Από τη φωτοηλεκτρική μετατροπή στην παραγωγή εικόνων: βασικές διαφορές στις αρχές της απεικόνισης

Σε πολλά σενάρια εφαρμογής του βιομηχανικού αυτοματισμού, της μηχανικής όρασης και της επιστημονικής έρευνας, οι βιομηχανικές κάμερες, ως βασικός εξοπλισμός για την απόκτηση πληροφοριών εικόνας,επηρεάζουν άμεσα την ακρίβεια και την αξιοπιστία ολόκληρου του συστήματος όσον αφορά τις επιδόσεις τουςΤο βασικό συστατικό που καθορίζει την απόδοση των βιομηχανικών φωτογραφικών μηχανών είναι ο αισθητήρας εικόνας.μεταξύ των οποίων οι δύο κύριες τεχνολογικές οδούς είναι οι CCD (Charge Coupled Device) και CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)Αν και και οι δύο βασίζονται στην ίδια αρχή της φωτοηλεκτρικής μετατροπής, η οποία χρησιμοποιεί το φωτοηλεκτρικό αποτέλεσμα των ημιαγωγών υλικών για να μετατρέψει τα φωτόνια σε ηλεκτρόνια,υπάρχουν θεμελιώδεις διαφορές στις μεθόδους επεξεργασίας και μετάδοσης σήματος.

Η ιδέα σχεδιασμού των αισθητήρων CCD είναι να επεξεργάζονται κεντρικά φωτοηλεκτρικά σήματα: όταν το φως λάμπει στη σειρά των pixel, κάθε pixel παράγει ένα πακέτο φορτίου ανάλογο με την ένταση του φωτός.Αυτά τα πακέτα φόρτισης απαιτούν μια πολύπλοκη διαδικασία μεταφοράς - υπό ακριβή έλεγχο παλμού ρολογιού, τα φορτία των pixel μετατοπίζονται γραμμή με γραμμή σε έναν μόνο κόμβο εξόδου (ή σε έναν πολύ μικρό αριθμό κόμβων εξόδου) στην άκρη του τσιπ,όπου πραγματοποιείται μετατροπή φορτίου σε τάση και ενίσχυση σήματοςΟ σχεδιασμός αυτός εξασφαλίζει ότι όλα τα σήματα των pixel περνάνε από την ίδια διαδρομή σήματος, εξασφαλίζοντας ένα υψηλό βαθμό συνέπειας στην έξοδο σήματος.

Αντίθετα, οι αισθητήρες CMOS υιοθετούν μια καινοτόμο αρχιτεκτονική κατανεμημένης επεξεργασίας.αλλά ενσωματώνει επίσης ανεξάρτητους μικροσκοπικούς ενισχυτές και κυκλώματα μετατροπής αναλογικής σε ψηφιακήΗ σχεδίαση αυτή επιτρέπει σε κάθε pixel να μετατρέπει τα φορτία σε σήματα τάσης επί τόπου και να τα διαβάζει απευθείας μέσω ενός δικτύου αλληλεπιδράσεων γραμμών και στήλων.Αν και αυτή η δομή βελτιώνει σημαντικά την ταχύτητα ανάγνωσης και μειώνει την κατανάλωση ενέργειας, οι διαφορές απόδοσης μεταξύ εκατομμυρίων μικροσκοπικών ενισχυτών προκαλούν αναπόφευκτα προβλήματα συνέπειας σήματος.
Αυτή η θεμελιώδης διαφορά στην μετάδοση σήματος έχει οδηγήσει σε μια σειρά διαφορών απόδοσης μεταξύ των δύο τεχνολογιών σε εφαρμογές βιομηχανικών φωτογραφικών μηχανών. 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.

Σύγκριση πέντε βασικών παραγόντων απόδοσης: θόρυβος, κατανάλωση ενέργειας, ανάλυση, ευαισθησία και κόστος2.1 Ηχητική απόδοση και ποιότητα εικόνας

