Da conversão fotoelétrica à geração de imagens: diferenças essenciais nos princípios de imagem

Em muitos cenários de aplicação de automação industrial, visão de máquina e pesquisa científica, as câmeras industriais, como o equipamento principal para aquisição de informações de imagem,Afetar diretamente a precisão e a fiabilidade de todo o sistema em termos de desempenhoO componente central que determina o desempenho das câmaras industriais é o sensor de imagem,Dentre as quais o CCD (Charge Coupled Device) e o CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) são as duas principais vias tecnológicasEmbora ambos se baseiem no mesmo princípio de conversão fotoelétrica, que utiliza o efeito fotoelétrico de materiais semicondutores para converter fótons em elétrons,existem diferenças fundamentais nos métodos de processamento e transmissão de sinais.

O conceito de projeto dos sensores CCD é processar centralmente sinais fotoelétricos: quando a luz brilha na matriz de pixels, cada pixel gera um pacote de carga proporcional à intensidade da luz.Estes pacotes de carga exigem um processo de transferência complexo - sob controle preciso do pulso do relógio, as cargas de pixels são deslocadas linha por linha para um único nó de saída (ou um número muito pequeno de nós de saída) na borda do chip,em que são realizadas a conversão de carga em tensão e a amplificação do sinalEsta concepção garante que todos os sinais de pixels passam pelo mesmo caminho de sinal, garantindo um elevado grau de consistência na saída de sinal.

Em contraste, os sensores CMOS adotam uma arquitetura inovadora de processamento distribuído.mas também integra amplificadores em miniatura independentes e circuitos de conversão analógico-digitalEsta concepção permite que cada pixel converta as cargas em sinais de tensão no local e as leia directamente através de uma rede de fios de linha e de coluna que se cruzam.Embora esta estrutura melhore muito a velocidade de leitura e reduza o consumo de energia, as diferenças de desempenho entre milhões de amplificadores em miniatura provocam inevitavelmente problemas de consistência do sinal.
Esta diferença fundamental na transmissão do sinal levou a uma série de diferenças de desempenho entre as duas tecnologias em aplicações de câmeras industriais. 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.

Comparação de cinco principais fatores de desempenho: ruído, consumo de energia, resolução, sensibilidade e custo

2.1 Performance sonora e qualidade da imagem

Os sensores CCD têm a vantagem de controle de ruído devido ao processamento centralizado do sinal.Diferenças de amplificação entre pixels são evitadasEsta concepção, combinada com a tecnologia de junção PN madura ou de camada de isolamento de dióxido de silício, reduz efetivamente a geração de ruído de padrão fixo.proporcionando assim uma saída mais pura e mais consistente na qualidade da imagemEspecialmente sob exposição prolongada ou condições de pouca luz, os sensores CCD ainda podem manter baixos níveis de ruído, tornando-os altamente favorecidos em medições de precisão e aplicações de imagem com pouca luz.
Em contraste, cada pixel de um sensor CMOS é equipado com um amplificador de sinal independente.As pequenas diferenças de desempenho entre milhões de amplificadores resultam em ruído de padrão fixoEste ruído manifesta-se como interferência de padrão fixo na imagem, especialmente em cenas uniformemente iluminadas.As modernas câmeras CMOS de nível industrial melhoraram significativamente este problema através de dupla amostragem correlacionada (CDS) e algoritmos de correção digital, e alguns produtos de ponta se aproximaram ou atingiram o nível de qualidade de imagem do CCD.

2.2 Diferenças entre a eficiência energética e o consumo de energia

Em termos de consumo de energia, o CMOS apresenta vantagens significativas.onde a carga gerada pelo diodo fotossensível é directamente amplificada e emitida pelo transistor adjacenteO sensor inteiro requer apenas uma única fonte de alimentação, e o consumo de energia típico é de apenas 1/8 a 1/10 dos CCDs semelhantes.Esta característica torna o CMOS a escolha preferida para aplicações sensíveis à energia, como dispositivos portáteis, sistemas embutidos e conjuntos de câmaras múltiplas.
O alto consumo de energia do CCD é devido ao seu mecanismo de transferência de carga passiva.Requer três conjuntos de fontes de alimentação com tensões diferentes (geralmente 12-18V) e um circuito de controle de relógio complexo para conduzir a transferência de mudança de cargasIsto não só aumenta a complexidade do projeto da fonte de alimentação, mas também traz problemas de dissipação de calor - quando trabalha em alta resolução ou alta taxa de quadros,O aumento da temperatura do CCD aumentará ainda mais o ruído térmicoPor conseguinte, os sistemas industriais que utilizam câmaras CCD requerem frequentemente dispositivos adicionais de dissipação de calor.

