Dari konversi fotolistrik ke pembangkitan gambar: perbedaan penting dalam prinsip pencitraan

Dalam banyak skenario aplikasi otomatisasi industri, visi mesin, dan penelitian ilmiah, kamera industri, sebagai peralatan inti untuk memperoleh informasi gambar, secara langsung memengaruhi akurasi dan keandalan seluruh sistem dalam hal kinerjanya. Komponen inti yang menentukan kinerja kamera industri adalah sensor gambar, di antaranya CCD (Charge Coupled Device) dan CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) adalah dua jalur teknologi utama. Meskipun keduanya didasarkan pada prinsip yang sama dari konversi fotolistrik, yang memanfaatkan efek fotolistrik dari bahan semikonduktor untuk mengubah foton menjadi elektron, ada perbedaan mendasar dalam pemrosesan sinyal dan metode transmisi.

Konsep desain sensor CCD adalah untuk memproses sinyal fotolistrik secara terpusat: ketika cahaya bersinar pada larik piksel, setiap piksel menghasilkan paket muatan yang sebanding dengan intensitas cahaya. Paket muatan ini memerlukan proses transfer yang kompleks - di bawah kontrol pulsa jam yang tepat, muatan piksel digeser baris demi baris ke satu node keluaran (atau sejumlah kecil node keluaran) di tepi chip, di mana konversi muatan ke tegangan dan amplifikasi sinyal dilakukan. Desain ini memastikan bahwa semua sinyal piksel melewati jalur sinyal yang sama, memastikan tingkat konsistensi yang tinggi dalam keluaran sinyal.

Sebaliknya, sensor CMOS mengadopsi arsitektur inovatif dari pemrosesan terdistribusi. Pada chip CMOS, setiap piksel tidak hanya berisi fotodioda, tetapi juga mengintegrasikan penguat mini independen dan sirkuit konversi analog-ke-digital. Desain ini memungkinkan setiap piksel untuk mengubah muatan menjadi sinyal tegangan di tempat, dan membacanya secara langsung melalui jaringan kabel baris dan kolom yang berpotongan. Meskipun struktur ini sangat meningkatkan kecepatan baca dan mengurangi konsumsi daya, perbedaan kinerja antara jutaan penguat mini tak terhindarkan membawa masalah konsistensi sinyal.
Perbedaan mendasar dalam transmisi sinyal ini telah menyebabkan serangkaian perbedaan kinerja antara kedua teknologi dalam aplikasi kamera industri. Memahami perbedaan antara "pergeseran berurutan dan keluaran terpusat" CCD dan "konversi paralel dan pembacaan terdistribusi" CMOS adalah dasar untuk memahami semua perbedaan selanjutnya antara keduanya.

Perbandingan Lima Faktor Kinerja Inti: Kebisingan, Konsumsi Daya, Resolusi, Sensitivitas, dan Biaya

2.1 Kinerja Kebisingan dan Kualitas Gambar

Sensor CCD memiliki keunggulan dalam pengendalian kebisingan karena pemrosesan sinyal terpusat. Karena semua piksel berbagi penguat keluaran yang sama (atau sangat sedikit), perbedaan amplifikasi antar piksel dihindari. Desain ini, dikombinasikan dengan teknologi lapisan isolasi sambungan PN atau silikon dioksida yang matang, secara efektif mengurangi pembangkitan kebisingan pola tetap, sehingga memberikan keluaran yang lebih murni dan lebih konsisten dalam kualitas gambar. Terutama di bawah kondisi pencahayaan yang lama atau rendah, sensor CCD masih dapat mempertahankan tingkat kebisingan yang rendah, menjadikannya sangat disukai dalam pengukuran presisi dan aplikasi pencitraan cahaya rendah.
Sebaliknya, setiap piksel dari sensor CMOS dilengkapi dengan penguat sinyal independen. Meskipun desain ini meningkatkan kecepatan baca, perbedaan kinerja kecil antara jutaan penguat menghasilkan kebisingan pola tetap. Kebisingan ini terwujud sebagai gangguan pola tetap pada gambar, terutama dalam adegan yang diterangi secara seragam. Namun, dengan kemajuan teknologi CMOS, kamera CMOS kelas industri modern telah secara signifikan meningkatkan masalah ini melalui correlated double sampling (CDS) dan algoritma koreksi digital, dan beberapa produk kelas atas telah mendekati atau bahkan mencapai tingkat kualitas gambar CCD.

2.2 Efisiensi Energi dan Perbedaan Konsumsi Daya

Dalam hal konsumsi daya, CMOS menunjukkan keunggulan yang signifikan. CMOS mengadopsi metode akuisisi gambar aktif, di mana muatan yang dihasilkan oleh dioda fotosensitif secara langsung diperkuat dan dikeluarkan oleh transistor yang berdekatan. Seluruh sensor hanya memerlukan satu catu daya, dan konsumsi daya tipikal hanya 1/8 hingga 1/10 dari CCD serupa. Fitur ini menjadikan CMOS pilihan utama untuk aplikasi sensitif energi seperti perangkat portabel, sistem tertanam, dan larik multi kamera.
Konsumsi daya CCD yang tinggi disebabkan oleh mekanisme transfer muatan pasifnya. Ia membutuhkan tiga set catu daya dengan tegangan yang berbeda (biasanya 12-18V) dan sirkuit kontrol jam yang kompleks untuk menggerakkan transfer muatan. Hal ini tidak hanya meningkatkan kompleksitas desain catu daya, tetapi juga menimbulkan masalah pembuangan panas - ketika bekerja pada resolusi tinggi atau laju bingkai tinggi, kenaikan suhu CCD akan semakin meningkatkan kebisingan termal, membentuk lingkaran setan. Oleh karena itu, sistem industri yang menggunakan kamera CCD seringkali memerlukan perangkat pembuangan panas tambahan.

