Dari konversi fotoelektrik ke pembuatan gambar: perbedaan penting dalam prinsip pencitraan

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

Konsep desain sensor CCD adalah untuk memproses sinyal fotoelektrik secara terpusat: ketika cahaya bersinar pada array piksel, setiap piksel menghasilkan paket muatan yang proporsional dengan intensitas cahaya.Paket muatan ini membutuhkan proses transfer yang kompleks - di bawah kontrol pulsa jam yang tepat, muatan piksel dipindahkan baris demi baris ke node output tunggal (atau sejumlah kecil node output) di tepi chip,dimana konversi muatan ke tegangan dan amplifikasi sinyal dilakukanDesain ini memastikan bahwa semua sinyal piksel melewati jalur sinyal yang sama, memastikan tingkat konsistensi tinggi dalam output sinyal.

Sebaliknya, sensor CMOS mengadopsi arsitektur inovatif pemrosesan terdistribusi.tapi juga mengintegrasikan amplifier miniatur independen dan analog-to-digital konversi sirkuitDesain ini memungkinkan setiap piksel untuk mengkonversi muatan ke sinyal tegangan di tempat, dan langsung membacanya melalui jaringan kabel baris dan kolom yang bersilang.Meskipun struktur ini sangat meningkatkan kecepatan membaca dan mengurangi konsumsi daya, perbedaan kinerja antara jutaan penguat miniatur pasti menimbulkan masalah konsistensi sinyal.
Perbedaan mendasar dalam transmisi sinyal ini telah menyebabkan serangkaian perbedaan kinerja antara kedua teknologi dalam aplikasi kamera industri. 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.

Perbandingan Lima Faktor Kinerja Utama: Kebisingan, Konsumsi Daya, Resolusi, Sensitivitas, dan Biaya2.1 Kinerja kebisingan dan kualitas gambar

Sensor CCD memiliki keunggulan pengendalian kebisingan karena pemrosesan sinyal terpusat.perbedaan amplifikasi antara piksel dihindariDesain ini, dikombinasikan dengan PN junction yang matang atau teknologi lapisan isolasi silikon dioksida, secara efektif mengurangi generasi suara pola tetap.sehingga memberikan output yang lebih murni dan lebih konsisten dalam kualitas gambarKhususnya di bawah paparan panjang atau kondisi cahaya rendah, sensor CCD masih dapat mempertahankan tingkat kebisingan yang rendah, membuat mereka sangat disukai dalam pengukuran presisi dan aplikasi pencitraan cahaya rendah.
Sebaliknya, setiap piksel dari sensor CMOS dilengkapi dengan amplifier sinyal independen.perbedaan kinerja kecil antara jutaan amplifier menghasilkan suara pola tetapKebisingan ini terwujud sebagai gangguan pola tetap pada gambar, terutama dalam adegan yang terang seragam.kamera CMOS kelas industri modern telah secara signifikan memperbaiki masalah ini melalui korelasi double sampling (CDS) dan algoritma koreksi digital, dan beberapa produk high-end telah mendekati atau bahkan mencapai tingkat kualitas gambar CCD.

2.2 Perbedaan Efisiensi Energi dan Konsumsi Daya

Dalam hal konsumsi daya, CMOS menunjukkan keuntungan yang signifikan.dimana muatan yang dihasilkan oleh dioda fotosensitif secara langsung diperkuat dan keluar oleh transistor yang berdekatanSeluruh sensor hanya membutuhkan satu catu daya, dan konsumsi daya yang khas hanya 1/8 sampai 1/10 dari CCD serupa.Fitur ini membuat CMOS pilihan yang disukai untuk aplikasi sensitif energi seperti perangkat portabel, sistem tertanam, dan array multi kamera.
Konsumsi daya tinggi dari CCD disebabkan oleh mekanisme transfer muatan pasifnya.Ini membutuhkan tiga set catu daya dengan tegangan yang berbeda (biasanya 12-18V) dan sirkuit kontrol jam yang kompleks untuk mendorong transfer shift muatanHal ini tidak hanya meningkatkan kompleksitas desain catu daya, tetapi juga menimbulkan masalah disipasi panas - ketika bekerja pada resolusi tinggi atau frame rate tinggi,kenaikan suhu CCD akan semakin meningkatkan suara termalOleh karena itu, sistem industri yang menggunakan kamera CCD sering membutuhkan perangkat disipasi panas tambahan.

