От фотоэлектрического преобразования до генерации изображения: основные различия в принципах формирования изображений

Во многих сценариях применения промышленной автоматизации, машинного зрения и научных исследований промышленные камеры, как основное оборудование для получения информации об изображении, напрямую влияют на точность и надежность всей системы с точки зрения их производительности. Основным компонентом, определяющим производительность промышленных камер, является датчик изображения, среди которых CCD (прибор с зарядовой связью) и CMOS (комплементарный металл-оксид-полупроводник) являются двумя основными технологическими направлениями. Хотя оба основаны на одном и том же принципе фотоэлектрического преобразования, который использует фотоэлектрический эффект полупроводниковых материалов для преобразования фотонов в электроны, существуют фундаментальные различия в методах обработки и передачи сигналов.

Концепция дизайна датчиков CCD заключается в централизованной обработке фотоэлектрических сигналов: когда свет падает на массив пикселей, каждый пиксель генерирует пакет заряда, пропорциональный интенсивности света. Эти пакеты заряда требуют сложного процесса переноса - под точным управлением тактовых импульсов заряды пикселей сдвигаются построчно к одному выходному узлу (или очень небольшому количеству выходных узлов) на краю кристалла, где выполняется преобразование заряда в напряжение и усиление сигнала. Эта конструкция гарантирует, что все сигналы пикселей проходят через один и тот же сигнальный тракт, обеспечивая высокую степень согласованности выходного сигнала.

В отличие от этого, датчики CMOS используют инновационную архитектуру распределенной обработки. На кристаллах CMOS каждый пиксель содержит не только фотодиод, но и интегрированные миниатюрные усилители и схемы аналого-цифрового преобразования. Эта конструкция позволяет каждому пикселю преобразовывать заряды в сигналы напряжения на месте и напрямую считывать их через сеть пересекающихся проводников строк и столбцов. Хотя эта структура значительно улучшает скорость считывания и снижает энергопотребление, различия в производительности миллионов миниатюрных усилителей неизбежно приводят к проблемам с согласованностью сигналов.
Это фундаментальное различие в передаче сигналов привело к ряду различий в производительности двух технологий в приложениях промышленных камер. Понимание различия между «последовательным сдвигом и централизованным выводом» CCD и «параллельным преобразованием и распределенным считыванием» CMOS является основой для понимания всех последующих различий между ними.

Сравнение пяти основных факторов производительности: шум, энергопотребление, разрешение, чувствительность и стоимость2.1 Производительность по шуму и качество изображения

Датчики CCD имеют преимущество в контроле шума благодаря централизованной обработке сигналов. Поскольку все пиксели используют один и тот же (или очень мало) выходной усилитель, избегаются различия в усилении между пикселями. Эта конструкция в сочетании с зрелой технологией PN-перехода или изоляционного слоя из диоксида кремния эффективно снижает генерацию шума с фиксированной структурой, тем самым обеспечивая более чистый и согласованный вывод качества изображения. Особенно при длительной экспозиции или в условиях низкой освещенности датчики CCD могут сохранять низкий уровень шума, что делает их очень востребованными в приложениях точных измерений и съемки при слабом освещении.
В отличие от этого, каждый пиксель датчика CMOS оснащен независимым усилителем сигнала. Хотя эта конструкция улучшает скорость считывания, небольшие различия в производительности миллионов усилителей приводят к шуму с фиксированной структурой. Этот шум проявляется как помехи с фиксированной структурой на изображении, особенно в сценах с равномерным освещением. Однако с развитием технологии CMOS современные промышленные камеры CMOS значительно улучшили эту проблему за счет коррелированного двойного сэмплирования (CDS) и алгоритмов цифровой коррекции, а некоторые высокопроизводительные продукты приблизились или даже достигли уровня качества изображения CCD.

2.2 Энергоэффективность и различия в энергопотреблении

С точки зрения энергопотребления CMOS имеет значительные преимущества. CMOS использует активный метод получения изображений, при котором заряд, генерируемый фоточувствительным диодом, напрямую усиливается и выводится соседним транзистором. Весь датчик требует только одного источника питания, а типичное энергопотребление составляет всего 1/8-1/10 от аналогичных CCD. Эта особенность делает CMOS предпочтительным выбором для энергочувствительных приложений, таких как портативные устройства, встраиваемые системы и массивы из нескольких камер.
Высокое энергопотребление CCD обусловлено его пассивным механизмом переноса заряда. Он требует трех наборов источников питания с различными напряжениями (обычно 12-18 В) и сложной схемы управления тактовыми импульсами для управления сдвиговым переносом зарядов. Это не только усложняет проектирование источника питания, но и создает проблемы с рассеиванием тепла - при работе с высоким разрешением или высокой частотой кадров повышение температуры CCD будет дополнительно увеличивать тепловой шум, образуя порочный круг. Поэтому промышленные системы, использующие камеры CCD, часто требуют дополнительных устройств для рассеивания тепла.

