Van foto-elektrische conversie tot beeldgeneratie: essentiële verschillen in beeldvormingsprincipes

In veel toepassingsscenario's van industriële automatisering, machine vision en wetenschappelijk onderzoek, beïnvloeden industriële camera's, als de kernapparatuur voor het verkrijgen van beeldinformatie, direct de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van het hele systeem in termen van hun prestaties. De kerncomponent die de prestaties van industriële camera's bepaalt, is de beeldsensor, waarvan CCD (Charge Coupled Device) en CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) de twee belangrijkste technologische routes zijn. Hoewel beide gebaseerd zijn op hetzelfde principe van foto-elektrische conversie, waarbij het foto-elektrisch effect van halfgeleidermaterialen wordt gebruikt om fotonen om te zetten in elektronen, zijn er fundamentele verschillen in signaalverwerking en transmissiemethoden.

Het ontwerpconcept van CCD-sensoren is om foto-elektrische signalen centraal te verwerken: wanneer licht op de pixelarray schijnt, genereert elke pixel een ladingspakket dat evenredig is met de lichtintensiteit. Deze ladingspakketten vereisen een complex overdrachtsproces - onder precieze klokpulsbesturing worden pixel ladingen rij voor rij verschoven naar een enkele uitgangsknoop (of een zeer klein aantal uitgangsknopen) aan de rand van de chip, waar lading-naar-spanning conversie en signaalversterking worden uitgevoerd. Dit ontwerp zorgt ervoor dat alle pixelsignalen via hetzelfde signaalpad gaan, wat een hoge mate van consistentie in de signaaluitvoer garandeert.

In tegenstelling hiermee hanteren CMOS-sensoren een innovatieve architectuur van gedistribueerde verwerking. Op CMOS-chips bevat elke pixel niet alleen een fotodiode, maar integreert ook onafhankelijke miniatuurversterkers en analoog-naar-digitaal conversiecircuits. Dit ontwerp stelt elke pixel in staat om ladingen ter plekke om te zetten in spanningssignalen en deze direct uit te lezen via een netwerk van elkaar kruisende rij- en kolomdraden. Hoewel deze structuur de leessnelheid aanzienlijk verbetert en het stroomverbruik vermindert, brengen de prestatieverschillen tussen miljoenen miniatuurversterkers onvermijdelijk problemen met de signaalconsistentie met zich mee.
Dit fundamentele verschil in signaaloverdracht heeft geleid tot een reeks prestatieverschillen tussen de twee technologieën in industriële cameratopassingen. Het begrijpen van het verschil tussen CCD's "sequentiële verschuiving en gecentraliseerde uitvoer" en CMOS's "parallelle conversie en gedistribueerde uitlezing" is de basis voor het begrijpen van alle daaropvolgende verschillen tussen de twee.

Vergelijking van vijf kernprestatiefactoren: ruis, stroomverbruik, resolutie, gevoeligheid en kosten

2.1 Ruisprestaties en beeldkwaliteit

CCD-sensoren hebben het voordeel van ruiscontrole dankzij gecentraliseerde signaalverwerking. Omdat alle pixels dezelfde (of zeer weinige) uitgangsversterker delen, worden versterkingsverschillen tussen pixels vermeden. Dit ontwerp, in combinatie met volwassen PN-junctie- of siliciumdioxide-isolatielaagtechnologie, vermindert effectief de generatie van vast patroonruis, waardoor een zuiverdere en consistentere uitvoer in beeldkwaliteit wordt verkregen. Vooral bij lange belichtingstijden of weinig licht kunnen CCD-sensoren nog steeds lage ruisniveaus handhaven, waardoor ze zeer gewild zijn in precisie-meet- en weinig-licht-beeldvormingstoepassingen.
In tegenstelling hiermee is elke pixel van een CMOS-sensor uitgerust met een onafhankelijke signaalversterker. Hoewel dit ontwerp de leessnelheid verbetert, resulteren de kleine prestatieverschillen tussen miljoenen versterkers in vast patroonruis. Deze ruis manifesteert zich als vaste patrooninterferentie op het beeld, vooral in uniform verlichte scènes. Met de vooruitgang van de CMOS-technologie hebben moderne industriële CMOS-camera's dit probleem echter aanzienlijk verbeterd door middel van gecorreleerde dubbele sampling (CDS) en digitale correctie-algoritmen, en sommige high-end producten zijn de beeldkwaliteit van CCD benaderd of zelfs bereikt.

2.2 Energie-efficiëntie en verschillen in stroomverbruik

Op het gebied van stroomverbruik vertoont CMOS aanzienlijke voordelen. CMOS hanteert een actieve beeldacquisitiemethode, waarbij de lading die door de lichtgevoelige diode wordt gegenereerd, direct wordt versterkt en uitgevoerd door de aangrenzende transistor. De hele sensor heeft slechts één voeding nodig en het typische stroomverbruik is slechts 1/8 tot 1/10 van vergelijkbare CCD's. Deze functie maakt CMOS de voorkeurskeuze voor energiegevoelige toepassingen zoals draagbare apparaten, embedded systemen en multi-camera-arrays.
Het hoge stroomverbruik van CCD is te wijten aan het passieve ladingsoverdrachtsmechanisme. Het vereist drie sets voedingen met verschillende spanningen (meestal 12-18V) en een complex klokbesturingscircuit om de verschuivingsoverdracht van ladingen aan te sturen. Dit verhoogt niet alleen de complexiteit van het voedingsontwerp, maar brengt ook warmteafvoerproblemen met zich mee - bij het werken met hoge resolutie of hoge beeldsnelheid zal de temperatuurstijging van CCD de thermische ruis verder verhogen, waardoor een vicieuze cirkel ontstaat. Daarom vereisen industriële systemen die CCD-camera's gebruiken vaak extra warmteafvoerapparaten.

