Dalla conversione fotoelettrica alla generazione di immagini: differenze essenziali nei principi dell'imaging

In molti scenari di applicazione dell'automazione industriale, della visione artificiale e della ricerca scientifica, le fotocamere industriali, come attrezzature di base per l'acquisizione di informazioni d'immagine,influenzare direttamente l'accuratezza e l'affidabilità dell'intero sistema in termini di prestazioniIl componente centrale che determina le prestazioni delle fotocamere industriali è il sensore di immagine.tra cui CCD (Charge Coupled Device) e CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) sono le due principali vie tecnologicheSebbene entrambi siano basati sullo stesso principio di conversione fotoelettrica, che utilizza l'effetto fotoelettrico dei materiali semiconduttori per convertire i fotoni in elettroni,vi sono differenze fondamentali nei metodi di elaborazione e trasmissione del segnale.

Il concetto di progettazione dei sensori CCD è quello di elaborare centralmente i segnali fotoelettrici: quando la luce risplende sulla matrice di pixel, ogni pixel genera un pacchetto di carica proporzionale all'intensità della luce.Questi pacchetti di carica richiedono un processo di trasferimento complesso sotto un preciso controllo dell' impulso del clock, le cariche dei pixel vengono spostate riga per riga verso un singolo nodo di uscita (o un numero molto piccolo di nodi di uscita) al bordo del chip,quando vengono eseguite la conversione di carica in tensione e l'amplificazione del segnaleQuesta progettazione garantisce che tutti i segnali pixel passino attraverso lo stesso percorso del segnale, garantendo un elevato grado di coerenza nell'uscita del segnale.

Invece, i sensori CMOS adottano un'architettura innovativa di elaborazione distribuita.ma integra anche amplificatori in miniatura indipendenti e circuiti di conversione analogico-digitaleQuesta progettazione consente a ciascun pixel di convertire le cariche in segnali di tensione in loco e di leggerli direttamente attraverso una rete di fili a riga e a colonna che si intersecano.Anche se questa struttura migliora notevolmente la velocità di lettura e riduce il consumo di energia, le differenze di prestazioni tra milioni di amplificatori in miniatura provocano inevitabilmente problemi di coerenza del segnale.
Questa differenza fondamentale nella trasmissione del segnale ha portato a una serie di differenze di prestazioni tra le due tecnologie nelle applicazioni di telecamere industriali. 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.

Confronto di cinque fattori fondamentali di prestazione: rumore, consumo di energia, risoluzione, sensibilità e costo

2.1 Prestazioni acustiche e qualità dell'immagine

I sensori CCD hanno il vantaggio di controllare il rumore grazie all'elaborazione centralizzata del segnale.si evitano differenze di amplificazione tra pixelQuesta progettazione, combinata con la matura tecnologia di giunzione PN o di isolamento a strato di biossido di silicio, riduce efficacemente la generazione di rumore a modello fisso.fornendo così un'uscita più pura e coerente nella qualità delle immaginiSoprattutto in condizioni di esposizione prolungata o di scarsa luminosità, i sensori CCD possono comunque mantenere bassi livelli di rumore, rendendoli molto preferiti nelle misurazioni di precisione e nelle applicazioni di imaging a scarsa luminosità.
Al contrario, ogni pixel di un sensore CMOS è dotato di un amplificatore di segnale indipendente.le piccole differenze di prestazioni tra milioni di amplificatori si traducono in rumori fissiQuesto rumore si manifesta come interferenze fisse sull'immagine, specialmente in scene uniformemente illuminate.Le moderne telecamere CMOS di grado industriale hanno migliorato significativamente questo problema attraverso il doppio campionamento correlato (CDS) e gli algoritmi di correzione digitale, e alcuni prodotti di fascia alta si sono avvicinati o addirittura raggiunti il livello di qualità dell'immagine del CCD.

2.2 Differenze tra efficienza energetica e consumo di energia

In termini di consumo di energia, il CMOS presenta vantaggi significativi.in cui la carica generata dal diodo fotosensibile è amplificata direttamente e emessa dal transistor adiacenteL'intero sensore richiede solo una singola fonte di alimentazione e il consumo tipico di energia è solo da 1/8 a 1/10 di CCD simili.Questa caratteristica rende il CMOS la scelta preferita per applicazioni sensibili all'energia come dispositivi portatili, sistemi incorporati e array multicamera.
L'elevato consumo di energia del CCD è dovuto al suo meccanismo di trasferimento passivo di carica.Richiede tre serie di alimentatori con diverse tensioni (di solito 12-18V) e un circuito complesso di controllo dell'orologio per guidare il trasferimento di caricaQuesto non solo aumenta la complessità della progettazione dell'alimentazione, ma comporta anche problemi di dissipazione del calore - quando si lavora ad alta risoluzione o a alta frequenza di fotogrammi,l'aumento della temperatura del CCD aumenterà ulteriormente il rumore termicoPertanto, i sistemi industriali che utilizzano telecamere CCD richiedono spesso dispositivi di dissipazione del calore aggiuntivi.