2.3 Resolução e conceção dos pixels

Ao comparar sensores do mesmo tamanho, o CCD normalmente fornece uma resolução mais alta.Quase toda a área do pixel pode ser usada para fotossensibilidade, e a proporção de área fotossensível (fator de preenchimento) pode chegar a mais de 95%. E cada pixel no CMOS requer a integração de transistores e componentes de circuito adicionais,que reduzem a área fotossensível efetiva nestas "regiões não fotossensíveis";Por exemplo, para sensores com uma especificação de 1/1,8 polegada, o CCD pode atingir uma resolução de 1628 × 1236 (4,40 μm de pixels), enquanto o CMOS normalmente tem uma resolução de 1280 × 1024 (5,2 μm de pixels).
No entanto, a tecnologia CMOS está reduzindo gradualmente essa lacuna através de projetos iluminados por trás (BSI) e empilhados.CMOS iluminado por trás usa um flip chip para direcionar a luz para a área fotossensível da parte de trás, contornando a camada de circuito na frente e melhorando significativamente o fator de enchimento.CMOS empilhados separa e fabrica a camada fotossensível da camada do circuito de processamento antes da ligaçãoEstas inovações permitem que as modernas câmaras industriais CMOS de ponta possam fornecer resoluções superiores a 20 milhões de pixels,satisfazer a grande maioria das necessidades de inspecção industrial.

2.4 Sensibilidade à luz e desempenho com pouca luz

Em termos de sensibilidade, os sensores CCD mantêm as suas vantagens tradicionais.proporcionando um melhor desempenho da relação sinal/ruídoOs dados dos ensaios mostram que o olho humano pode reconhecer objetos sob iluminação de 1 Lux (equivalente a uma noite de lua cheia), e a faixa de sensibilidade do CCD é de 0,1-3 Lux,enquanto o CMOS tradicional requer uma iluminação de 6-15Lux para funcionar eficazmente - isto significa que em ambientes de pouca luz abaixo de 10Lux, os CMOS tradicionais dificilmente conseguem capturar imagens utilizáveis.
Esta diferença é particularmente crítica em aplicações especiais como endoscópios industriais, monitorização da visão noturna e observações astronómicas.O CMOS moderno melhorou significativamente o desempenho em baixa luz através de grandes desenhos de pixels (como tamanhos de pixels acima de 3 μ m) e tecnologia avançada de matriz de microlentesAlguns sensores CMOS de ponta conseguiram até mesmo uma eficiência quântica (QE) além do CCD através da tecnologia de iluminação traseira, alcançando uma eficiência de conversão de fótons superior a 95% em comprimentos de onda específicos.

2.5 Custos de fabrico e considerações económicas

Em termos de estrutura de custos, o CMOS tem uma vantagem esmagadora.Os sensores CMOS usam o mesmo processo de fabricação que os circuitos integrados de semicondutores padrão e podem ser produzidos em massa em fábricas de wafer que produzem chips de computador e dispositivos de armazenamentoA compatibilidade deste processo reduz significativamente os custos unitários. Ao mesmo tempo, a elevada integração do CMOS permite aos fabricantes de câmaras desenvolver "câmaras de nível de chip" - integrando sensores,Processadores, e circuitos de interface em um único chip, simplificando ainda mais o processo de montagem e os requisitos de circuitos periféricos.
Em contrapartida, o processo de fabrico do CCD é único e complexo, sendo que apenas a Sony e a DALSA, a Panasonic e alguns outros fabricantes têm capacidade de produção.O seu mecanismo de transferência de carga é extremamente sensível a defeitos de fabrico: uma falha de um único pixel pode resultar na impossibilidade de transmitir toda a linha de dados, reduzindo significativamente a taxa de rendimento.As câmaras CCD requerem circuitos de apoio adicionais (incluindo controladores de tempo), conversores analógicos para digitais e processadores de sinal), que, coletivamente, elevam o preço do produto final, tornando o custo das câmeras industriais CCD tipicamente de 1.5 a 3 vezes a das câmaras CMOS das mesmas especificações.