Dispozitive cuplate -incarcate (CCD) - senzori de imagine

Aceste informatii initiale sunt destinate celor care se ocupa cu aplicatiile de depistare a imaginilor CCD, dorind sa obtina o privire suplimentara in interiorul mecanismelor de functionare si principiile senzorului CCD. Nu se intentioneaza oferirea unui studiu exhaustiv cu teorii detaliate si se presupune ca se foloseste un CCD pe baza de silicon. Se presupune de asemenea ca un sistem de detectare, iluminat frontal este de asemenea folosit. Exista cateva referinte detaliate in concluzie.

1. Introducere

Ca multe alte tehnologii, dispozitivul cuplat-incarcat a fost propus ca un fel de creatura si a ajuns ceva complet diferit. Inventat spre sfarsitul anilor 1960 de catre cercetatorii de la Laboratoarele BELL, a fost creat ca un nou tip de circuit de memorie pentru PC si s-a demonstrat in anii 1970, ca in acest scop a fost creat. Aparent, s-a observat ca acest dispozitiv are si alte posibile aplicatii, incluzand procesarea semnalului si formarea de imagini, ultima aparuta datorita sensibilitatii siliconului la lumina, care raspunde la lungimile de unda mai mici 1.1m (spectrum-ul vizibil se incadreaza intre 0.4m si 0.7m). prima descoperire a acestui dispozitiv ca un element de memorie a disparut, iar locul a fost luat de catre abilitatea de a detecta lumina, transformand CCD intr-un element prim al tehnologiei bazat pe senzori de imagine. Asemenator circuitelor integrate, acest dispozitiv porneste pe baza unor placute de silicon ca sunt procesate cu o serie de etape care definesc functiile variate in interiorul circuitului. Fiecare placuta contine mai multe dispozitive identice (chipuri), fiecare capabila de a tine imobila un dispozitiv functional. Chipurile selectate, bazate pe o varietate de teste preliminare de sortare sunt apoi taiate de la placute si impachetate pentru a fi folosite in sistem. Scopul acestor informatii initiale sunt acelea de a familiariza cititorul cu informatiile de baza referitoare la formarea de imagini CCD. Discutiile calitative descrise reflecta aplicatiile de formare a imaginii pe baza de silicon in spectrul vizibil.

2. Formate CCD

Formarea de imagini poate fi realizata folosind 3 tehnici de baza: scanarea unui punct, scanarea unei linii si scanarea unei zone. Dispozitivele CCD pot lua, prin definitie, forma unor formate de scanare: linii sau zona.

2.1 Scanarea unui punct

Folosind un singur detector de celule sau pixeli, o imagine poate fi scanata prin detectarea informatiei scena la coordonate XY discrete. Avantajele acestui lucru ar fi o rezolutie mare, uniformitatea masurarii de la un loc la altul si costul/simplitatea detectorului. Dezavantajele includ erorile de inregistrare din miscarea XY a detectorului, ratele scanarii unei rame datorita numarului repetat de expuneri si complexitatea sistemului datorita sistemului X-Y (de vazut fig. 1)

2.2 Scanarea unei linii

O aranjare a detectorilor de celule singure pot fi plasate de-a lungul unei singure axe astfel incat scanarea se realizeaza doar intr-o directie. In acest caz, este capturata o linie de informatii si citirile urmatoare inainte de a trece la linia index. Lungimea fizica a unui scaner linear CCD este limitat doar de marimea fasiilor de silicon utilizate pentru a fabrica dispozitivul. Aceasta limitare este cateodata depasita prin montarea mai multe CCD lineare, cap la cap pentru a mari lungimea totala. Scanarea unei linii este mult mai imbunatatita ca timp decat cea a unui punct. Alte beneficii includ o rezolutie mare si mai putine mecanisme de scanare sofisticate. Totusi, distantarea pixelilor si marimea este intr-o singura directie de limitare a rezolutiei. Precizia masuratorii la fiecare pixel are ne-uniformitati , care trebuie ocazional factorizate in afara sistemului. Timpii de scanare , de forma secundelor sau minutelor sunt inca nepotrivite pentru multe aplicatii , iar costul dispozitivelor lineare CCD sunt considerabil mai scumpa decat detectorii simpli de celule. Numarul finit al chipurilor CCD pentru fiecare fasie de silicon si partile mobile rezultate, pierdute dicteaza costurile de la variatiile de procesare.

2.3 Scanarea unei arii

Doua aranjari dimensionale ale detectorilor pot fi create astfel incat intreaga imagine poate fi captata la o singura expunere, eliminand necesitatea de orice miscare de catre detector. Scanerele de zona sunt capabili de a produce cea mai mare rata -rama cu cea mai mare cantitate de precizie in inregistrare intre pixeli. Complexitatile sistemului sunt de asemenea mentinute la un nivel minim. Totusi, rezolutia este limitata in doua directii. Alte dezavantaje includ performante de semnal scazute si costuri deoarece mai putin dispozitive pot fi pozitionate pe o placuta si mobilitatea este inerent mai mica pentru un numar de motive.

