Różnica między czujnikiem CCD i CMOS

Czujnik jest kluczowym elementem aparatu. Posiada funkcje takie jak konwersja fotoelektryczna, przechowywanie informacji, opóźnienie i sekwencyjne przesyłanie sygnałów elektrycznych. Charakteryzuje się wysoką integracją i niskim zużyciem energii, dzięki czemu szybko się rozwija. Jest to niezbędne kluczowe urządzenie do akwizycji obrazu i przetwarzania cyfrowego. Obecnie na rynku powszechnie stosuje się dwa rodzaje matryc światłoczułych w aparatach: CCD i CMOS.

1. CCD (Charge Coupled Device)

   Obecnie istnieją trzy struktury powszechnie stosowanych kamer CCD: pełnoklatkowe, ramkowe i liniowe.

   1. Transfer międzywierszowy

      Spośród trzech struktur, transfer wierszowy jest najczęściej stosowany, a większość produktów średniej i niższej klasy korzysta z tej metody.

   2. Transfer pełnoklatkowy (Full frame)

      Struktura transferu pełnoklatkowego jest najprostsza, obszar światłoczuły i obszar przechowywania są razem, a współczynnik wypełnienia 100% można uzyskać. Wadą jest to, że aby uniknąć wycieku światła z obrazu, podczas odczytu należy zapobiegać dostępowi światła zewnętrznego. Można to osiągnąć za pomocą mechanicznej migawki, stroboskopu lub ustawiając czas ekspozycji znacznie dłuższy niż czas odczytu, aby zminimalizować wyciek światła.

   3. Transfer ramkowy

      Struktura transferu ramkowego polega na tym, że obszar światłoczuły i obszar przechowywania są całkowicie oddzielone i równe pod względem wielkości. Naładowany sygnał ekspozycji jest bardzo szybko przenoszony do obszaru przechowywania (zazwyczaj mniej niż 1% okresu ramki), a następnie przesyłany wiersz po wierszu. Oczywiste jest, że czujnik ramkowy osiąga 100% współczynnik wypełnienia, a podczas procesu odczytu następna ramka jest naświetlana. Wadą jest duży rozmiar chipa i wysoki koszt.

2. Czujnik CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)

   Zasady działania części światłoczułej czujników CMOS i czujników CCD są takie same. Różnica polega na tym, że w każdej jednostce piksela, oprócz części światłoczułej, znajduje się również wzmacniacz i obwód odczytu. Cały czujnik CMOS integruje również obwód adresowania, wzmacniacz i przetwornik A/C.

1. Pierwszy punkt to różnica w pojemności pełnego studzienki: Ponieważ każdy piksel czujnika CMOS zawiera diodę światłoczułą, wzmacniacz i obwód odczytu, a cały czujnik zawiera również obwód adresowania i przetwornik A/C, obszar światłoczuły każdego piksela jest znacznie mniejszy niż powierzchnia samego piksela. Dlatego przy tym samym rozmiarze piksela pojemność pełnego studzienki czujnika CMOS jest niższa niż czujnika CCD.
2. Drugi punkt to różnica w kosztach: Ponieważ czujniki CMOS wykorzystują proces CMOS najczęściej stosowany w ogólnych obwodach półprzewodnikowych, obwody peryferyjne (takie jak AGC, CDS, taktowanie lub DSP itp.) można łatwo zintegrować z chipem czujnika, co pozwala zaoszczędzić na kosztach chipów peryferyjnych.
3. Trzeci punkt to możliwość losowego adresowania czujnika CMOS, co sprawia, że jest bardzo wygodne odczytywanie tylko interesującej części kolejki i zwiększanie liczby klatek na sekundę.
4. Czwarty punkt to różnica w szumach: Ponieważ każda fotodioda czujnika CMOS jest wyposażona we wzmacniacz, a wzmacniacz jest obwodem analogowym, trudno jest uzyskać spójne wyniki z każdego wzmacniacza. Dlatego w porównaniu z czujnikiem CCD z tylko jednym wzmacniaczem na końcu wyjściowym rejestru poziomego, szumy czujnika CMOS znacznie wzrosną, wpływając na jakość obrazu.
5. Piąty punkt to różnica w zużyciu energii: zużycie energii przez czujniki CMOS jest niższe niż przez czujniki CCD.

Podsumowując, zaletą CCD jest lepsza jakość obrazu niż CMOS, ale wady są również oczywiste. Jego proces jest zbyt skomplikowany, a jest bardzo niewielu producentów, którzy potrafią opanować jego technologię, więc cena z pewnością nie będzie niska, zwłaszcza w przypadku niektórych dużych komponentów CCD cena jest jeszcze bardziej nieakceptowalna. Dlatego na obecnym rynku aparatów fotograficznych wysokiej klasy aparaty zazwyczaj używają przetworników CCD, aby zademonstrować tożsamość i status. Największą zaletą przetwornika CMOS jest oszczędność energii. Przy tym samym akumulatorze i tej samej konfiguracji, CMOS może działać o 1-2 godziny dłużej niż CCD, ponieważ zużywa energię tylko wtedy, gdy obwód jest podłączony, podczas gdy CCD zużywa energię przez cały czas. Jest to tzw. "elektryczny tygrys". Na tej podstawie możemy zmaksymalizować nasze mocne strony i unikać słabych, rozsądnie wybierając aparaty CCD lub CMOS do różnych zastosowań.