Από τη φωτοηλεκτρική μετατροπή στην παραγωγή εικόνας: ουσιαστικές διαφορές στις αρχές απεικόνισης

Σε πολλά σενάρια εφαρμογής της βιομηχανικής αυτοματοποίησης, της όρασης μηχανών και της επιστημονικής έρευνας, οι βιομηχανικές κάμερες, ως ο βασικός εξοπλισμός για την απόκτηση πληροφοριών εικόνας, επηρεάζουν άμεσα την ακρίβεια και την αξιοπιστία ολόκληρου του συστήματος όσον αφορά την απόδοσή τους. Το βασικό στοιχείο που καθορίζει την απόδοση των βιομηχανικών καμερών είναι ο αισθητήρας εικόνας, μεταξύ των οποίων οι CCD (Charge Coupled Device) και CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) είναι οι δύο κύριες τεχνολογικές διαδρομές. Αν και και οι δύο βασίζονται στην ίδια αρχή της φωτοηλεκτρικής μετατροπής, η οποία χρησιμοποιεί το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο των υλικών ημιαγωγών για τη μετατροπή φωτονίων σε ηλεκτρόνια, υπάρχουν θεμελιώδεις διαφορές στις μεθόδους επεξεργασίας και μετάδοσης σήματος.

Η ιδέα σχεδιασμού των αισθητήρων CCD είναι η κεντρική επεξεργασία φωτοηλεκτρικών σημάτων: όταν το φως πέφτει στην διάταξη των εικονοστοιχείων, κάθε εικονοστοιχείο δημιουργεί ένα πακέτο φόρτισης ανάλογο με την ένταση του φωτός. Αυτά τα πακέτα φόρτισης απαιτούν μια πολύπλοκη διαδικασία μεταφοράς - υπό τον ακριβή έλεγχο παλμών ρολογιού, οι φορτίσεις των εικονοστοιχείων μετατοπίζονται γραμμή προς γραμμή σε έναν μόνο κόμβο εξόδου (ή σε πολύ μικρό αριθμό κόμβων εξόδου) στην άκρη του τσιπ, όπου πραγματοποιείται η μετατροπή φόρτισης σε τάση και η ενίσχυση του σήματος. Αυτός ο σχεδιασμός διασφαλίζει ότι όλα τα σήματα των εικονοστοιχείων περνούν από την ίδια διαδρομή σήματος, εξασφαλίζοντας υψηλό βαθμό συνέπειας στην έξοδο σήματος.

Αντίθετα, οι αισθητήρες CMOS υιοθετούν μια καινοτόμο αρχιτεκτονική κατανεμημένης επεξεργασίας. Στα τσιπ CMOS, κάθε εικονοστοιχείο δεν περιέχει μόνο μια φωτοδίοδο, αλλά ενσωματώνει επίσης ανεξάρτητους μικροσκοπικούς ενισχυτές και κυκλώματα αναλογικής-ψηφιακής μετατροπής. Αυτός ο σχεδιασμός επιτρέπει σε κάθε εικονοστοιχείο να μετατρέπει φορτίσεις σε σήματα τάσης επιτόπου και να τα διαβάζει απευθείας μέσω ενός δικτύου διασταυρούμενων καλωδίων γραμμών και στηλών. Αν και αυτή η δομή βελτιώνει σημαντικά την ταχύτητα ανάγνωσης και μειώνει την κατανάλωση ενέργειας, οι διαφορές απόδοσης μεταξύ εκατομμυρίων μικροσκοπικών ενισχυτών συνεπάγονται αναπόφευκτα ζητήματα συνέπειας σήματος.
Αυτή η θεμελιώδης διαφορά στη μετάδοση σήματος έχει οδηγήσει σε μια σειρά διαφορών απόδοσης μεταξύ των δύο τεχνολογιών σε εφαρμογές βιομηχανικών καμερών. Η κατανόηση της διαφοράς μεταξύ της «διαδοχικής μετατόπισης και κεντρικής εξόδου» του CCD και της «παράλληλης μετατροπής και κατανεμημένης ανάγνωσης» του CMOS είναι η βάση για την κατανόηση όλων των μεταγενέστερων διαφορών μεταξύ των δύο.

