Różnice między CMOS a CCD

Każdy projekt do zastosowań w obrazowaniu, wizji komputerowej i fotonice będzie wymagał pewnego rodzaju zespołu optycznego i czujnika do prawidłowego działania. Twój następny system optyczny będzie zawierał szeroką gamę komponentów optycznych, a czujniki obrazowania są pomostem między światem optycznym i elektronicznym.

 

Rozsądny wybór czujnika wymaga rozważenia wielu czynników. Niektóre z tych czynników dotyczą czasu reakcji, formatu, rozdzielczości i aplikacji. Wybór między matrycą CCD a matrycą CMOS może być trudny, ale od niego zależy, jak szybko system będzie w stanie rozdzielić obrazy, unikając nasycenia. Jeśli musisz pracować poza zasięgiem widzialnym, musisz rozważyć materiały alternatywne do Si, aby uzyskać skuteczne obrazowanie. W niektórych zastosowaniach bardziej sensowna może być praca z układem fotodiod. Oto, co musisz wiedzieć o tych różnych typach czujników i jak wybrać odpowiedni komponent do swojej aplikacji.

 

 

Aktywny materiał zastosowany w twoim czujniku określi czuły zakres długości fali, straty pasma i czułość na temperaturę. W zależności od zastosowania możesz pracować w zakresie podczerwieni, światła widzialnego lub UV. W przypadku systemów kamer będziesz potrzebować czułości w całym zakresie widzialnym, chyba że pracujesz nad systemem termowizyjnym. W przypadku specjalistycznych zastosowań obrazowania, takich jak obrazowanie fluorescencyjne, możesz pracować w dowolnym miejscu, od zakresu IR do UV.

 

Niektóre materiały aktywne są nadal w fazie badań, podczas gdy inne są łatwo dostępne jako komponenty komercyjne. Jeśli porównujesz komponenty matrycy CCD i CMOS, materiał aktywny jest dobrym punktem wyjścia przy wyborze potencjalnych czujników.

• Si:Jest to najczęściej stosowany materiał w czujnikach obrazu. Jego pośrednie pasmo wzbronione 1,1 eV (krawędź absorpcji ~ 1100 nm) sprawia, że ​​najlepiej nadaje się do fal widzialnych i NIR.
• InGaAs:Ten materiał III-V zapewnia wykrywanie w podczerwieni do ~2600 nm. Jego niska pojemność złącza<1 nF makes InGaAs sensors ideal for applications at SMF wavelengths (1310 and 1550 nm). Tuning is achieved by altering the stoichiometry of In(1-x)GaxAs. InGaAs CCD sensors are available on the market from photonics suppliers, and companies like IBM have demonstrated InGaAs compatibility with CMOS processes.
• Ge:Ten materiał jest mniej powszechny w kamerach i czujnikach CCD ze względu na jego wyższy koszt niż Si, a czujniki CMOS all-Ge i SiGe są nadal gorącym tematem badawczym.

Niegdyś uważane za złoty standard wydajności w widzeniu maszynowym, czujniki CCD (urządzenia ze sprzężeniem ładunkowym) są wycofywane na rzecz nowoczesnych czujników obrazowania CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) w wielu zastosowaniach. Dlaczego tak jest i skąd wiesz, który typ czujnika jest odpowiedni dla Twojego projektu?

 

Oto uproszczone wyjaśnienie, jak działają te technologie:

 

Zarówno czujniki obrazu CCD, jak i CMOS przekształcają światło w elektrony, przechwytując fotony światła za pomocą tysięcy — a nawet milionów — studzienek przechwytujących światło, zwanych fotosytami. Podczas robienia zdjęcia fotokomórki są odkrywane w celu zbierania fotonów i przechowywania ich jako sygnału elektrycznego.

 

Następnym krokiem jest ilościowe określenie skumulowanego ładunku każdego fotomiejsca na obrazie. Oto, gdzie technologie zaczynają się różnić: w urządzeniu CCD ładunek jest transportowany przez chip i odczytywany w jednym rogu macierzy, a przetwornik analogowo-cyfrowy zamienia ładunek każdego zdjęcia na wartość cyfrową.

 

 

Z drugiej strony w większości urządzeń CMOS na każdym fotocentryku znajduje się kilka tranzystorów, które wzmacniają i przesuwają ładunek za pomocą bardziej tradycyjnych przewodów. Dzięki temu czujnik jest bardziej elastyczny w różnych zastosowaniach, ponieważ każdy fotosit może być odczytywany indywidualnie.

 

Specjalny proces produkcyjny daje urządzeniom CCD możliwość przenoszenia ładunków przez chip bez zniekształceń, co prowadzi do wysokiej jakości, bardzo czułych czujników. Chipy CMOS wykorzystują bardziej konwencjonalne (i tańsze) procesy produkcyjne.

 

To wszystko składa się na kilka głównych różnic między czujnikami CMOS i CCD:

• Czujniki CCD tworzą wysokiej jakości obrazy o niskim poziomie szumów. Czujniki CMOS są zwykle bardziej podatne na zakłócenia.
• Ponieważ każdy fotosyt na czujniku CMOS ma kilka tranzystorów umieszczonych obok niego, czułość układu CMOS na światło jest zwykle niższa, ponieważ wiele fotonów trafia w tranzystory zamiast w fotosyt.
• Czujniki CCD zużywają aż 100 razy więcej energii niż równoważny czujnik CMOS.
• Czujniki CMOS mogą być produkowane na większości standardowych linii produkcyjnych krzemu, więc są niedrogie w produkcji w porównaniu z czujnikami CCD.

Ogólnie rzecz biorąc, czujniki CMOS są znacznie tańsze w produkcji niż czujniki CCD i szybko poprawiają się pod względem wydajności, ale czujniki CCD mogą być nadal wymagane w niektórych wymagających zastosowaniach.