2.3 Resolutie en pixelontwerp

Bij het vergelijken van sensoren van dezelfde grootte biedt CCD doorgaans een hogere resolutie. Dit komt doordat de pixelstructuur van CCD relatief eenvoudig is, bijna het hele pixelgebied kan worden gebruikt voor lichtgevoeligheid en de verhouding van het lichtgevoelige gebied (vulfactor) kan meer dan 95% bedragen. En elke pixel in CMOS vereist de integratie van extra transistors en circuitcomponenten, wat het effectieve lichtgevoelige gebied in deze 'niet-lichtgevoelige gebieden' vermindert. Bijvoorbeeld, voor sensoren met een specificatie van 1/1,8 inch kan CCD een resolutie van 1628 × 1236 (4,40 μm pixels) bereiken, terwijl CMOS doorgaans een resolutie heeft van 1280 × 1024 (5,2 μm pixels).
De CMOS-technologie verkleint deze kloof echter geleidelijk door middel van back-illuminated (BSI) en gestapelde ontwerpen. Back-illuminated CMOS gebruikt een flip-chip om licht van achteren op het lichtgevoelige gebied te richten, waarbij de circuitlaag aan de voorkant wordt omzeild en de vulfactor aanzienlijk wordt verbeterd. Gestapelde CMOS scheidt en produceert de lichtgevoelige laag van de verwerkingscircuitlaag vóór het verbinden, waardoor de ruimtebenutting verder wordt geoptimaliseerd. Deze innovaties stellen moderne high-end CMOS industriële camera's in staat om resoluties van meer dan 20 miljoen pixels te leveren, die voldoen aan de overgrote meerderheid van de industriële inspectiebehoeften.

2.4 Gevoeligheid voor licht en prestaties bij weinig licht

Op het gebied van gevoeligheid behouden CCD-sensoren hun traditionele voordelen. Vanwege het grotere effectieve lichtgevoelige gebied binnen de pixel kan CCD meer fotonen vastleggen in omgevingen met weinig licht, wat een betere signaal-ruisverhouding oplevert. Testgegevens tonen aan dat het menselijk oog objecten kan herkennen bij een belichting van 1Lux (equivalent aan een volle maan nacht), en het gevoeligheidsbereik van CCD is 0,1-3Lux, terwijl traditionele CMOS 6-15Lux belichting nodig heeft om effectief te werken - dit betekent dat in omgevingen met weinig licht onder de 10Lux, traditionele CMOS nauwelijks bruikbare beelden kan vastleggen.
Dit verschil is met name cruciaal in speciale toepassingen zoals industriële endoscopen, nachtzichtbewaking en astronomische waarnemingen. Moderne CMOS heeft echter de prestaties bij weinig licht aanzienlijk verbeterd door middel van grote pixelontwerpen (zoals pixelgroottes van meer dan 3 μm) en geavanceerde micro-lensarray-technologie. Sommige high-end CMOS-sensoren hebben zelfs een quantum-efficiëntie (QE) bereikt die verder gaat dan CCD door middel van back-illuminated technologie, waardoor een fotonconversie-efficiëntie van meer dan 95% wordt bereikt bij specifieke golflengten.

2.5 Productiekosten en economische overwegingen

Op het gebied van kostenstructuur heeft CMOS een overweldigend voordeel. CMOS-sensoren gebruiken hetzelfde productieproces als standaard halfgeleider geïntegreerde circuits en kunnen in massa worden geproduceerd in waferfabrieken die computerchips en opslagapparaten produceren. Deze procescompatibiliteit vermindert de eenheidskosten aanzienlijk. Tegelijkertijd stelt de hoge integratie van CMOS cameraproducenten in staat om "chip level camera's" te ontwikkelen - het integreren van sensoren, processors en interfacecircuits op een enkele chip, waardoor het montageproces en de vereisten voor randcircuits verder worden vereenvoudigd.
In tegenstelling hiermee is het productieproces van CCD uniek en complex, waarbij alleen Sony en DALSA, Panasonic en een paar andere fabrikanten productiecapaciteit hebben. Het ladingsoverdrachtsmechanisme is extreem gevoelig voor fabricagefouten: een enkele pixelfout kan resulteren in het onvermogen om de hele rij gegevens over te dragen, waardoor de opbrengst aanzienlijk wordt verminderd. Bovendien vereisen CCD-camera's extra ondersteunende circuits (waaronder timingcontrollers, analoog-naar-digitaal converters en signaalprocessors), die gezamenlijk de prijs van het eindproduct opdrijven, waardoor de kosten van CCD industriële camera's doorgaans 1,5 tot 3 keer die van CMOS-camera's met dezelfde specificaties bedragen.