Σύγκριση πέντε βασικών παραγόντων απόδοσης: θόρυβος, κατανάλωση ενέργειας, ανάλυση, ευαισθησία και κόστος

2.1 Απόδοση θορύβου και ποιότητα εικόνας

Οι αισθητήρες CCD έχουν το πλεονέκτημα του ελέγχου θορύβου λόγω της κεντρικής επεξεργασίας σήματος. Επειδή όλα τα εικονοστοιχεία μοιράζονται τον ίδιο (ή πολύ λίγους) ενισχυτή εξόδου, αποφεύγονται οι διαφορές ενίσχυσης μεταξύ των εικονοστοιχείων. Αυτός ο σχεδιασμός, σε συνδυασμό με την ώριμη τεχνολογία PN junction ή στρώματος μόνωσης διοξειδίου του πυριτίου, μειώνει αποτελεσματικά τη δημιουργία θορύβου σταθερού μοτίβου, παρέχοντας έτσι καθαρότερη και πιο συνεπή έξοδο στην ποιότητα της εικόνας. Ειδικά υπό συνθήκες μεγάλης έκθεσης ή χαμηλού φωτισμού, οι αισθητήρες CCD μπορούν ακόμα να διατηρήσουν χαμηλά επίπεδα θορύβου, καθιστώντας τους ιδιαίτερα ευνοημένους σε εφαρμογές μέτρησης ακριβείας και απεικόνισης χαμηλού φωτισμού.
Αντίθετα, κάθε εικονοστοιχείο ενός αισθητήρα CMOS είναι εξοπλισμένο με έναν ανεξάρτητο ενισχυτή σήματος. Αν και αυτός ο σχεδιασμός βελτιώνει την ταχύτητα ανάγνωσης, οι μικρές διαφορές απόδοσης μεταξύ εκατομμυρίων ενισχυτών έχουν ως αποτέλεσμα θόρυβο σταθερού μοτίβου. Αυτός ο θόρυβος εκδηλώνεται ως σταθερή παρεμβολή μοτίβου στην εικόνα, ειδικά σε ομοιόμορφα φωτισμένα σκηνικά. Ωστόσο, με την πρόοδο της τεχνολογίας CMOS, οι σύγχρονες βιομηχανικές κάμερες CMOS έχουν βελτιώσει σημαντικά αυτό το ζήτημα μέσω συσχετισμένης διπλής δειγματοληψίας (CDS) και αλγορίθμων ψηφιακής διόρθωσης, και ορισμένα προϊόντα υψηλής τεχνολογίας έχουν προσεγγίσει ή ακόμη και φτάσει στο επίπεδο ποιότητας εικόνας του CCD.

2.2 Ενεργειακή απόδοση και διαφορές κατανάλωσης ενέργειας

Όσον αφορά την κατανάλωση ενέργειας, το CMOS παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα. Το CMOS υιοθετεί μια ενεργή μέθοδο απόκτησης εικόνας, όπου το φορτίο που δημιουργείται από τη φωτοευαίσθητη δίοδο ενισχύεται και εξάγεται απευθείας από το γειτονικό τρανζίστορ. Ολόκληρος ο αισθητήρας απαιτεί μόνο μία παροχή ρεύματος και η τυπική κατανάλωση ενέργειας είναι μόνο 1/8 έως 1/10 των παρόμοιων CCD. Αυτό το χαρακτηριστικό καθιστά το CMOS την προτιμώμενη επιλογή για εφαρμογές ευαίσθητες στην ενέργεια, όπως φορητές συσκευές, ενσωματωμένα συστήματα και συστοιχίες πολλαπλών καμερών.
Η υψηλή κατανάλωση ενέργειας του CCD οφείλεται στον παθητικό μηχανισμό μεταφοράς φόρτισης. Απαιτεί τρία σετ παροχών ρεύματος με διαφορετικές τάσεις (συνήθως 12-18V) και ένα πολύπλοκο κύκλωμα ελέγχου ρολογιού για την οδήγηση της μεταφοράς φόρτισης. Αυτό όχι μόνο αυξάνει την πολυπλοκότητα του σχεδιασμού της παροχής ρεύματος, αλλά προκαλεί επίσης προβλήματα απαγωγής θερμότητας - όταν εργάζεστε σε υψηλή ανάλυση ή υψηλό ρυθμό καρέ, η αύξηση της θερμοκρασίας του CCD θα αυξήσει περαιτέρω τον θερμικό θόρυβο, σχηματίζοντας έναν φαύλο κύκλο. Επομένως, τα βιομηχανικά συστήματα που χρησιμοποιούν κάμερες CCD συχνά απαιτούν πρόσθετες συσκευές απαγωγής θερμότητας.

