Відмінності між CMOS і CCD

Для належної роботи будь-якого дизайну для зображень, комп’ютерного зору та фотоніки потрібен певний тип оптичної збірки та датчика. Ваша наступна оптична система включатиме широкий спектр оптичних компонентів, а датчики зображення є мостом між оптичним і електронним світами.

 

Розумний вибір датчика вимагає врахування низки факторів. Деякі з цих факторів стосуються часу відгуку, форм-фактора, роздільної здатності та застосування. Вибір між сенсором CCD чи CMOS може бути важким, але він визначатиме, наскільки швидко ваша система може розрізняти зображення, уникаючи насиченості. Якщо вам потрібно працювати за межами видимого діапазону, вам потрібно буде розглянути альтернативні матеріали Si для ефективного зображення. У деяких додатках може мати сенс працювати з фотодіодною матрицею. Ось що вам потрібно знати про ці різні типи датчиків і як вибрати правильний компонент для вашої програми.

 

 

Активний матеріал, який використовується у вашому датчику, визначатиме чутливий діапазон довжин хвиль, втрати в хвилі смуги та температурну чутливість. Ви можете працювати в інфрачервоному, видимому або ультрафіолетовому діапазонах, залежно від вашої програми. Для систем камер вам потрібна чутливість у всьому видимому діапазоні, якщо ви не працюєте з тепловізійною системою. Для спеціалізованих застосувань зображень, таких як флуоресцентне зображення, ви можете працювати в будь-якому діапазоні від ІЧ до УФ.

 

Деякі активні матеріали все ще знаходяться на стадії дослідження, а деякі вже доступні як комерційні компоненти. Якщо ви порівнюєте компоненти датчика CCD і CMOS, активний матеріал є хорошим місцем для початку під час вибору потенційних датчиків.

• Si:Це найпоширеніший матеріал, який використовується в датчиках зображення. Його непряма ширина забороненої зони 1,1 еВ (~1100 нм край поглинання) робить його найкращим для видимого та ближнього інфрачервоного діапазонів.
• InGaAs:Цей матеріал III-V забезпечує виявлення ІЧ-променів до ~2600 нм. Його низька ємність переходу<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:Цей матеріал менш поширений у камерах і датчиках ПЗЗ через його вищу вартість, ніж кремній, а повністю Ge та SiGe CMOS-сенсори все ще є гарячою темою для досліджень.

Датчики CCD (пристрої із зарядовим зв’язком), які колись вважалися золотим стандартом продуктивності машинного зору, припиняються на користь сучасних датчиків зображення CMOS (комплементарний металооксидний напівпровідник) у багатьох додатках. Чому це так і як дізнатися, який тип датчика підходить для вашого проекту?

 

Ось спрощене пояснення того, як працюють технології:

 

Датчики зображень ПЗС і КМОП перетворюють світло в електрони, захоплюючи світлові фотони за допомогою тисяч або мільйонів світловловлюючих ям, які називаються фотосайтами. Коли робиться зображення, фотозони відкриваються, щоб зібрати фотони та зберегти їх як електричний сигнал.

 

Наступним кроком є ​​кількісне визначення накопиченого заряду кожного фотосайту на зображенні. Ось де технології починають відрізнятися: у пристрої CCD заряд транспортується через чіп і зчитується в одному куті масиву, а аналого-цифровий перетворювач перетворює заряд кожного фотосайту в цифрове значення.

 

 

У більшості пристроїв CMOS, з іншого боку, є кілька транзисторів на кожному фотосайті, які підсилюють і переміщують заряд за допомогою більш традиційних проводів. Це робить датчик більш гнучким для різних застосувань, оскільки кожен фотосайт можна зчитувати окремо.

 

Спеціальний виробничий процес дає ПЗЗ-пристроям здатність транспортувати заряди через чіп без спотворень, що призводить до високоякісних високочутливих датчиків. У мікросхемах CMOS використовуються більш звичайні (і дешевші) процеси виробництва.

 

Усе це призводить до кількох основних відмінностей між сенсорами CMOS і CCD:

• Сенсори CCD створюють високоякісні зображення з низьким рівнем шуму. Сенсори CMOS зазвичай більш чутливі до шуму.
• Оскільки кожен фотосайт на датчику CMOS має кілька транзисторів, розташованих поруч, світлочутливість чіпа CMOS має тенденцію бути нижчою, оскільки багато фотонів потрапляють на транзистори, а не на фотосайт.
• Датчики CCD споживають у 100 разів більше енергії, ніж еквівалентні датчики CMOS.
• Сенсори CMOS можна виготовляти на більшості стандартних виробничих ліній кремнію, тому вони недорогі у виробництві порівняно з датчиками CCD.

Загалом, датчики CMOS набагато дешевші у виробництві, ніж датчики CCD, і швидко покращують продуктивність, але датчики CCD все ще можуть знадобитися для деяких вимогливих застосувань.