Van foto-elektrische omzetting naar beeldgeneratie: essentiële verschillen in beeldvorming

In veel toepassingsscenario's van industriële automatisering, machine vision en wetenschappelijk onderzoek zijn industriële camera's de kernapparatuur voor het verkrijgen van beeldinformatie.rechtstreeks van invloed zijn op de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van het gehele systeem in termen van prestatiesDe 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 technologieën zijnHoewel beide gebaseerd zijn op hetzelfde principe van foto-elektrische omzetting, dat gebruikmaakt van het foto-elektrische effect van halfgeleidermaterialen om fotonen om te zetten in elektronen,er zijn fundamentele verschillen in de signalenverwerkings- en transmissiemethoden.

Het ontwerpconcept van CCD-sensoren is om foto-elektrische signalen centraal te verwerken: wanneer licht schijnt op de pixelmatrix, genereert elke pixel een ladingspakket dat evenredig is met de lichtintensiteit.Deze ladingspakketten vereisen een complex overdrachtsproces - onder nauwkeurige klokpulscontrole, worden pixelladingen lijn voor lijn verschoven naar een enkele uitgangsnood (of een zeer klein aantal uitgangsnoodjes) aan de rand van de chip,waarbij lading-spanningsomzetting en signaalversterking worden uitgevoerdDit ontwerp zorgt ervoor dat alle pixelsignalen door hetzelfde signaalpad gaan en zorgt voor een hoge mate van consistentie in het signaaluitgang.

In tegenstelling hiertoe hanteren CMOS-sensoren een innovatieve architectuur van gedistribueerde verwerking.maar integreert ook onafhankelijke miniatuurversterkers en analoog-digitale conversie circuitsDit ontwerp stelt elke pixel in staat om ladingen ter plaatse om te zetten in spanningssignalen en deze rechtstreeks te lezen via een netwerk van kruisende rijen- en kolomdraden.Hoewel deze structuur de leessnelheid aanzienlijk verbetert en het stroomverbruik vermindert, veroorzaken de prestatieverschillen tussen miljoenen miniatuurversterkers onvermijdelijk problemen met de consistentie van het signaal.
Dit fundamentele verschil in signaaloverdracht heeft geleid tot een reeks prestatieverschillen tussen de twee technologieën in industriële cameratoepassingen. 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.

Vergelijking van vijf kernprestatiefactoren: lawaai, stroomverbruik, resolutie, gevoeligheid en kosten2.1 Geluidsprestaties en beeldkwaliteit

CCD-sensoren hebben het voordeel van geluidsbeheersing door middel van gecentraliseerde signaalverwerking.Versterkingsverschillen tussen pixels worden vermedenDit ontwerp, gecombineerd met de volwassen technologie van de PN-koppeling of van de siliciumdioxide-isolatielaag, vermindert effectief de generatie van geluid met vaste patronen.Hierdoor wordt een zuivere en consistenter beeldkwaliteit bereiktVooral onder lange blootstelling of lage lichtomstandigheden kunnen CCD-sensoren nog steeds een laag geluidsniveau behouden, waardoor ze zeer gunstig zijn voor nauwkeurige metingen en beeldvorming bij weinig licht.
In tegenstelling hiertoe is elke pixel van een CMOS-sensor uitgerust met een onafhankelijke signaalversterker.De kleine prestatieverschillen tussen miljoenen versterkers resulteren in vaste geluidspatronen.Dit geluid manifesteert zich als vaste patrooninterferentie op het beeld, vooral in gelijkmatig verlichte scènes.Moderne industriële CMOS-camera's hebben dit probleem aanzienlijk verbeterd door middel van gecorreleerde dubbele bemonstering (CDS) en digitale correctiealgoritmen, en sommige high-end producten hebben het beeldkwaliteitsniveau van CCD benaderd of zelfs bereikt.

2.2 Verschillen in energie-efficiëntie en energieverbruik

In termen van stroomverbruik heeft CMOS aanzienlijke voordelen.waarbij de door de lichtgevoelige diode gegenereerde lading rechtstreeks wordt versterkt en door de aangrenzende transistor wordt uitgebrachtDe gehele sensor heeft slechts een enkele voedingsbron nodig en het typische stroomverbruik is slechts 1/8 tot 1/10 van vergelijkbare CCD's.Deze eigenschap maakt CMOS de voorkeur keuze voor energiegevoelige toepassingen zoals draagbare apparaten, ingebouwde systemen, en multi camera arrays.
Het hoge stroomverbruik van CCD is te wijten aan het passieve ladingoverdrachtmechanisme.Het vereist drie sets van stroomvoorzieningen met verschillende spanningen (meestal 12-18V) en een complexe klokbesturingscircuit om de schakeling overdracht van ladingen te besturenDit verhoogt niet alleen de complexiteit van het ontwerp van de stroomvoorziening, maar brengt ook problemen met warmteafvoer met zich mee - bij het werken met hoge resolutie of hoge framerate,de temperatuurverhoging van CCD zal het thermisch lawaai verder verhogenDaarom vereisen industriële systemen die CCD-camera's gebruiken vaak extra warmteafvoeringsapparaten.