2.3 Ανάλυση και σχεδιασμός εικονοστοιχείων

Όταν συγκρίνουμε αισθητήρες του ίδιου μεγέθους, το CCD παρέχει συνήθως υψηλότερη ανάλυση. Αυτό συμβαίνει επειδή η δομή των εικονοστοιχείων του CCD είναι σχετικά απλή, σχεδόν ολόκληρη η περιοχή των εικονοστοιχείων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για φωτοευαίσθητη και το ποσοστό της φωτοευαίσθητης περιοχής (συντελεστής πλήρωσης) μπορεί να φτάσει πάνω από 95%. Και κάθε εικονοστοιχείο στο CMOS απαιτεί την ενσωμάτωση πρόσθετων τρανζίστορ και εξαρτημάτων κυκλώματος, τα οποία μειώνουν την αποτελεσματική φωτοευαίσθητη περιοχή σε αυτές τις «μη φωτοευαίσθητες περιοχές». Για παράδειγμα, για αισθητήρες με προδιαγραφή 1/1,8 ιντσών, το CCD μπορεί να επιτύχει ανάλυση 1628 × 1236 (εικονοστοιχεία 4,40 μm), ενώ το CMOS έχει συνήθως ανάλυση 1280 × 1024 (εικονοστοιχεία 5,2 μm).
Ωστόσο, η τεχνολογία CMOS μειώνει σταδιακά αυτό το χάσμα μέσω των σχεδίων οπίσθιου φωτισμού (BSI) και στοίβαξης. Το CMOS με οπίσθιο φωτισμό χρησιμοποιεί ένα τσιπ αναστροφής για να κατευθύνει το φως στην φωτοευαίσθητη περιοχή από το πίσω μέρος, παρακάμπτοντας το στρώμα κυκλώματος στο μπροστινό μέρος και βελτιώνοντας σημαντικά τον συντελεστή πλήρωσης. Το στοιβασμένο CMOS διαχωρίζει και κατασκευάζει το φωτοευαίσθητο στρώμα από το στρώμα κυκλώματος επεξεργασίας πριν από τη συγκόλληση, βελτιστοποιώντας περαιτέρω τη χρήση του χώρου. Αυτές οι καινοτομίες επιτρέπουν στις σύγχρονες βιομηχανικές κάμερες CMOS υψηλής τεχνολογίας να παρέχουν αναλύσεις άνω των 20 εκατομμυρίων εικονοστοιχείων, καλύπτοντας τη συντριπτική πλειονότητα των βιομηχανικών αναγκών επιθεώρησης.

