Η διαφορά μεταξύ αισθητήρα CCD και CMOS

Ο αισθητήρας είναι το βασικό συστατικό της κάμερας. Έχει λειτουργίες όπως φωτοηλεκτρική μετατροπή, αποθήκευση πληροφοριών, καθυστέρηση και διαδοχική μετάδοση ηλεκτρικών σημάτων. Έχει υψηλή ολοκλήρωση και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, επομένως έχει αναπτυχθεί ραγδαία στη συνέχεια. Είναι μια απαραίτητη βασική συσκευή για την απόκτηση εικόνας και την ψηφιακή επεξεργασία. Επί του παρόντος, υπάρχουν δύο τύποι φωτοευαίσθητων τσιπ που χρησιμοποιούνται συνήθως σε κάμερες στην αγορά: CCD και CMOS.

1. CCD (Συσκευή Συζευγμένης Φόρτισης)

   Επί του παρόντος, υπάρχουν τρεις δομές κοινών καμερών CCD: μεταφορά πλήρους καρέ, μεταφορά καρέ και μεταφορά γραμμής.

   1. Μεταφορά μεταξύ γραμμών

      Μεταξύ των τριών δομών, η μεταφορά γραμμής είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη και τα περισσότερα προϊόντα μεσαίας και χαμηλής κατηγορίας χρησιμοποιούν αυτήν τη μέθοδο.

   2. Μεταφορά πλήρους καρέ (Full frame)

      Η δομή μεταφοράς πλήρους καρέ είναι η απλούστερη, η φωτοευαίσθητη περιοχή και η περιοχή αποθήκευσης είναι μαζί, και μπορεί να επιτευχθεί συντελεστής πλήρωσης 100%. Το μειονέκτημα είναι ότι για να αποφευχθεί η διαρροή φωτός της εικόνας, το εξωτερικό φως πρέπει να εμποδίζεται να εισέρχεται κατά την ανάγνωση. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας μηχανικό κλείστρο, χρησιμοποιώντας στροβοσκόπιο ή κάνοντας τον χρόνο έκθεσης πολύ μεγαλύτερο από τον χρόνο ανάγνωσης για να ελαχιστοποιηθεί η διαρροή φωτός.

   3. Μεταφορά καρέ

      Η δομή μετάδοσης καρέ είναι ότι η φωτοευαίσθητη περιοχή και η περιοχή αποθήκευσης είναι πλήρως διαχωρισμένες και ίσες σε μέγεθος. Το εκτεθειμένο σήμα φόρτισης μεταφέρεται στην περιοχή αποθήκευσης με πολύ μεγάλη ταχύτητα (συνήθως λιγότερο από το 1% της περιόδου καρέ) και στη συνέχεια εξάγεται γραμμή προς γραμμή. Είναι προφανές ότι ο αισθητήρας μεταφοράς καρέ επιτυγχάνει συντελεστή πλήρωσης 100% και κατά τη διαδικασία ανάγνωσης, εκτίθεται το επόμενο καρέ. Το μειονέκτημα είναι ότι το μέγεθος του τσιπ είναι μεγάλο και το κόστος είναι υψηλό.

2. Αισθητήρας CMOS (Συμπληρωματικός Ημιαγωγός Μεταλλικού Οξειδίου)

   Οι αρχές του φωτοευαίσθητου μέρους των αισθητήρων CMOS και των αισθητήρων CCD είναι οι ίδιες. Η διαφορά είναι ότι σε κάθε μονάδα pixel, εκτός από το φωτοευαίσθητο μέρος, υπάρχει και ένας ενισχυτής και κύκλωμα ανάγνωσης. Ολόκληρος ο αισθητήρας CMOS ενσωματώνει επίσης κύκλωμα διευθυνσιοδότησης, ενισχυτή και A/D.

