Сравнение датчиков CCD и CMOS: какой лучше для создания изображений?

Следует ли использовать в этой камере датчик CCD или CMOS? Вот как вы можете сравнить эти датчики.

Любой проект, связанный с имиджингом, компьютерным зрением и фотоникой, потребует наличия некоторого типа оптической сборки и датчика для корректной работы. Ваша следующая оптическая система будет включать в себя широкий спектр оптических компонентов, а датчики изображения являются мостом между оптическим и электронным мирами.

Разумный выбор датчика требует учета ряда факторов. Некоторые из этих факторов связаны с временем отклика, форм-фактором, разрешением и областью применения. Выбор между датчиками CCD и CMOS может быть сложным, но он определит, насколько быстро ваша система сможет разрешать изображения, избегая насыщения. Если вам нужно работать вне видимого диапазона, вам придется рассмотреть альтернативные материалы Si для эффективного формирования изображений. В некоторых приложениях может быть более целесообразно работать с массивом фотодиодов. Вот что вам нужно знать о этих различных типах датчиков и как выбрать правильный компонент для вашего приложения.

Требования к датчику изображения и системе

Любая система визуализации должна быть разработана с учетом определенных требований, и многие из них связаны с выбором оптического датчика. Для начала рассмотрите материал, который вам нужен для вашего диапазона длин волн, затем сравните такие аспекты, как разрешение, время отклика и линейность.

Активный материал и диапазон обнаружения

Активный материал, используемый в вашем датчике, определит чувствительный диапазон длин волн, потери на краю зоны и температурную чувствительность. В зависимости от вашего приложения вы можете работать в инфракрасном, видимом или УФ диапазонах. Для систем камер вам будет нужна чувствительность на протяжении всего видимого диапазона, если только вы не работаете над системой тепловизионного наблюдения. Для специализированных приложений визуализации, таких как флуоресцентная визуализация, вы можете работать в диапазоне от ИК до УФ.

Некоторые активные материалы все еще находятся на стадии исследования, в то время как некоторые уже доступны в качестве коммерциализированных компонентов. Если вы сравниваете компоненты датчиков CCD и CMOS, активный материал является хорошей отправной точкой при выборе потенциальных датчиков.

• Si: Это самый распространенный материал, используемый в датчиках изображения. Его косвенная ширина запрещенной зоны в 1.1 эВ (~1100 нм край поглощения) делает его наиболее подходящим для видимых и ближних ИК длин волн.
• InGaAs: Этот материал III-V группы обеспечивает обнаружение в ИК-диапазоне до ~2600 нм. Его низкая ёмкость перехода <1 нФ делает датчики на основе InGaAs идеальными для применения на длинах волн SMF (1310 и 1550 нм). Настройка достигается путём изменения стехиометрии In(1-x)GaxAs. Датчики CCD на основе InGaAs доступны на рынке от поставщиков фотоники, и компании вроде IBM продемонстрировали совместимость InGaAs с CMOS-процессами.
• Ge: Этот материал менее распространён в камерах и датчиках CCD из-за его более высокой стоимости по сравнению с Si, и датчики CMOS на основе полностью Ge и SiGe всё ещё являются активной областью исследований.

Существуют и другие материалы, доступные для использования в качестве датчиков изображения, хотя они обычно используются в фотодиодах и не имеют широкой коммерциализации. Если вы работаете в видимом диапазоне, Si будет вашим выбором, так как он обеспечивает чувствительность на длинах волн от ~400 нм до ~1050 нм. Если вы работаете глубоко в ИК-диапазоне, вам следует использовать InGaAs. Датчики CCD и CMOS на основе Si могут использоваться для УФ-диапазона, но только если датчик имеет специальную поверхностную обработку для предотвращения абляции.

Цветные фильтры часто используются на датчиках CCD и CMOS для формирования монохромных изображений или фильтрации определенных длин волн. Распространено использование CCD и CMOS датчиков с фильтром из закаленного стекла или тонкой пленки для удаления ИК-длин волн.

Частота кадров, разрешение и шум

Ч астота кадров определяется способом считывания данных с детектора. Детектор состоит из дискретных пикселей, и данные должны считываться последовательно с каждого пикселя. Метод считывания пикселей определяет скорость, с которой можно получать изображения или измерения. Датчики CMOS используют схему адресации, при которой считывание происходит индивидуально с каждого сенсора и пикселя. В отличие от этого, CCD используют глобальную экспозицию и считывают каждый столбец пикселей с помощью пары сдвиговых регистров и АЦП.

Поскольку эти датчики используют разные методы считывания, различные модули датчиков требуют интеграции разных компонентов. Здесь начинается настоящее сравнение, поскольку интегрированная электроника будет определять показатели шума, линейности, чувствительности, глубины цвета (количество цветов, которые могут быть воспроизведены) и предел обнаружения. В таблице ниже показано краткое сравнение важных параметров изображения для датчиков CCD и CMOS.

| | CCD | CMOS | | ---------- | ---------- | ---------- | | Разрешение | До 100+ мегапикселей | До 100+ мегапикселей | | Частота кадров | Лучше для низких частот кадров | Лучше для высоких частот кадров | | Уровень шума | Ниже → Высокое качество изображения | Выше → Ниже качество изображения | | Чувствительность и линейность | Ниже чувствительность, шире линейный диапазон | Выше чувствительность, узкий линейный диапазон (быстрее насыщается) | | Предел обнаружения | Низкий (более чувствителен при низкой интенсивности) | Высокий (менее чувствителен при низкой интенсивности) | | Глубина цвета | Выше (16+ бит типично для дорогих CCD) | Ниже, хотя становится сопоставимой с CCD (12-16 бит типично) |

Что насчет фотодиодов?

Это справедливый вопрос, поскольку массивы фотодиодов также могут использоваться для сбора измерений интенсивности в 1D или 2D. Важно отметить, что фотодиод является активным элементом в датчике CCD или CMOS; три типа датчиков отличаются способом считывания данных с устройства. Массив фотодиодов создается с общей катодной конфигурацией, так что данные с устройства считываются параллельно. Это делает фотодиоды быстрее, чем датчики CCD и CMOS. Однако использование двух проводов на фотодиод означает, что в массиве будет небольшое количество фотодиодов; фотодиод 100x100 пикселей будет иметь 20 000 электрических выводов. Можно понять, как это быстро становится непрактичным.

Другой вариант использования фотодиодов - механическое растровое сканирование поля зрения с помощью лазерного диода и сбор отраженного/рассеянного света. Такой подход к измерению точек используется в БПЛА и системах автомобильного лидара. Таким образом можно формировать изображение низкого разрешения, где частота кадров ограничена скоростью сканирования и временем усреднения. В этом применении датчики CCD и CMOS по-прежнему выигрывают благодаря их более высокому разрешению и схожей частоте кадров.

Пример растрового сканированного изображения лидара для автономного транспортного средства. Обратите внимание на автобус с правой стороны изображения. Автор изображения: Baraja.

Поиск и проверка массивов датчиков CCD и CMOS являются критическими шагами в дизайне систем изображений. Эти компоненты и многие другие вы можете найти на Octopart.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.