에 대해 알아야 할 사항과 귀하의 응용 프로그램에 적합한 구성 요소를 선택하는 방법입니다.

이미징 센서 및 시스템 요구 사항

어떤 이미징 시스템이든 특정 요구 사항을 충족하도록 설계되어야 하며, 그 중 많은 부분이 광학 센서 선택을 중심으로 합니다. 시작하기 위해, 파장 범위에 필요한 재료를 고려한 다음, 해상도, 응답 시간, 선형성과 같은 측면을 비교하세요.

활성 재료 및 검출 범위

센서에서 사용되는 활성 재료는 민감한 파장 범위, 밴드-테일 손실, 온도 민감도를 결정합니다. 응용 프로그램에 따라 적외선, 가시광선 또는 자외선 범위에서 작업할 수 있습니다. 카메라 시스템의 경우, 열화상 시스템을 작업하지 않는 한 가시 범위 전체에서 민감도가 필요합니다. 형광 이미징과 같은 특수 이미징 응용 프로그램의 경우, IR에서 UV 범위까지 어디에서나 작업할 수 있습니다.

일부 활성 재료는 아직 연구 단계에 있으며, 일부는 상용화된 구성 요소로 쉽게 구할 수 있습니다. CCD 대 CMOS 센서 구성 요소를 비교할 때, 활성 재료는 후보 센서를 선택할 때 시작하기 좋은 곳입니다.

• Si: 이는 이미징 센서에서 가장 일반적으로 사용되는 재료입니다. 간접 밴드갭 1.1 eV(~1100 nm 흡수 가장자리)는 가시광선 및 NIR 파장에 가장 적합합니다.
• InGaAs: 이 III-V 물질은 약 2600 nm까지의 IR 검출을 제공합니다. 1 nF 미만의 낮은 접합 용량으로 InGaAs 센서는 SMF 파장(1310 및 1550 nm)에서의 응용에 이상적입니다. In(1-x)GaxAs의 화학양론을 변경하여 조정이 이루어집니다. InGaAs CCD 센서는 광학 공급업체로부터 시장에서 구할 수 있으며, IBM과 같은 회사들은 CMOS 공정과의 InGaAs 호환성을 입증했습니다.
• Ge: 이 물질은 Si보다 높은 비용 때문에 CCD 카메라와 센서에서 덜 흔하게 사용됩니다. 그리고 전체 Ge 및 SiGe CMOS 센서는 여전히 활발한 연구 주제입니다.

이미지 센서로 사용할 수 있는 다른 물질들이 있지만, 이들은 보통 광다이오드에서 사용되며 크게 상업화되지는 않았습니다. 가시광선 범위에서 작업하는 경우, 약 400 nm에서 ~1050 nm까지의 파장에서 민감도를 가지므로 Si를 사용하는 것이 좋습니다. IR 범위 깊숙이 작업하는 경우, InGaAs를 사용하고 싶을 것입니다. Si CCD 및 CMOS 센서는 UV 파장에 사용될 수 있지만, 센서가 표면 처리를 통해 소모를 방지할 때만 가능합니다.

색상 필터는 종종 CCD 및 CMOS 센서에 사용되어 흑백 이미지를 형성하거나 특정 파장을 필터링합니다. CCD와 CMOS 센서에 IR 파장을 제거하기 위한 샤프 컷 유리 필터나 얇은 필름이 사용되는 것을 흔히 볼 수 있습니다.

프레임 속도, 해상도 및 노이즈

프레임 속도는 검출기에서 데이터가 어떻게 읽혀지는지에 따라 결정됩니다. 검출기는 이산 픽셀로 구성되며, 픽셀에서 데이터를 순차적으로 읽어야 합니다. 픽셀을 읽는 방법은 이미지나 측정치를 얻을 수 있는 속도를 결정합니다. CMOS 센서는 주소 지정 방식을 사용하여 센서와 각 픽셀을 개별적으로 읽습니다. 반면, CCD는 전역 노출을 사용하고 한 쌍의 시프트 레지스터와 ADC를 사용하여 픽셀의 각 열을 읽습니다.

이러한 센서가 읽기 방식이 다르기 때문에, 다양한 센서 모듈은 다른 통합 구성 요소를 요구합니다. 여기서 실제 비교가 시작되는데, 통합 전자 장치가 노이즈 수치, 선형성, 반응성, 색상 깊이(재현할 수 있는 색상의 수) 및 검출 한계를 결정하게 됩니다. 아래 표는 CCD 및 CMOS 센서에 대한 중요한 이미징 지표의 간략한 비교를 보여줍니다.

| | CCD | CMOS | | ---------- | ---------- | ---------- | | 해상도 | 최대 100+ 메가픽셀 | 최대 100+ 메가픽셀 | | 프레임 속도 | 낮은 프레임 속도에 더 적합 | 높은 프레임 속도에 더 적합 | | 노이즈 지수 | 낮은 노이즈 바닥 → 더 높은 이미지 품질 | 높은 노이즈 바닥 → 더 낮은 이미지 품질 | | 감도 및 선형성 | 낮은 감도, 넓은 선형 범위 | 높은 감도, 낮은 선형 범위 (조기 포화) | | 검출 한계 | 낮음 (낮은 강도에서 더 민감함) | 높음 (낮은 강도에서 덜 민감함) | | 색상 깊이 | 더 높음 (비싼 CCD의 경우 16+ 비트가 일반적) | 낮음, 그러나 CCD와 비교해 점점 비슷해짐 (12-16 비트가 일반적) |

광다이오드는 어떨까요?

이것은 포토다이오드 어레이가 1D 또는 2D 강도 측정을 수집하는 데에도 사용될 수 있기 때문에 합당한 질문입니다. 포토다이오드가 CCD 또는 CMOS 센서에서 활성 요소라는 점을 주목하는 것이 중요합니다; 세 가지 유형의 센서는 장치에서 데이터를 읽어내는 방식에서 차이가 있습니다. 포토다이오드 어레이는 공통 음극 구성으로 구성되므로, 데이터는 장치에서 병렬로 읽혀집니다. 이것은 포토다이오드를 CCD와 CMOS 센서보다 빠르게 만듭니다. 그러나, 포토다이오드 당 두 개의 전선을 사용한다는 것은 어레이에서 포토다이오드의 수가 적다는 것을 의미합니다; 100x100 픽셀 포토다이오드는 20,000개의 전기 리드를 가지게 됩니다. 이것이 실용적이지 않게 빠르게 변하는 이유를 알 수 있습니다.

포토다이오드를 사용하는 다른 옵션은 레이저 다이오드로 시야를 기계적으로 래스터 스캔하고 반사된/산란된 빛을 수집하는 것입니다. 이 점 측정 접근 방식은 UAV 및 자동차 라이다 시스템에서 사용됩니다. 이 방식으로, 스캔 속도와 평균화 시간에 의해 프레임 속도가 제한되는 저해상도 이미지를 형성할 수 있습니다. 이 응용에서는 CCD 및 CMOS 센서가 여전히 더 높은 해상도와 유사한 프레임 속도 덕분에 승리합니다.

자율 주행 차량을 위한 래스터 스캔된 라이다 이미지 예시입니다. 이미지 오른쪽에 있는 버스에 주목하세요. 이미지 제공: Baraja.

CCD 대 CMOS 센서 어레이를 찾고 검증하는 것은 이미징 시스템 설계에서 중요한 단계입니다. 이러한 구성 요소들과 그 외 많은 것들을 Octopart에서 찾을 수 있습니다.

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