Различия между CMOS и CCD

Любой дизайн для приложений обработки изображений, компьютерного зрения и фотоники потребует определенного типа оптической сборки и датчика для правильной работы. Ваша следующая оптическая система будет включать в себя широкий спектр оптических компонентов, а датчики изображения — это мост между оптическим и электронным миром.

 

Разумный выбор датчика требует учета ряда факторов. Некоторые из этих факторов относятся ко времени отклика, форм-фактору, разрешению и применению. Выбор между датчиком CCD и датчиком CMOS может быть трудным, но он определит, насколько быстро ваша система сможет разрешать изображения, избегая при этом насыщения. Если вам нужно работать за пределами видимого диапазона, вам нужно будет рассмотреть альтернативные материалы для Si для эффективной визуализации. В некоторых приложениях может иметь смысл работать с фотодиодной матрицей. Вот что вам нужно знать об этих различных типах датчиков и о том, как выбрать правильный компонент для вашего приложения.

 

 

Активный материал, используемый в вашем датчике, будет определять чувствительный диапазон длин волн, потери на хвосте полосы и температурную чувствительность. Вы можете работать в инфракрасном, видимом или ультрафиолетовом диапазонах, в зависимости от вашего приложения. Для систем камер вам понадобится чувствительность во всем видимом диапазоне, если только вы не работаете с тепловизионной системой. Для специализированных приложений визуализации, таких как флуоресцентная визуализация, вы можете работать в любом диапазоне от ИК до УФ.

 

Некоторые активные материалы все еще находятся на стадии исследований, а некоторые уже доступны в виде коммерческих компонентов. Если вы сравниваете компоненты датчиков CCD и CMOS, активный материал — это хорошее место для начала при выборе датчиков-кандидатов.

• Си:Это наиболее распространенный материал, используемый в датчиках изображения. Его непрямая ширина запрещенной зоны 1,1 эВ (край поглощения ~ 1100 нм) делает его наиболее подходящим для видимого и ближнего ИК-диапазонов.
• InGaAs:Этот материал III-V обеспечивает ИК-детектирование до ~ 2600 нм. Его низкая емкость перехода<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:Этот материал менее распространен в ПЗС-камерах и датчиках из-за его более высокой стоимости, чем Si, а КМОП-датчики, полностью изготовленные из Ge и SiGe, по-прежнему остаются горячей темой исследований.

Когда-то считавшиеся золотым стандартом производительности в машинном зрении, ПЗС-датчики (устройства с зарядовой связью) прекращаются в пользу современных КМОП-датчиков изображений (комплементарных металло-оксидных полупроводников) во многих приложениях. Почему это так и как узнать, какой тип датчика подходит для вашего проекта?

 

Вот упрощенное объяснение того, как работают технологии:

 

Датчики изображения CCD и CMOS преобразуют свет в электроны, улавливая световые фотоны тысячами или миллионами улавливающих свет лунок, называемых фотосайтами. Когда делается снимок, фотосайты открываются, чтобы собирать фотоны и сохранять их в виде электрического сигнала.

 

Следующим шагом является количественная оценка накопленного заряда каждого фотосайта на изображении. Вот где технологии начинают различаться: в ПЗС-устройстве заряд передается через чип и считывается с одного угла массива, а аналого-цифровой преобразователь превращает заряд каждого фотосайта в цифровое значение.

 

 

С другой стороны, в большинстве КМОП-устройств на каждом фотосайте есть несколько транзисторов, которые усиливают и перемещают заряд, используя более традиционные провода. Это делает датчик более гибким для различных приложений, поскольку каждый фотосайт можно считывать индивидуально.

 

Специальный производственный процесс дает ПЗС-устройствам возможность передавать заряды по кристаллу без искажений, что позволяет создавать высококачественные и высокочувствительные датчики. Чипы CMOS используют более традиционные (и более дешевые) производственные процессы.

 

Все это приводит к нескольким основным различиям между датчиками CMOS и CCD:

• ПЗС-сенсоры создают высококачественные изображения с низким уровнем шума. Датчики CMOS обычно более чувствительны к шуму.
• Поскольку каждый фотосайт на КМОП-датчике имеет несколько транзисторов, расположенных рядом с ним, светочувствительность КМОП-чипа имеет тенденцию быть ниже, поскольку многие фотоны попадают на транзисторы, а не на фотосайт.
• Датчики CCD потребляют в 100 раз больше энергии, чем эквивалентные датчики CMOS.
• КМОП-сенсоры можно производить на большинстве стандартных линий по производству кремния, поэтому они недороги в производстве по сравнению с ПЗС-сенсорами.

В целом, КМОП-сенсоры намного дешевле в производстве, чем ПЗС-сенсоры, и их производительность быстро улучшается, но ПЗС-сенсоры все еще могут потребоваться для некоторых требовательных приложений.