2.3 Resolutie en pixelontwerp

Bij het vergelijken van sensoren van dezelfde grootte geeft CCD meestal een hogere resolutie.Bijna het gehele pixelgebied kan worden gebruikt voor lichtgevoelig, en het aandeel van lichtgevoelig gebied (vulfactor) kan meer dan 95% bereiken.die het effectieve lichtgevoelige gebied in deze "niet-lichtgevoelige gebieden" verminderenVoor sensoren met een specificatie van 1/1,8 inch kan CCD bijvoorbeeld een resolutie bereiken van 1628 × 1236 (4,40 μm pixels), terwijl CMOS meestal een resolutie heeft van 1280 × 1024 (5,2 μm pixels).
CMOS-technologie verkleint deze kloof echter geleidelijk door middel van achteruitverlichting (BSI) en gestapelde ontwerpen.Achteruit verlichte CMOS gebruikt een flipchip om licht van achteren op het lichtgevoelige gebied te richten, waarbij de circuitlaag aan de voorzijde wordt omzeild en de vulfactor aanzienlijk wordt verbeterd.Stapelde CMOS scheidt en produceert de lichtgevoelige laag van de verwerkingscircuitlaag voor bindingDeze innovaties stellen moderne high-end CMOS-industriële camera's in staat tot een resolutie van meer dan 20 miljoen pixels.de overgrote meerderheid van de industriële inspectiebehoeften.

2.4 Lichtgevoeligheid en lage lichtprestaties

In termen van gevoeligheid behouden CCD-sensoren hun traditionele voordelen. Vanwege het grotere effectieve lichtgevoelige gebied binnen de pixel kan CCD meer fotonen vangen in lichtarme omgevingen.een betere signaal-geluidsverhoudingTestgegevens tonen aan dat het menselijk oog objecten kan herkennen bij een verlichting van 1 lux (equivalent aan een volle maannacht) en dat het gevoeligheidsspectrum van CCD 0,1-3 lux bedraagt.In de traditionele CMOS-systemen is 6-15Lux nodig om effectief te werken., kunnen traditionele CMOS-systemen nauwelijks bruikbare beelden vastleggen.
Dit verschil is met name van cruciaal belang voor speciale toepassingen zoals industriële endoscopen, nachtzichtbewaking en astronomische waarnemingen.moderne CMOS heeft de prestaties bij weinig licht aanzienlijk verbeterd door middel van grote pixelontwerpen (zoals pixelgroottes boven 3 μ m) en geavanceerde micro lens array technologieSommige high-end CMOS-sensoren hebben zelfs kwantum efficiëntie (QE) bereikt die verder gaat dan CCD door middel van achteruitgelichtte technologie, waardoor een fotonconversie-efficiëntie van meer dan 95% wordt bereikt bij specifieke golflengten.

2.5 Productiekosten en economische overwegingen

Wat de kostenstructuur betreft, heeft CMOS een overweldigend voordeel.CMOS-sensoren gebruiken hetzelfde productieproces als standaard halfgeleider-geïntegreerde schakelingen en kunnen in massa worden geproduceerd in waferfabrieken die computerchips en opslagapparaten producerenDeze procescompatibiliteit vermindert de eenheidskosten aanzienlijk. Tegelijkertijd stelt de hoge integratie van CMOS camerafabrikanten in staat "chipniveaucamera's" te ontwikkelen - die sensoren integreren,verwerkers, en interface circuits op één chip, waardoor het assemblageproces en de vereisten voor perifere circuits verder worden vereenvoudigd.
Het productieproces van CCD daarentegen is uniek en complex, waarbij alleen Sony en DALSA, Panasonic en een paar andere fabrikanten over productiecapaciteit beschikken.Het ladingsoverdrachtmechanisme is zeer gevoelig voor fabricagefouten.: een enkele storing van een pixel kan ertoe leiden dat de volledige gegevensreeks niet kan worden verzonden, waardoor de rendementgraad aanzienlijk wordt verminderd.CCD-camera's vereisen extra ondersteunende schakelingen (inclusief timing controllers), analoge-digitale omzetters en signaalprocessors), die gezamenlijk de prijs van het eindproduct doen stijgen, waardoor de kosten van industriële CCD-camera's doorgaans5 tot 3 keer zo groot als CMOS-camera's van dezelfde specificaties.