So sánh cảm biến CCD và CMOS: Loại nào tốt nhất cho hình ảnh?

Bạn nên sử dụng cảm biến CCD hay CMOS trong chiếc máy ảnh này? Dưới đây là cách bạn có thể so sánh những cảm biến này.

Bất kỳ thiết kế nào cho ứng dụng hình ảnh, thị giác máy tính và photonics đều cần một loại hợp phần quang học và cảm biến để hoạt động đúng cách. Hệ thống quang học tiếp theo của bạn sẽ kết hợp một loạt các thành phần quang học, và cảm biến hình ảnh là cầu nối giữa thế giới quang học và điện tử.

Việc lựa chọn cảm biến một cách khôn ngoan đòi hỏi phải xem xét một số yếu tố. Một số yếu tố này liên quan đến thời gian phản hồi, kích thước hình thức, độ phân giải và ứng dụng. Lựa chọn giữa cảm biến CCD và CMOS có thể khó khăn, nhưng nó sẽ quyết định tốc độ hệ thống của bạn có thể giải quyết hình ảnh mà tránh bão hòa. Nếu bạn cần làm việc ngoài phạm vi nhìn thấy, bạn sẽ cần xem xét các vật liệu thay thế cho Si để hình ảnh hiệu quả. Trong một số ứng dụng, có thể hợp lý hơn khi làm việc với một mảng photodiode. Dưới đây là những gì bạn cần biết về các loại cảm biến khác nhau và cách chọn thành phần phù hợp cho ứng dụng của bạn.

Yêu cầu về Cảm biến và Hệ thống Hình ảnh

Bất kỳ hệ thống hình ảnh nào cũng nên được thiết kế để đáp ứng một số yêu cầu cụ thể, và nhiều trong số đó tập trung vào lựa chọn cảm biến quang học. Để bắt đầu, hãy xem xét vật liệu bạn cần cho phạm vi bước sóng của mình, sau đó so sánh các khía cạnh như độ phân giải, thời gian phản hồi và tính tuyến tính.

Vật liệu Hoạt động và Phạm vi Phát hiện

Vật liệu hoạt động được sử dụng trong cảm biến của bạn sẽ xác định phạm vi bước sóng nhạy cảm, tổn thất đuôi băng và độ nhạy nhiệt độ. Bạn có thể đang làm việc trong phạm vi hồng ngoại, nhìn thấy, hoặc UV, tùy thuộc vào ứng dụng của bạn. Đối với hệ thống máy ảnh, bạn sẽ muốn độ nhạy xuyên suốt phạm vi nhìn thấy, trừ khi bạn đang làm việc trên một hệ thống hình ảnh nhiệt. Đối với các ứng dụng hình ảnh chuyên biệt, như hình ảnh phát quang, bạn có thể đang làm việc ở bất cứ đâu từ phạm vi IR đến UV.

Một số vật liệu hoạt động vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu, trong khi một số đã sẵn sàng như các thành phần thương mại. Nếu bạn đang so sánh các thành phần cảm biến CCD và CMOS, vật liệu hoạt động là một điểm tốt để bắt đầu khi lựa chọn cảm biến ứng viên.

• Si: Đây là vật liệu phổ biến nhất được sử dụng trong cảm biến hình ảnh. Khoảng cách băng gián tiếp của nó là 1.1 eV (~1100 nm cạnh hấp thụ) làm cho nó phù hợp nhất cho các bước sóng nhìn thấy và NIR.
• InGaAs: Vật liệu III-V này cung cấp khả năng phát hiện IR đến ~2600 nm. Điện dung nối thấp của nó dưới <1 nF làm cho cảm biến InGaAs lý tưởng cho các ứng dụng ở bước sóng SMF (1310 và 1550 nm). Việc điều chỉnh được thực hiện bằng cách thay đổi tỷ lệ hóa học của In(1-x)GaxAs. Cảm biến CCD InGaAs có sẵn trên thị trường từ các nhà cung cấp photonics, và các công ty như IBM đã chứng minh sự tương thích của InGaAs với quy trình CMOS.
• Ge: Vật liệu này ít phổ biến hơn trong máy ảnh CCD và cảm biến do chi phí cao hơn Si, và tất cả cảm biến CMOS Ge và SiGe vẫn là một chủ đề nghiên cứu nóng.

Có các vật liệu khác có sẵn để sử dụng làm cảm biến hình ảnh, mặc dù những vật liệu này thường được sử dụng trong photodiode và không được thương mại hóa rộng rãi. Nếu bạn làm việc trong phạm vi ánh sáng nhìn thấy được, Si là lựa chọn bạn nên theo đuổi vì bạn sẽ có độ nhạy với bước sóng từ ~400 nm đến ~1050 nm. Nếu bạn làm việc sâu trong phạm vi hồng ngoại, bạn sẽ muốn sử dụng InGaAs. Cảm biến Si CCD và CMOS có thể được sử dụng cho bước sóng UV, nhưng chỉ khi cảm biến có một xử lý bề mặt đặc biệt để ngăn chặn sự ablation.