Οι αισθητήρες CCD έχουν το πλεονέκτημα του ελέγχου θορύβου λόγω της κεντρικής επεξεργασίας σήματος.αποφεύγονται οι διαφορές ενίσχυσης μεταξύ των pixelΟ σχεδιασμός αυτός, σε συνδυασμό με την ώριμη τεχνολογία συνδυασμού PN ή της τεχνολογίας της στρώσης απομόνωσης του διοξειδίου του πυριτίου, μειώνει αποτελεσματικά τη δημιουργία θορύβου σταθερού τύπου.παρέχοντας έτσι καθαρότερη και πιο συνεπή έξοδο στην ποιότητα εικόναςΙδιαίτερα σε συνθήκες μακράς έκθεσης ή χαμηλού φωτισμού, οι αισθητήρες CCD μπορούν να διατηρήσουν χαμηλά επίπεδα θορύβου, καθιστώντας τους εξαιρετικά ευνοημένους σε εφαρμογές μέτρησης ακρίβειας και απεικόνισης χαμηλού φωτισμού.
Αντίθετα, κάθε pixel ενός αισθητήρα CMOS είναι εξοπλισμένο με έναν ανεξάρτητο ενισχυτή σήματος.Οι μικρές διαφορές απόδοσης μεταξύ εκατομμυρίων ενισχυτών οδηγούν σε σταθερό θόρυβο.Ο θόρυβος αυτός εκδηλώνεται ως σταθερή παρεμβολή στη εικόνα, ειδικά σε ομοιόμορφα φωτισμένες σκηνές.Οι σύγχρονες βιομηχανικές κάμερες CMOS έχουν βελτιώσει σημαντικά αυτό το πρόβλημα μέσω συσχετισμένης διπλής δειγματοληψίας (CDS) και ψηφιακών αλγορίθμων διόρθωσης, και ορισμένα προϊόντα υψηλής τεχνολογίας έχουν πλησιάσει ή ακόμη και έχουν φτάσει στο επίπεδο ποιότητας εικόνας του CCD.

2.2 Διαφορές ενεργειακής απόδοσης και κατανάλωσης ενέργειας

Από την άποψη της κατανάλωσης ενέργειας, το CMOS παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα.όπου το φορτίο που παράγεται από την φωτοευαίσθητη δίοδο ενισχύεται άμεσα και παράγεται από το γειτονικό τρανζίστορΟλόκληρος ο αισθητήρας απαιτεί μόνο μία μονάδα τροφοδοσίας 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 ενεργειακά ευαίσθητες εφαρμογές όπως φορητές συσκευές, ενσωματωμένα συστήματα και πολλαπλές σειρές καμερών.
Η υψηλή κατανάλωση ισχύος του CCD οφείλεται στον παθητικό μηχανισμό μεταφοράς φορτίου.Απαιτεί τρία σύνολα τροφοδοτήσεων με διαφορετικές τάσεις (συνήθως 12-18V) και ένα σύνθετο κύκλωμα ελέγχου ρολογιού για να οδηγήσει τη μεταφορά φορτίωνΑυτό όχι μόνο αυξάνει την πολυπλοκότητα του σχεδιασμού της παροχής ενέργειας, αλλά και προκαλεί προβλήματα διάσπασης θερμότητας - όταν εργάζονται σε υψηλή ανάλυση ή υψηλό ποσοστό καρέ,η αύξηση της θερμοκρασίας του CCD θα αυξήσει περαιτέρω τον θερμικό θόρυβοΣυνεπώς, τα βιομηχανικά συστήματα που χρησιμοποιούν κάμερες CCD συχνά απαιτούν πρόσθετες συσκευές διάσπασης θερμότητας.

2.3 Ανάλυση και σχεδιασμός των pixel

Όταν συγκρίνονται αισθητήρες του ίδιου μεγέθους, το CCD παρέχει συνήθως υψηλότερη ανάλυση.σχεδόν ολόκληρη η περιοχή των pixel μπορεί να χρησιμοποιηθεί για φωτοευαισθησία, και το ποσοστό της φωτοευαίσθητης περιοχής (παράγοντας πλήρωσης) μπορεί να φτάσει πάνω από 95%.που μειώνουν την αποτελεσματική φωτοευαίσθητη περιοχή σε αυτές τις "μη φωτοευαίσθητες περιοχές"Για παράδειγμα, για αισθητήρες με προδιαγραφή 1/1.8 ίντσες, το CCD μπορεί να επιτύχει ανάλυση 1628 × 1236 (4,40 μm pixels), ενώ το CMOS έχει συνήθως ανάλυση 1280 × 1024 (5,2 μm pixels).
Ωστόσο, η τεχνολογία CMOS στενώνει σταδιακά αυτό το κενό μέσω των πίσω φωτισμένων (BSI) και των στοιβαγμένων σχεδίων.Το πίσω φωτισμένο CMOS χρησιμοποιεί ένα τσιπ για να κατευθύνει το φως στην ευαίσθητη στο φως περιοχή από πίσω, παρακάμπτοντας το στρώμα κυκλώματος στο μπροστινό μέρος και βελτιώνοντας σημαντικά τον συντελεστή πλήρωσης.Το στοιβαγμένο CMOS διαχωρίζει και κατασκευάζει το φωτοευαίσθητο στρώμα από το στρώμα κύκλου επεξεργασίας πριν από τη σύνδεσηΟι νέες αυτές καινοτομίες επιτρέπουν στις σύγχρονες βιομηχανικές κάμερες CMOS υψηλής τεχνολογίας να παρέχουν ανάλυση άνω των 20 εκατομμυρίων εικονοστοιχείων.ανταποκρίνεται στην συντριπτική πλειοψηφία των αναγκών βιομηχανικής επιθεώρησης.