2.3 Resolusi dan Desain Pixel

Ketika membandingkan sensor dengan ukuran yang sama, CCD biasanya memberikan resolusi yang lebih tinggi.hampir seluruh area piksel dapat digunakan untuk photosensitive, dan proporsi area fotosensitif (faktor pengisian) dapat mencapai lebih dari 95%. Dan setiap piksel di CMOS membutuhkan integrasi transistor tambahan dan komponen sirkuit,yang mengurangi area fotosensitif efektif di "daerah yang tidak sensitif terhadap cahaya" iniMisalnya, untuk sensor dengan spesifikasi 1/1.8 inci, CCD dapat mencapai resolusi 1628 × 1236 (4,40 μm piksel), sedangkan CMOS biasanya memiliki resolusi 1280 × 1024 (5,2 μm piksel).
Namun, teknologi CMOS secara bertahap mempersempit kesenjangan ini melalui desain bercahaya belakang (BSI) dan ditumpuk.CMOS lampu belakang menggunakan chip flip untuk mengarahkan cahaya ke daerah fotosensitif dari belakang, melewati lapisan sirkuit di bagian depan dan secara signifikan meningkatkan faktor pengisian.CMOS ditumpuk memisahkan dan memproduksi lapisan fotosensitif dari lapisan sirkuit pengolahan sebelum ikatanInovasi 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

Dari segi sensitivitas, sensor CCD mempertahankan keuntungan tradisional mereka. Karena luas fotosensitif efektif yang lebih besar di dalam piksel, CCD dapat menangkap lebih banyak foton di lingkungan cahaya rendah,memberikan kinerja rasio sinyal kebisingan yang lebih baikData 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 dalam lingkungan cahaya rendah di bawah 10Lux, CMOS tradisional hampir tidak dapat menangkap gambar yang dapat digunakan.
Perbedaan ini sangat penting dalam aplikasi khusus seperti endoskop industri, pemantauan penglihatan malam, dan pengamatan astronomi.CMOS modern telah secara signifikan meningkatkan kinerja cahaya rendah melalui desain piksel besar (seperti ukuran piksel di atas 3 μ m) dan teknologi array lensa mikro canggihBeberapa sensor CMOS kelas atas bahkan telah mencapai efisiensi kuantum (QE) di luar CCD melalui teknologi backlit, mencapai efisiensi konversi foton lebih dari 95% pada panjang gelombang tertentu.

2.5 Biaya Produksi dan Pertimbangan Ekonomi

Dalam hal struktur biaya, CMOS memiliki keuntungan besar.Sensor CMOS menggunakan proses manufaktur yang sama dengan sirkuit terintegrasi semikonduktor standar dan dapat diproduksi secara massal di pabrik wafer yang memproduksi chip komputer dan perangkat penyimpananKompatibilitas proses ini secara signifikan mengurangi biaya satuan. Pada saat yang sama, integrasi tinggi CMOS memungkinkan produsen kamera untuk mengembangkan "kamera tingkat chip" - mengintegrasikan sensor,prosesor, dan sirkuit antarmuka pada satu chip, lebih menyederhanakan proses perakitan dan persyaratan sirkuit periferal.
Sebaliknya, proses pembuatan CCD adalah unik dan kompleks, dengan hanya Sony dan DALSA, Panasonic dan beberapa produsen lainnya yang memiliki kapasitas produksi.Mekanisme transfer muatan sangat sensitif terhadap cacat manufaktur: kegagalan piksel tunggal dapat mengakibatkan ketidakmampuan untuk mentransmisikan seluruh baris data, secara signifikan mengurangi tingkat hasil.Kamera CCD membutuhkan sirkuit pendukung tambahan (termasuk pengontrol waktu), konverter analog ke digital, dan prosesor sinyal), yang secara kolektif mendorong harga produk akhir, membuat biaya kamera industri CCD biasanya 1.5 sampai 3 kali dari kamera CMOS dari spesifikasi yang sama.