Bộ lọc màu thường được sử dụng trên cảm biến CCD và CMOS để tạo ra hình ảnh đơn sắc hoặc lọc các bước sóng cụ thể. Thông thường thấy CCD và cảm biến CMOS với bộ lọc kính cắt sắc nét hoặc màng mỏng để loại bỏ bước sóng hồng ngoại.

Tốc độ khung hình, Độ phân giải, và Nhiễu

Tốc độ khung hình được xác định bởi cách dữ liệu được đọc ra từ bộ phát hiện. Bộ phát hiện được cấu thành từ các điểm ảnh rời rạc, và dữ liệu phải được đọc từ các điểm ảnh theo thứ tự. Phương pháp đọc điểm ảnh xác định tốc độ mà hình ảnh hoặc phép đo có thể được thu thập. Cảm biến CMOS sử dụng một kế hoạch địa chỉ, nơi cảm biến và mỗi điểm ảnh được đọc một cách riêng lẻ. Ngược lại, CCD sử dụng phơi sáng toàn cầu và đọc ra mỗi cột điểm ảnh với một cặp thanh ghi dịch và một ADC.

Vì những cảm biến này sử dụng các phương pháp đọc ra khác nhau, các mô-đun cảm biến khác nhau yêu cầu các thành phần tích hợp khác nhau. Đây là nơi bắt đầu so sánh thực sự khi điện tử tích hợp sẽ xác định các số liệu nhiễu, tuyến tính, độ nhạy, độ sâu màu (số màu có thể tái tạo) và giới hạn phát hiện. Bảng dưới đây cho thấy một so sánh ngắn gọn về các chỉ số hình ảnh quan trọng cho cảm biến CCD và CMOS.

| | CCD | CMOS | | ---------- | ---------- | ---------- | | Độ phân giải | Lên đến 100+ Megapixel | Lên đến 100+ Megapixel | | Tốc độ khung hình | Tốt nhất cho tốc độ khung hình thấp | Tốt nhất cho tốc độ khung hình cao | | Số liệu nhiễu | Mức nhiễu thấp → Chất lượng hình ảnh cao | Mức nhiễu cao → Chất lượng hình ảnh thấp | | Độ nhạy và tuyến tính | Độ nhạy thấp, phạm vi tuyến tính rộng | Độ nhạy cao, phạm vi tuyến tính thấp (bão hòa sớm) | | Giới hạn phát hiện | Thấp (nhạy hơn ở cường độ thấp) | Cao (ít nhạy ở cường độ thấp) | | Độ sâu màu | Cao hơn (16+ bit là điển hình cho CCD đắt tiền) | Thấp hơn, mặc dù đang trở nên tương đương với CCD (12-16 bit là điển hình) |

Photodiode thì sao?

Đây là một câu hỏi hợp lý vì mảng photodiode cũng có thể được sử dụng để thu thập các phép đo cường độ 1D hoặc 2D. Điều quan trọng cần lưu ý là photodiode là thành phần hoạt động trong cảm biến CCD hoặc CMOS; ba loại cảm biến này khác nhau ở cách dữ liệu được đọc ra từ thiết bị. Một mảng photodiode được xây dựng với cấu hình cathode chung, vì vậy dữ liệu được đọc ra từ thiết bị một cách song song. Điều này làm cho photodiodes nhanh hơn so với cảm biến CCD và CMOS. Tuy nhiên, việc sử dụng hai dây cho mỗi photodiode có nghĩa là bạn sẽ có một số lượng nhỏ photodiodes trong một mảng; một photodiode 100x100 pixel sẽ có 20,000 dẫn điện. Người ta có thể thấy điều này nhanh chóng trở nên không thực tế.

Lựa chọn khác cho việc sử dụng photodiodes là quét cơ học trường nhìn bằng một diode laser và thu thập ánh sáng phản xạ/tán xạ. Phương pháp đo điểm này được sử dụng trong UAV và hệ thống lidar ô tô. Bạn có thể tạo ra một hình ảnh độ phân giải thấp theo cách này, nơi tốc độ khung hình bị giới hạn bởi tốc độ quét và thời gian trung bình. Trong ứng dụng này, cảm biến CCD và CMOS vẫn chiến thắng nhờ độ phân giải cao hơn và tốc độ khung hình tương tự.

Ví dụ về hình ảnh lidar quét raster cho một phương tiện tự hành. Lưu ý chiếc xe buýt ở phía bên phải của hình ảnh. Ảnh: Baraja.

Việc tìm kiếm và đánh giá cảm biến CCD so với mảng cảm biến CMOS là các bước quan trọng trong thiết kế hệ thống hình ảnh. Bạn có thể tìm thấy những linh kiện này và nhiều hơn nữa trên Octopart.

Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.