2.4 Ευαισθησία στο φως και χαμηλή φωτεινή απόδοση

Όσον αφορά την ευαισθησία, οι αισθητήρες CCD διατηρούν τα παραδοσιακά τους πλεονεκτήματα.παρέχοντας καλύτερη απόδοση της αναλογίας σήματος-θόρυβουΤα δεδομένα δοκιμών δείχνουν ότι το ανθρώπινο μάτι μπορεί να αναγνωρίσει αντικείμενα με φωτισμό 1Lux (ισοδύναμο με μια νύχτα πανσέληνου), και το εύρος ευαισθησίας του CCD είναι 0,1-3Lux,Ενώ τα παραδοσιακά CMOS απαιτούν φωτισμό 6-15Lux για να λειτουργήσουν αποτελεσματικά - αυτό σημαίνει ότι σε περιβάλλοντα χαμηλού φωτισμού κάτω από 10Lux, τα παραδοσιακά CMOS δύσκολα μπορούν να συλλάβουν χρήσιμες εικόνες.
Η διαφορά αυτή είναι ιδιαίτερα κρίσιμη σε ειδικές εφαρμογές όπως τα βιομηχανικά ενδοσκόπια, η παρακολούθηση της νυχτερινής όρασης και οι αστρονομικές παρατηρήσεις.τα σύγχρονα CMOS έχουν βελτιώσει σημαντικά τις επιδόσεις σε χαμηλό φωτισμό μέσω μεγάλων σχεδίων pixel (όπως μεγέθη pixel πάνω από 3 μm) και προηγμένης τεχνολογίας μικροαυτηρίωνΟρισμένοι υψηλού επιπέδου αισθητήρες CMOS έχουν ακόμη επιτύχει κβαντική αποτελεσματικότητα (QE) πέρα από το CCD μέσω τεχνολογίας πίσω φωτισμού, επιτυγχάνοντας αποτελεσματικότητα μετατροπής φωτονίων άνω του 95% σε συγκεκριμένα μήκη κύματος.

2.5 Κόστος κατασκευής και οικονομικοί λόγοι

Όσον αφορά τη δομή του κόστους, το CMOS έχει ένα τεράστιο πλεονέκτημα.Οι αισθητήρες CMOS χρησιμοποιούν την ίδια διαδικασία κατασκευής με τα τυποποιημένα ολοκληρωμένα κυκλώματα ημιαγωγών και μπορούν να παραχθούν μαζικά σε εργοστάσια πλακών που παράγουν τσιπ υπολογιστών και συσκευές αποθήκευσηςΗ συμβατότητα αυτής της διαδικασίας μειώνει σημαντικά το κόστος μονάδας.Επεξεργαστές, και κυκλώματα διεπαφής σε ένα μόνο τσιπ, απλοποιώντας περαιτέρω τη διαδικασία συναρμολόγησης και τις απαιτήσεις περιφερειακών κυκλωμάτων.
Αντίθετα, η διαδικασία παραγωγής του CCD είναι μοναδική και περίπλοκη, με μόνο την Sony και την DALSA, την Panasonic και μερικούς άλλους κατασκευαστές να διαθέτουν παραγωγική ικανότητα.Ο μηχανισμός μεταφοράς φορτίου του είναι εξαιρετικά ευαίσθητος στα ελαττώματα κατασκευής.: μια αποτυχία ενός μόνο pixel μπορεί να οδηγήσει στην αδυναμία μετάδοσης ολόκληρης της σειράς δεδομένων, μειώνοντας σημαντικά το ποσοστό απόδοσης.Οι κάμερες CCD απαιτούν πρόσθετα κυκλώματα υποστήριξης (συμπεριλαμβανομένων των ελεγκτών χρόνου), μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό και επεξεργαστές σήματος), οι οποίοι συλλογικά αυξάνουν την τιμή του τελικού προϊόντος, καθιστώντας το κόστος των βιομηχανικών φωτογραφικών μηχανών CCD συνήθως 1.5 έως 3 φορές μεγαλύτερες από τις κάμερες CMOS των ίδιων προδιαγραφών.