2.3 Разрешение и дизайн пикселей

При сравнении датчиков одинакового размера CCD обычно обеспечивает более высокое разрешение. Это связано с тем, что структура пикселей CCD относительно проста, почти вся площадь пикселя может использоваться для фоточувствительности, а доля фоточувствительной области (коэффициент заполнения) может достигать более 95%. А каждый пиксель в CMOS требует интеграции дополнительных транзисторов и схемных компонентов, которые уменьшают эффективную фоточувствительную область в этих «нефоточувствительных областях». Например, для датчиков со спецификацией 1/1,8 дюйма CCD может достигать разрешения 1628 × 1236 (пиксели 4,40 мкм), в то время как CMOS обычно имеет разрешение 1280 × 1024 (пиксели 5,2 мкм).
Однако технология CMOS постепенно сокращает этот разрыв за счет обратной засветки (BSI) и многослойных конструкций. Обратно засвеченные CMOS используют перевернутый кристалл для направления света на фоточувствительную область с тыльной стороны, минуя слой схемы спереди и значительно улучшая коэффициент заполнения. Многослойные CMOS разделяют и изготавливают фоточувствительный слой от слоя схемы обработки перед склеиванием, что еще больше оптимизирует использование пространства. Эти инновации позволяют современным высокопроизводительным CMOS-камерам обеспечивать разрешение более 20 миллионов пикселей, удовлетворяя подавляющее большинство потребностей промышленного контроля.

2.4 Чувствительность к свету и работа при слабом освещении

С точки зрения чувствительности датчики CCD сохраняют свои традиционные преимущества. Благодаря большей эффективной фоточувствительной площади в пикселе, CCD может улавливать больше фотонов в условиях низкой освещенности, обеспечивая лучшую производительность соотношения сигнал/шум. Тестовые данные показывают, что человеческий глаз может распознавать объекты при освещенности 1 люкс (эквивалентно ночи полнолуния), а диапазон чувствительности CCD составляет 0,1-3 люкс, в то время как традиционному CMOS требуется освещенность 6-15 люкс для эффективной работы - это означает, что в условиях низкой освещенности ниже 10 люкс традиционный CMOS едва ли может захватить пригодные для использования изображения.
Это различие особенно критично в специальных приложениях, таких как промышленные эндоскопы, ночное видеонаблюдение и астрономические наблюдения. Однако современные CMOS значительно улучшили работу при слабом освещении за счет больших пиксельных конструкций (например, размеров пикселей более 3 мкм) и передовых технологий микролинзовых массивов. Некоторые высокопроизводительные датчики CMOS даже достигли квантовой эффективности (QE) выше, чем у CCD, благодаря технологии обратной засветки, достигая эффективности преобразования фотонов более 95% при определенных длинах волн.

2.5 Стоимость производства и экономические соображения

С точки зрения структуры затрат CMOS имеет подавляющее преимущество. Датчики CMOS используют тот же производственный процесс, что и стандартные полупроводниковые интегральные схемы, и могут массово производиться на фабриках по производству пластин, производящих компьютерные чипы и устройства хранения данных. Эта совместимость процессов значительно снижает себестоимость единицы продукции. В то же время высокая интеграция CMOS позволяет производителям камер разрабатывать «камеры на кристалле» - интегрируя датчики, процессоры и интерфейсные схемы на одном кристалле, что еще больше упрощает процесс сборки и требования к периферийным схемам.
В отличие от этого, производственный процесс CCD уникален и сложен, только Sony и DALSA, Panasonic и несколько других производителей имеют производственные мощности. Его механизм переноса заряда чрезвычайно чувствителен к производственным дефектам: сбой одного пикселя может привести к невозможности передачи данных всей строки, что значительно снижает выход годных. Кроме того, камеры CCD требуют дополнительных вспомогательных схем (включая контроллеры синхронизации, аналого-цифровые преобразователи и процессоры сигналов), которые в совокупности увеличивают цену конечного продукта, делая стоимость промышленных камер CCD обычно в 1,5-3 раза выше, чем у камер CMOS с теми же характеристиками.