2.3 Resolusi dan Desain Piksel

Saat membandingkan sensor dengan ukuran yang sama, CCD biasanya memberikan resolusi yang lebih tinggi. Hal ini karena struktur piksel CCD relatif sederhana, hampir seluruh area piksel dapat digunakan untuk fotosensitif, dan proporsi area fotosensitif (faktor pengisian) dapat mencapai lebih dari 95%. Dan setiap piksel dalam CMOS memerlukan integrasi transistor tambahan dan komponen sirkuit, yang mengurangi area fotosensitif yang efektif di 'wilayah non-fotosensitif' ini. Misalnya, untuk sensor dengan spesifikasi 1/1,8 inci, CCD dapat mencapai resolusi 1628 × 1236 (piksel 4,40 μm), sedangkan CMOS biasanya memiliki resolusi 1280 × 1024 (piksel 5,2 μm).
Namun, teknologi CMOS secara bertahap mempersempit kesenjangan ini melalui desain back illuminated (BSI) dan bertumpuk. CMOS back illuminated menggunakan chip flip untuk mengarahkan cahaya ke area fotosensitif dari belakang, melewati lapisan sirkuit di bagian depan dan secara signifikan meningkatkan faktor pengisian. CMOS bertumpuk memisahkan dan memproduksi lapisan fotosensitif dari lapisan sirkuit pemrosesan sebelum pengikatan, lebih lanjut mengoptimalkan pemanfaatan ruang. Inovasi ini memungkinkan kamera industri CMOS kelas atas modern untuk memberikan resolusi lebih dari 20 juta piksel, memenuhi sebagian besar kebutuhan inspeksi industri.

2.4 Sensitivitas terhadap Cahaya dan Kinerja Cahaya Rendah

Dalam hal sensitivitas, sensor CCD mempertahankan keunggulan tradisionalnya. Karena area fotosensitif yang efektif lebih besar di dalam piksel, CCD dapat menangkap lebih banyak foton di lingkungan cahaya rendah, memberikan kinerja rasio sinyal-ke-kebisingan yang lebih baik. Data uji menunjukkan bahwa mata manusia dapat mengenali objek di bawah pencahayaan 1Lux (setara dengan malam bulan purnama), dan rentang sensitivitas CCD adalah 0,1-3Lux, sedangkan CMOS tradisional membutuhkan pencahayaan 6-15Lux untuk bekerja secara efektif - ini berarti bahwa di lingkungan cahaya rendah di bawah 10Lux, CMOS tradisional hampir tidak dapat menangkap gambar yang dapat digunakan.
Perbedaan ini sangat penting dalam aplikasi khusus seperti endoskopi industri, pemantauan penglihatan malam, dan pengamatan astronomi. Namun, CMOS modern telah secara signifikan meningkatkan kinerja cahaya rendah melalui desain piksel besar (seperti ukuran piksel di atas 3 μm) dan teknologi larik lensa mikro canggih. Beberapa sensor CMOS kelas atas bahkan telah mencapai efisiensi kuantum (QE) di luar CCD melalui teknologi back illuminated, mencapai efisiensi konversi foton lebih dari 95% pada panjang gelombang tertentu.

2.5 Biaya Manufaktur dan Pertimbangan Ekonomi

Dalam hal struktur biaya, CMOS memiliki keunggulan yang luar biasa. Sensor CMOS menggunakan proses manufaktur yang sama dengan sirkuit terpadu semikonduktor standar dan dapat diproduksi secara massal di pabrik wafer yang memproduksi chip komputer dan perangkat penyimpanan. Kompatibilitas proses ini secara signifikan mengurangi biaya satuan. Pada saat yang sama, integrasi CMOS yang tinggi memungkinkan produsen kamera untuk mengembangkan "kamera tingkat chip" - mengintegrasikan sensor, prosesor, dan sirkuit antarmuka pada satu chip, lebih lanjut menyederhanakan proses perakitan dan persyaratan sirkuit periferal.
Sebaliknya, proses manufaktur CCD unik dan kompleks, dengan hanya Sony dan DALSA, Panasonic dan beberapa produsen lain yang memiliki kapasitas produksi. Mekanisme transfer muatannya sangat sensitif terhadap cacat manufaktur: kegagalan satu piksel dapat mengakibatkan ketidakmampuan untuk mengirimkan seluruh baris data, secara signifikan mengurangi tingkat hasil. Selain itu, kamera CCD memerlukan sirkuit pendukung tambahan (termasuk pengontrol waktu, konverter analog-ke-digital, dan prosesor sinyal), yang secara kolektif menaikkan harga produk akhir, membuat biaya kamera industri CCD biasanya 1,5 hingga 3 kali lipat dari kamera CMOS dengan spesifikasi yang sama.