Porównanie sensorów CCD i CMOS: Który jest najlepszy do obrazowania?

Czy powinieneś użyć sensora CCD czy CMOS w tym aparacie? Oto jak możesz porównać te sensory.

Każdy projekt związany z obrazowaniem, wizją komputerową i fotoniką będzie wymagał pewnego rodzaju układu optycznego i sensora, aby działać poprawnie. Twój kolejny system optyczny będzie zawierał szeroki zakres komponentów optycznych, a sensory obrazowania są mostem między światem optycznym a elektronicznym.

Rozsądny wybór sensora wymaga rozważenia wielu czynników. Niektóre z tych czynników dotyczą czasu reakcji, formatu, rozdzielczości i zastosowania. Wybór między sensorem CCD a CMOS może być trudny, ale zadecyduje o tym, jak szybko Twój system będzie w stanie rozwiązywać obrazy, unikając nasycenia. Jeśli musisz pracować poza zakresem widzialnym, będziesz musiał rozważyć alternatywne materiały do Si dla skutecznego obrazowania. W niektórych aplikacjach bardziej sensowne może być użycie tablicy fotodiod. Oto co musisz wiedzieć o tych różnych typach sensorów i jak wybrać odpowiedni komponent dla swojej aplikacji.

Wymagania systemu i sensora obrazowania

Każdy system obrazowania powinien być zaprojektowany tak, aby spełniać określone wymagania, a wiele z nich koncentruje się wokół wyboru sensora optycznego. Na początek rozważ materiał, którego potrzebujesz dla swojego zakresu długości fal, a następnie porównaj aspekty takie jak rozdzielczość, czas reakcji i liniowość.

Aktywny materiał i zakres detekcji

Aktywny materiał użyty w Twoim sensorze określi zakres czułych długości fal, straty na ogonach pasma i czułość temperaturową. Możesz pracować w zakresie podczerwieni, widzialnym lub UV, w zależności od Twojej aplikacji. W systemach kamerowych będziesz chciał czułości na całym zakresie widzialnym, chyba że pracujesz nad systemem termowizyjnym. W specjalistycznych aplikacjach obrazowania, takich jak obrazowanie fluorescencyjne, możesz pracować w zakresie od IR do UV.

Niektóre aktywne materiały są nadal na etapie badań, podczas gdy niektóre są już dostępne jako skomercjalizowane komponenty. Jeśli porównujesz komponenty sensorów CCD vs. CMOS, aktywny materiał jest dobrym punktem wyjścia przy wyborze kandydatów na sensory.

• Si: To jest najczęściej używany materiał w sensorach obrazowania. Jego pośrednia przerwa energetyczna wynosząca 1,1 eV (~1100 nm krawędź absorpcji) sprawia, że jest najlepiej przystosowany do długości fal widzialnych i NIR.
• InGaAs: Ten materiał III-V zapewnia detekcję IR do ~2600 nm. Jego niska pojemność złącza <1 nF czyni sensory InGaAs idealnymi do aplikacji na długościach fal SMF (1310 i 1550 nm). Dostrojenie jest osiągane przez zmianę stechiometrii In(1-x)GaxAs. Sensory CCD InGaAs są dostępne na rynku od dostawców fotoniki, a firmy takie jak IBM zademonstrowały kompatybilność InGaAs z procesami CMOS.
• Ge: Ten materiał jest mniej powszechny w kamerach CCD i sensorach ze względu na wyższy koszt niż Si, a sensory CMOS z całkowitym Ge i SiGe są nadal gorącym tematem badań.

Istnieją inne materiały dostępne do wykorzystania jako czujniki obrazu, chociaż zazwyczaj są one używane w fotodiodach i nie są szeroko komercjalizowane. Jeśli pracujesz w zakresie widzialnym, Si jest drogą, którą warto obrać, ponieważ będziesz miał wrażliwość na długości fali od ~400 nm do ~1050 nm. Jeśli pracujesz głęboko w zakresie podczerwieni, będziesz chciał użyć InGaAs. Czujniki Si CCD i CMOS mogą być używane dla długości fal UV, ale tylko gdy czujnik ma specjalne obróbki powierzchni, aby zapobiec ablacji.

