Comparação entre Sensores CCD e CMOS: Qual é o Melhor para Imagem?

Deve usar um sensor CCD ou CMOS nesta câmera? Aqui está como você pode comparar esses sensores.

Qualquer design para aplicações de imagem, visão computacional e fótons precisará de algum tipo de montagem óptica e sensor para funcionar corretamente. Seu próximo sistema óptico incorporará uma ampla gama de componentes ópticos, e os sensores de imagem são a ponte entre os mundos óptico e eletrônico.

A seleção cuidadosa do sensor requer considerar uma série de fatores. Alguns desses fatores estão relacionados ao tempo de resposta, formato, resolução e aplicação. A escolha entre um sensor CCD vs. CMOS pode ser difícil, mas determinará quão rápido seu sistema pode resolver imagens enquanto evita saturação. Se você precisa trabalhar fora do alcance visível, precisará considerar materiais alternativos ao Si para imagens eficazes. Em algumas aplicações, pode fazer mais sentido trabalhar com uma matriz de fotodiodos. Aqui está o que você precisa saber sobre esses diferentes tipos de sensores e como escolher o componente certo para sua aplicação.

Requisitos do Sensor e Sistema de Imagem

Qualquer sistema de imagem deve ser projetado para atender a alguns requisitos particulares, e muitos deles giram em torno da escolha do sensor óptico. Para começar, considere o material que você precisa para sua faixa de comprimento de onda, depois compare aspectos como resolução, tempo de resposta e linearidade.

Material Ativo e Faixa de Detecção

O material ativo usado em seu sensor determinará a faixa de comprimento de onda sensível, perdas de cauda de banda e sensibilidade à temperatura. Você pode estar trabalhando no infravermelho, visível ou faixas UV, dependendo da sua aplicação. Para sistemas de câmeras, você desejará sensibilidade em toda a faixa visível, a menos que esteja trabalhando em um sistema de imagem térmica. Para aplicações de imagem especializadas, como imagem por fluorescência, você pode estar trabalhando em qualquer lugar do IR ao UV.

Alguns materiais ativos ainda estão em fase de pesquisa, enquanto alguns já estão disponíveis como componentes comercializados. Se você está comparando componentes de sensor CCD vs. CMOS, o material ativo é um bom ponto de partida ao selecionar sensores candidatos.

• Si: Este é o material mais comum usado em sensores de imagem. Sua banda proibida indireta de 1.1 eV (~1100 nm de borda de absorção) o torna mais adequado para comprimentos de onda visíveis e NIR.
• InGaAs: Este material III-V fornece detecção IR até ~2600 nm. Sua baixa capacitância de junção de <1 nF torna os sensores InGaAs ideais para aplicações em comprimentos de onda SMF (1310 e 1550 nm). A sintonia é alcançada alterando a estequiometria de In(1-x)GaxAs. Sensores CCD InGaAs estão disponíveis no mercado de fornecedores de fotônicos, e empresas como a IBM demonstraram compatibilidade InGaAs com processos CMOS.
• Ge: Este material é menos comum em câmeras CCD e sensores devido ao seu custo mais alto que o Si, e todos os sensores CMOS de Ge e SiGe ainda são um tópico quente de pesquisa.

Existem outros materiais disponíveis para uso como sensores de imagem, embora normalmente sejam utilizados em fotodiodos e não sejam amplamente comercializados. Se você está trabalhando na faixa visível, Si é o caminho a seguir, pois você terá sensibilidade em comprimentos de onda de ~400 nm a ~1050 nm. Se você está trabalhando profundamente na faixa do IR, você vai querer usar InGaAs. Sensores CCD e CMOS de Si podem ser usados para comprimentos de onda UV, mas apenas quando o sensor tem um tratamento superficial especial para prevenir a ablação.

Filtros de cor são frequentemente usados em sensores CCD e CMOS para formar imagens monocromáticas ou filtrar comprimentos de onda específicos. É comum ver CCDs e sensores CMOS com um filtro de vidro de corte abrupto ou filme fino para remover comprimentos de onda IR.

Taxa de Quadros, Resolução e Ruído

A taxa de quadros é determinada pela maneira como os dados são lidos do detector. O detector é composto por pixels discretos, e os dados devem ser lidos sequencialmente dos pixels. O método para ler os pixels determina a velocidade com que imagens ou medições podem ser adquiridas. Sensores CMOS usam um esquema de endereçamento, onde o sensor e cada pixel são lidos individualmente. Em contraste, CCDs usam exposição global e leem cada coluna de pixels com um par de registros de deslocamento e um ADC.

Porque esses sensores usam métodos diferentes para leitura, vários módulos de sensores requerem componentes integrados diferentes. É aqui que começa a verdadeira comparação, pois a eletrônica integrada determinará as figuras de ruído, linearidade, responsividade, profundidade de cor (número de cores que podem ser reproduzidas) e limite de detecção. A tabela abaixo mostra uma breve comparação das métricas de imagem importantes para sensores CCD e CMOS.

| | CCD | CMOS | | ---------- | ---------- | ---------- | | Resolução | Até 100+ Megapixels | Até 100+ Megapixels | | Taxa de quadros | Melhor para taxas de quadros mais baixas | Melhor para taxas de quadros mais altas | | Figura de ruído | Piso de ruído mais baixo → Maior qualidade de imagem | Piso de ruído mais alto → Menor qualidade de imagem | | Responsividade e linearidade | Menor responsividade, faixa linear mais ampla | Maior responsividade, faixa linear mais baixa (satura mais cedo) | | Limite de detecção | Baixo (mais sensível a baixa intensidade) | Alto (menos sensível a baixa intensidade) | | Profundidade de cor | Maior (16+ bits é típico para CCDs caros) | Menor, embora se tornando comparável a CCDs (12-16 bits é típico) |

E Quanto aos Fotodiodos?

Esta é uma pergunta justa, pois arranjos de fotodiodos também podem ser usados para coletar medições de intensidade 1D ou 2D. É importante notar que um fotodiodo é o elemento ativo em um sensor CCD ou CMOS; os três tipos de sensores diferem na maneira como os dados são lidos do dispositivo. Um arranjo de fotodiodos é construído com uma configuração de cátodo comum, então os dados são lidos do dispositivo em paralelo. Isso torna os fotodiodos mais rápidos que os sensores CCD e CMOS. No entanto, o uso de dois fios por fotodiodo significa que você terá um pequeno número de fotodiodos em um arranjo; um fotodiodo de 100x100 pixels teria 20.000 condutores elétricos. Pode-se ver como isso rapidamente se torna impraticável.

A outra opção para usar fotodiodos é fazer uma varredura raster mecânica do campo de visão com um diodo laser e coletar luz refletida/dispersa. Esta abordagem de medição pontual é usada em UAV e sistemas lidar automotivos. Você pode formar uma imagem de baixa resolução dessa maneira, onde a taxa de quadros é limitada pela taxa de varredura e tempo de média. Nesta aplicação, os sensores CCD e CMOS ainda ganham graças à sua maior resolução e taxas de quadros semelhantes.

Exemplo de uma imagem lidar varrida em raster para um veículo autônomo. Note o ônibus no lado direito da imagem. Crédito da imagem: Baraja.

Encontrar e avaliar arranjos de sensores CCD vs. CMOS são etapas críticas no design de sistemas de imagem. Você pode encontrar esses componentes e muitos mais no Octopart.

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