2.4 Ευαισθησία στο φως και απόδοση χαμηλού φωτισμού

Όσον αφορά την ευαισθησία, οι αισθητήρες CCD διατηρούν τα παραδοσιακά τους πλεονεκτήματα. Λόγω της μεγαλύτερης αποτελεσματικής φωτοευαίσθητης περιοχής εντός του εικονοστοιχείου, το CCD μπορεί να συλλάβει περισσότερα φωτόνια σε περιβάλλοντα χαμηλού φωτισμού, παρέχοντας καλύτερη απόδοση αναλογίας σήματος προς θόρυβο. Τα δεδομένα δοκιμών δείχνουν ότι το ανθρώπινο μάτι μπορεί να αναγνωρίσει αντικείμενα κάτω από φωτισμό 1Lux (ισοδύναμο με μια νύχτα πανσελήνου) και το εύρος ευαισθησίας του CCD είναι 0,1-3Lux, ενώ το παραδοσιακό CMOS απαιτεί φωτισμό 6-15Lux για να λειτουργήσει αποτελεσματικά - αυτό σημαίνει ότι σε περιβάλλοντα χαμηλού φωτισμού κάτω από 10Lux, το παραδοσιακό CMOS δύσκολα μπορεί να συλλάβει χρησιμοποιήσιμες εικόνες.
Αυτή η διαφορά είναι ιδιαίτερα κρίσιμη σε ειδικές εφαρμογές όπως βιομηχανικά ενδοσκόπια, παρακολούθηση νυχτερινής όρασης και αστρονομικές παρατηρήσεις. Ωστόσο, το σύγχρονο CMOS έχει βελτιώσει σημαντικά την απόδοση χαμηλού φωτισμού μέσω σχεδίων μεγάλων εικονοστοιχείων (όπως μεγέθη εικονοστοιχείων άνω των 3 μm) και προηγμένης τεχνολογίας συστοιχίας μικροφακών. Ορισμένοι αισθητήρες CMOS υψηλής τεχνολογίας έχουν ακόμη επιτύχει κβαντική απόδοση (QE) πέρα από το CCD μέσω της τεχνολογίας οπίσθιου φωτισμού, επιτυγχάνοντας απόδοση μετατροπής φωτονίων άνω του 95% σε συγκεκριμένα μήκη κύματος.

2.5 Κόστος κατασκευής και οικονομικές εκτιμήσεις

Όσον αφορά τη δομή κόστους, το CMOS έχει ένα συντριπτικό πλεονέκτημα. Οι αισθητήρες CMOS χρησιμοποιούν την ίδια διαδικασία κατασκευής με τα τυπικά ολοκληρωμένα κυκλώματα ημιαγωγών και μπορούν να παραχθούν μαζικά σε εργοστάσια γκοφρετών που παράγουν τσιπ υπολογιστών και συσκευές αποθήκευσης. Αυτή η συμβατότητα διεργασίας μειώνει σημαντικά το κόστος ανά μονάδα. Ταυτόχρονα, η υψηλή ενσωμάτωση του CMOS επιτρέπει στους κατασκευαστές καμερών να αναπτύξουν «κάμερες επιπέδου τσιπ» - ενσωματώνοντας αισθητήρες, επεξεργαστές και κυκλώματα διασύνδεσης σε ένα μόνο τσιπ, απλοποιώντας περαιτέρω τη διαδικασία συναρμολόγησης και τις απαιτήσεις περιφερειακών κυκλωμάτων.
Αντίθετα, η διαδικασία κατασκευής του CCD είναι μοναδική και πολύπλοκη, με μόνο τη Sony και τη DALSA, την Panasonic και μερικούς άλλους κατασκευαστές να έχουν παραγωγική ικανότητα. Ο μηχανισμός μεταφοράς φόρτισης είναι εξαιρετικά ευαίσθητος σε ελαττώματα κατασκευής: μια μεμονωμένη βλάβη εικονοστοιχείου μπορεί να οδηγήσει στην αδυναμία μετάδοσης ολόκληρης της σειράς δεδομένων, μειώνοντας σημαντικά το ποσοστό απόδοσης. Επιπλέον, οι κάμερες CCD απαιτούν πρόσθετα κυκλώματα υποστήριξης (συμπεριλαμβανομένων ελεγκτών χρονισμού, μετατροπέων αναλογικού-ψηφιακού και επεξεργαστών σήματος), τα οποία συλλογικά αυξάνουν την τιμή του τελικού προϊόντος, καθιστώντας το κόστος των βιομηχανικών καμερών CCD τυπικά 1,5 έως 3 φορές αυτό των καμερών CMOS με τις ίδιες προδιαγραφές.