Filtry kolorów są często używane na czujnikach CCD i CMOS do tworzenia obrazów monochromatycznych lub filtrowania określonych długości fal. Często można zobaczyć CCD i czujniki CMOS z filtrem szklanym ostrych cięć lub cienką warstwą, aby usunąć długości fal podczerwieni.

Częstotliwość klatek, rozdzielczość i szum

Częstotliwość klatek jest określana przez sposób, w jaki dane są odczytywane z detektora. Detektor składa się z dyskretnych pikseli, a dane muszą być odczytywane z pikseli sekwencyjnie. Metoda odczytu pikseli określa prędkość, z jaką można uzyskać obrazy lub pomiary. Czujniki CMOS używają schematu adresowania, gdzie czujnik i każdy piksel są odczytywane indywidualnie. W przeciwieństwie, CCD używają globalnej ekspozycji i odczytują każdą kolumnę pikseli za pomocą pary rejestrów przesuwnych i ADC.

Ponieważ te czujniki używają różnych metod odczytu, różne moduły czujników wymagają różnych zintegrowanych komponentów. Tutaj zaczyna się prawdziwe porównanie, ponieważ zintegrowane elektroniki będą określać wartości szumów, liniowość, czułość, głębię kolorów (liczbę kolorów, które mogą być odtworzone) i limit wykrywania. Poniższa tabela pokazuje krótkie porównanie ważnych metryk obrazowania dla czujników CCD i CMOS.

| | CCD | CMOS | | ---------- | ---------- | ---------- | | Rozdzielczość | Do 100+ Megapikseli | Do 100+ Megapikseli | | Częstotliwość klatek | Najlepsza dla niższych częstotliwości klatek | Najlepsza dla wyższych częstotliwości klatek | | Wartość szumu | Niższy poziom szumów → Wyższa jakość obrazu | Wyższy poziom szumów → Niższa jakość obrazu | | Czułość i liniowość | Niższa czułość, szerszy zakres liniowy | Wyższa czułość, niższy zakres liniowy (saturuje wcześniej) | | Limit wykrywania | Niski (większa wrażliwość przy niskiej intensywności) | Wysoki (mniejsza wrażliwość przy niskiej intensywności) | | Głębia kolorów | Wyższa (16+ bitów jest typowe dla drogich CCD) | Niższa, chociaż staje się porównywalna do CCD (12-16 bitów jest typowe) |

A co z fotodiodami?

To jest słuszne pytanie, ponieważ tablice fotodiod mogą być również używane do zbierania pomiarów intensywności 1D lub 2D. Ważne jest, aby zauważyć, że fotodioda jest aktywnym elementem w czujniku CCD lub CMOS; trzy typy czujników różnią się sposobem odczytu danych z urządzenia. Tablica fotodiod jest konstruowana z konfiguracją wspólnej katody, więc dane są odczytywane z urządzenia równolegle. To sprawia, że fotodiody są szybsze niż czujniki CCD i CMOS. Jednakże, użycie dwóch przewodów na fotodiodę oznacza, że będziesz miał małą liczbę fotodiod w tablicy; fotodioda 100x100 pikseli miałaby 20 000 przewodów elektrycznych. Można zobaczyć, jak to szybko staje się niepraktyczne.

Inną opcją użycia fotodiod jest mechaniczne skanowanie pola widzenia za pomocą diody laserowej i zbieranie odbitego/rozproszonego światła. To podejście pomiaru punktowego jest używane w UAV i systemach lidarowych dla pojazdów samochodowych. W ten sposób można utworzyć obraz o niskiej rozdzielczości, gdzie szybkość klatek jest ograniczona przez szybkość skanowania i czas uśredniania. W tej aplikacji, czujniki CCD i CMOS nadal wygrywają dzięki ich wyższej rozdzielczości i podobnej szybkości klatek.

Przykład obrazu lidar skanowanego rastrowo dla pojazdu autonomicznego. Zwróć uwagę na autobus po prawej stronie obrazu. Zdjęcie dzięki uprzejmości Baraja.

Znalezienie i weryfikacja tablic czujników CCD vs. CMOS są kluczowymi krokami w projektowaniu systemów obrazowania. Możesz znaleźć te komponenty i wiele więcej na Octopart.

Bądź na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.