От фотоэлектрического преобразования к созданию изображений: существенные различия в принципах изображения

Во многих сценариях применения промышленной автоматизации, машинного зрения и научных исследований промышленные камеры, как основное оборудование для получения информации об изображении,непосредственно влияют на точность и надежность всей системы с точки зрения их производительности.Основной компонент, определяющий производительность промышленных камер, - это датчик изображения.Среди которых CCD (Charge Coupled Device) и CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) являются двумя основными технологическими путями.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 проектирования датчиков CCD заключается в централизованной обработке фотоэлектрических сигналов: когда свет светит на массив пикселей, каждый пиксель генерирует пакет заряда, пропорциональный интенсивности света.Эти пакеты заряда требуют сложного процесса передачи - под точным контролем импульса часов, заряды пикселей перемещаются строкой за строкой к одному выходному узлу (или очень малому числу выходных узлов) на краю чипа,где выполняется конверсия заряда в напряжение и усиление сигналаЭта конструкция гарантирует, что все пиксельные сигналы проходят через один и тот же путь сигнала, обеспечивая высокую степень согласованности выхода сигнала.

В отличие от них, датчики CMOS используют инновационную архитектуру распределенной обработки.но также интегрирует независимые миниатюрные усилители и аналого-цифровые схемы преобразованияЭта конструкция позволяет каждому пикселю преобразовывать заряды в сигналы напряжения на месте, и прямо читать их через сеть пересекающихся рядовых и колонных проводов.Хотя эта структура значительно улучшает скорость чтения и уменьшает расход энергии, различия в производительности между миллионами миниатюрных усилителей неизбежно приводят к проблемам с последовательностью сигнала.
Это фундаментальное различие в передаче сигнала привело к ряду различий в производительности между двумя технологиями в промышленных приложениях камер. Understanding the difference between CCD's "sequential shift and centralized output" and CMOS's "parallel conversion and distributed reading" is the foundation for grasping all subsequent differences between the two.

Сравнение пяти основных факторов производительности: шума, энергопотребления, разрешения, чувствительности и стоимости

2.1 Уровень шума и качество изображения

Датчики CCD имеют преимущество контроля шума из-за централизованной обработки сигнала.избегаются различия усиления между пикселями;Эта конструкция, в сочетании с зрелой технологией PN-соединения или изоляционного слоя диоксида кремния, эффективно уменьшает образование фиксированного шума.тем самым обеспечивая более чистый и более последовательный выход в качестве изображенияОсобенно при длительном экспозиции или условиях низкого освещения, датчики CCD все еще могут поддерживать низкий уровень шума, что делает их очень предпочтительными в точных измерениях и приложениях визуализации при низком освещении.
Напротив, каждый пиксель датчика CMOS оснащен независимым усилителем сигнала.небольшие различия в производительности между миллионами усилителей приводят к фиксированному шуму.Этот шум проявляется как фиксированное помехи на изображении, особенно в однородно освещенных сценах.современные промышленные камеры CMOS значительно улучшили эту проблему с помощью коррелированного двойного отбора проб (CDS) и цифровых алгоритмов коррекции, а некоторые высококачественные продукты приблизились или даже достигли уровня качества изображения CCD.

2.2 Разницы в энергоэффективности и энергопотреблении

С точки зрения энергопотребления, CMOS имеет значительные преимущества.где заряд, генерируемый светочувствительным диодом, напрямую усиливается и выводится соседним транзисторомВесь датчик требует только одного источника питания, и типичное потребление энергии составляет только 1/8 до 1/10 аналогичных CCD.Эта особенность делает CMOS предпочтительным выбором для энергочувствительных приложений, таких как портативные устройства, встроенные системы и многокамерные массивы.
Высокое энергопотребление CCD обусловлено его механизмом передачи пассивного заряда.Он требует трех наборов источников питания с различными напряжениями (обычно 12-18V) и сложной схемы управления часами для управления сменной передачей зарядовЭто не только увеличивает сложность проектирования источника питания, но и приводит к проблемам рассеивания тепла - при работе с высоким разрешением или высокой частотой кадров,Повышение температуры CCD еще больше увеличит тепловой шумПоэтому промышленные системы, использующие CCD-камеры, часто требуют дополнительных устройств рассеивания тепла.

2.3 Разрешение и дизайн пикселей

При сравнении датчиков одного размера CCD обычно обеспечивает более высокое разрешение.Почти вся область пикселя может быть использована для фоточувствительной, а доля светочувствительной площади (фактор заполнения) может достигать более 95%. И каждый пиксель в CMOS требует интеграции дополнительных транзисторов и компонентов цепи,которые уменьшают эффективную светочувствительную площадь в этих "не светочувствительных областях"Например, для датчиков со спецификацией 1/1.8 дюйма, CCD может достичь разрешения 1628 × 1236 (4,40 мкм пикселей), в то время как CMOS обычно имеет разрешение 1280 × 1024 (5,2 мкм пикселей).
Тем не менее, технология CMOS постепенно сокращает этот разрыв с помощью дизайна с обратным освещением (BSI).CMOS с обратным освещением использует флип-чип для направления света на светочувствительную область сзади, обходя слой цепи спереди и значительно улучшая коэффициент заполнения.Складываемая CMOS отделяет и производит светочувствительный слой от слоя обрабатывающей схемы перед связываниемЭти инновации позволяют современным высокотехнологичным промышленным камерам CMOS обеспечивать разрешения более 20 миллионов пикселей,удовлетворяет подавляющему большинству потребностей промышленной инспекции.

2.4 Чувствительность к свету и слабые световые показатели

С точки зрения чувствительности, датчики CCD сохраняют свои традиционные преимущества.обеспечивает лучшую производительность соотношения сигнала и шумаДанные испытаний показывают, что человеческий глаз может распознавать объекты при освещении 1Lux (эквивалентно полнолунию), а диапазон чувствительности CCD составляет 0,1-3Lux.в то время как традиционные CMOS требуют освещения 6-15Lux для эффективной работы - это означает, что в условиях низкого освещения ниже 10Lux, традиционные CMOS едва ли могут захватить полезные изображения.
Эта разница особенно важна для специальных применений, таких как промышленные эндоскопы, мониторинг ночного видения и астрономические наблюдения.современная CMOS значительно улучшила производительность при низком освещении с помощью больших пикселей (например, размеров пикселей свыше 3 мкм) и передовой технологии массива микролентНекоторые высокотехнологичные датчики CMOS даже достигли квантовой эффективности (QE) за пределами CCD с помощью технологии обратного освещения, достигнув 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 процесс изготовления, что и стандартные полупроводниковые интегральные схемы, и могут быть массово произведены на фабриках для создания пластинок, которые производят компьютерные чипы и устройства хранения.В то же время высокая интеграция CMOS позволяет производителям камер разрабатывать "камеры на уровне чипа" - интегрирующие датчики,переработчики, и интерфейсные схемы на одном чипе, что еще больше упрощает процесс сборки и требования к периферийным схемам.
В отличие от этого, производственный процесс CCD является уникальным и сложным, и только Sony и DALSA, Panasonic и несколько других производителей имеют производственные мощности.Механизм передачи заряда чрезвычайно чувствителен к производственным дефектам: сбой одного пикселя может привести к невозможности передачи всей строки данных, что значительно снижает скорость отдачи.Камеры CCD требуют дополнительных вспомогательных схем (включая контроллеры времени), аналогово-цифровые преобразователи и процессоры сигналов), которые в совокупности повышают цену конечного продукта, делая стоимость промышленных камер CCD обычно 1.В 5 - 3 раза больше, чем у камер CMOS с теми же характеристиками.