2.3 Risoluzione e design dei pixel

Quando si confrontano sensori della stessa dimensione, il CCD fornisce in genere una risoluzione più elevata.quasi l'intera area dei pixel può essere utilizzata per la fotosensibilità, e la percentuale di area fotosensibile (fattore di riempimento) può raggiungere oltre il 95%.che riducono l'area fotosensibile effettiva in queste "regioni non fotosensibili"Ad esempio, per i sensori con una specifica di 1/1,8 pollici, il CCD può raggiungere una risoluzione di 1628 × 1236 (4,40 μm di pixel), mentre il CMOS ha in genere una risoluzione di 1280 × 1024 (5,2 μm di pixel).
Tuttavia, la tecnologia CMOS sta gradualmente riducendo questo divario attraverso disegni retroilluminati (BSI) e impilati.CMOS retroilluminato utilizza un flip chip per dirigere la luce sulla zona fotosensibile dalla parte posteriore, ignorando lo strato di circuito anteriore e migliorando significativamente il fattore di riempimento.Il CMOS impilato separa e produce lo strato fotosensibile dallo strato del circuito di elaborazione prima del collegamentoQueste innovazioni consentono alle moderne fotocamere industriali CMOS di fascia alta di fornire risoluzioni superiori a 20 milioni di pixel.soddisfare la stragrande maggioranza delle esigenze di ispezione industriale.

2.4 Sensibilità alla luce e prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione

In termini di sensibilità, i sensori CCD mantengono i loro vantaggi tradizionali.fornire prestazioni migliori del rapporto segnale/rumoreI dati di prova mostrano che l'occhio umano può riconoscere oggetti sotto una luce di 1 lux (equivalente a una notte di luna piena), e la gamma di sensibilità del CCD è di 0,1-3 lux.mentre i CMOS tradizionali richiedono un'illuminazione di 6-15Lux per funzionare efficacemente - ciò significa che in ambienti a scarsa luminosità inferiori a 10Lux, i tradizionali CMOS difficilmente possono catturare immagini utilizzabili.
Questa differenza è particolarmente critica in applicazioni speciali come gli endoscopi industriali, il monitoraggio della visione notturna e le osservazioni astronomiche.Il moderno CMOS ha migliorato significativamente le prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione attraverso disegni di pixel di grandi dimensioni (come le dimensioni dei pixel superiori a 3 μ m) e una tecnologia avanzata di array di micro lentiAlcuni sensori CMOS di fascia alta hanno anche raggiunto un'efficienza quantistica (QE) superiore al CCD attraverso la tecnologia retroilluminata, raggiungendo un'efficienza di conversione dei fotoni superiore al 95% a lunghezze d'onda specifiche.

2.5 Costi di produzione e considerazioni economiche

In termini di struttura dei costi, CMOS ha un vantaggio schiacciante.I sensori CMOS utilizzano lo stesso processo di produzione dei circuiti integrati a semiconduttori standard e possono essere prodotti in serie in fabbriche di wafer che producono chip per computer e dispositivi di archiviazioneQuesta compatibilità di processo riduce significativamente i costi unitari. Allo stesso tempo, l'elevata integrazione del CMOS consente ai produttori di fotocamere di sviluppare "camere a livello di chip" - che integrano sensori,macchine di trattamento, e circuiti di interfaccia su un singolo chip, semplificando ulteriormente il processo di assemblaggio e i requisiti dei circuiti periferici.
Al contrario, il processo di fabbricazione del CCD è unico e complesso: solo Sony e DALSA, Panasonic e alcuni altri produttori hanno capacità produttiva.Il suo meccanismo di trasferimento di carica è estremamente sensibile ai difetti di fabbricazione: un singolo errore di pixel può comportare l'impossibilità di trasmettere l'intera riga di dati, riducendo significativamente il rendimento.Le telecamere CCD richiedono circuiti di supporto aggiuntivi (compresi i controllori di tempo), convertitori analogico-digitale e processori di segnale), che insieme aumentano il prezzo del prodotto finale, rendendo il costo delle fotocamere industriali CCD tipicamente di 1.Da 5 a 3 volte quella delle fotocamere CMOS delle stesse specifiche.