1. Το πρώτο σημείο είναι η διαφορά στην πλήρη χωρητικότητα φρεατίου: Δεδομένου ότι κάθε pixel του αισθητήρα CMOS περιλαμβάνει μια φωτοευαίσθητη δίοδο, έναν ενισχυτή και κύκλωμα ανάγνωσης, και ολόκληρος ο αισθητήρας περιλαμβάνει επίσης κύκλωμα διευθυνσιοδότησης και A/D, η φωτοευαίσθητη περιοχή κάθε pixel είναι πολύ μικρότερη από την επιφάνεια του ίδιου του pixel. Επομένως, με το ίδιο μέγεθος pixel, η πλήρης χωρητικότητα φρεατίου του αισθητήρα CMOS είναι χαμηλότερη από αυτήν του αισθητήρα CCD.
2. Το δεύτερο σημείο είναι η διαφορά κόστους: Δεδομένου ότι οι αισθητήρες CMOS χρησιμοποιούν τη διαδικασία CMOS που χρησιμοποιείται συχνότερα σε γενικά κυκλώματα ημιαγωγών, τα περιφερειακά κυκλώματα (όπως AGC, CDS, χρονισμός ή DSP, κ.λπ.) μπορούν εύκολα να ενσωματωθούν στο τσιπ του αισθητήρα, εξοικονομώντας έτσι το κόστος των περιφερειακών τσιπ.
3. Το τρίτο σημείο είναι ότι ο αισθητήρας CMOS μπορεί να διευθυνσιοδοτηθεί τυχαία, καθιστώντας πολύ βολικό να διαβάζεται μόνο το ενδιαφέρον μέρος της ουράς και να βελτιώνεται ο ρυθμός καρέ.
4. Το τέταρτο σημείο είναι η διαφορά θορύβου: Δεδομένου ότι κάθε φωτοδίοδος του αισθητήρα CMOS είναι εξοπλισμένη με ενισχυτή, και ο ενισχυτής είναι αναλογικό κύκλωμα, είναι δύσκολο να γίνουν συνεπή τα αποτελέσματα που λαμβάνονται από κάθε ενισχυτή. Επομένως, σε σύγκριση με έναν αισθητήρα CCD με μόνο έναν ενισχυτή στο άκρο εξόδου του οριζόντιου καταχωρητή, ο θόρυβος του αισθητήρα CMOS θα αυξηθεί πολύ, επηρεάζοντας την ποιότητα της εικόνας.
5. Το πέμπτο σημείο είναι η διαφορά στην κατανάλωση ενέργειας: η κατανάλωση ενέργειας των αισθητήρων CMOS είναι χαμηλότερη από αυτήν των αισθητήρων CCD.

Συνοψίζοντας, το πλεονέκτημα του CCD είναι ότι η ποιότητα της εικόνας είναι καλύτερη από αυτήν του CMOS, αλλά τα μειονεκτήματα είναι επίσης προφανή. Η διαδικασία του είναι πολύ περίπλοκη και υπάρχουν πολύ λίγοι κατασκευαστές που μπορούν να ελέγξουν την τεχνολογία του, οπότε η τιμή είναι καταδικασμένη να μην είναι φθηνή, ειδικά για ορισμένα μεγάλα εξαρτήματα CCD, η τιμή είναι ακόμη πιο απαράδεκτη. Επομένως, στην τρέχουσα αγορά καμερών, οι κάμερες υψηλής τεχνολογίας χρησιμοποιούν γενικά απεικονιστές CCD για να επιδείξουν ταυτότητα και κατάσταση. Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα του απεικονιστή CMOS είναι ότι εξοικονομεί ενέργεια. Με την ίδια μπαταρία και την ίδια διαμόρφωση, το CMOS μπορεί να χρησιμοποιηθεί 1-2 ώρες περισσότερο από το CCD, επειδή καταναλώνει ενέργεια μόνο όταν το κύκλωμα είναι συνδεδεμένο, ενώ το CCD καταναλώνει ενέργεια συνεχώς. Είναι ο λεγόμενος "ηλεκτρικός τίγρης". Με βάση αυτό, μπορούμε να μεγιστοποιήσουμε τα πλεονεκτήματά μας και να αποφύγουμε τις αδυναμίες μας, και να επιλέξουμε λογικά κάμερες CCD ή CMOS για διαφορετικές εφαρμογές.