3. Arhitecturi CCD

CCD pot avea diferite forme si arhitectura. Dispozitivele CCD primare , care sunt folosite astazi se numesc Transfer Rama -Prima si Dispozitive de Transfer -Rama , care folosesc MOS capacitori cu celula foto ca detectori si Dispozitive de Transfer Interline care folosesc diode foto ca detectori. Fiecare este descrisa mai jos ca aplicata la senzorii de zona CCD dar conceptele se aplica la CCD lineare. Alte arhitecturi cu formare de imagine, care nu vor fi tratate aici sunt: Transfer Interline - Rama, Accordian, Incarcare prin injectie si MOS XY adresabila, printre altele.

3.1 Rama - plina (FF)

Dispozitivele CCD cu rama plina au cea mai simpla arhitectura si sunt cele mai simple de fabricat si de folosit. Ele constau intr-un registru de schimb paralel CCD si un amplificator de detectare a semnalului. Imaginile sunt proiectate optic pe un sir paralel care se comporta ca tabloul de imagini. Dispozitivul preia informatia si partitiile in elemente discrete care sunt definite prin numarul de pixeli. Randurile rezultate ale informatiei sunt apoi schimbate intr-o forma paralele la registrul serial care transmite la sursa de emitere ca un flux serial de date. Procesul se repeta pana cand toate randurile sunt transferate in afara chipurilor. Imaginea este apoi reconstruita, la fel cu e dictat de sistem.

Din moment ce registrul paralel este folositi atat pentru detectarea spatiului cat si pentru citiri, un obturator sau un blit sincronizat de iluminare este de asemenea folosit pentru a pastra integritatea locului. Simplicitatea formei FF au drept tinta dispozitivele CCD cu cea mai mare rezolutie si densitate.

3.2 Transfer- Rama (FT)

Dispozitivele CCD - FT CCD sunt foarte aseamanatoare cu arhitecturile cu rama plina. Diferenta consta in faptul ca un registru separate si identic, numit dispunere pentru depozitare, care nu sunt sensibile la lumina. Ideea e de schimbare o scena capturata foarte rapid la sirul pentru depozitare. Citirile cipurilor din registrul de depozitare sunt apoi realizate cum s-a descris mai devreme , in timp ce secventa de depozitare este integrata in urmatoarea rama. Avantajul acestei arhitecturi este acela ca o functionare continua sau fara obturare /fara blit este obtinuta , rezultand in rate cu rame mai mari. Performanta rezultata este compromisa , totusi, deoarece integrarea se produce in timpul stocarii la cutia de depozitare. Deoarece zona de silicon este necesara pentru a implementa aceasta arhitectura, dispozitivele CCD au o rezolutie mai mica si costuri mult mai mari decat la dispozitivele CCD.

3.3 Interline (IL)

Dispozitivele IL  sunt incorporate pentru a se adresa la deficitul dispozitivelor FT . acest lucru se realizeaza prin separarea dispozitivului de detectare a celulei foto si functiile de citire prin formarea zonelor izolate foto-senzitive printre randuri a celor ne-senzitive sau citiri ale CCD-ului aparate de lumina paralel. Dupa integrarea unei scene, semnalul reconstituit din fiecare pixel este transferat tot odata in dispozitivul aparat paralel de lumina. Transferul catre emisii este apoi efectuat in mod asemanator la FF sau FT ale dispozitivului CCD. In timpul citirii, urmatoarea rama este integrata, obtinandu-se astfel o functionare continua si o rata mare a ramei. Aceasta arhitectura imbunatateste semnificativ neclaritatea imaginii in timpul citirii, comparat cu FT. Marile dezavantaje ale arhitecturii IL reprezinta complexitatea lor care conduce la costuri ridicate pe unitate si sensibilitate scazuta. Sensibilitatea scazuta se produce deoarece exista mai multe zone ale celulei foto sensibile (o deschidere mica) la fiecare pixel datorat citirii CCD aparata de lumina. In plus, cuantificarea erorilor este mai mare datorita unei aperturi reduse. In ultimul rand, arhitecturile IL care folosesc diode foto produc o intarziere a formarii imaginii ca o consecinta a unui transfer incarcat de la diodele foto la dispozitivele CCD.

4. Bazele dispozitivului CCD

Formarea de imagini CCD este realizata intr-un proces cu 3 etape:

(1) Expunerea care converteste lumina intr-o incarcare electronica in locuri discrete numite pixeli;

(2) Transfer de incarcare care muta pachetele prin substratul de silicon.

(3) Incarcarea la conversia de tensiune si amplificarea semnalului de iesire.

4.1 Transformarea luminii (fotonilor) in sarcina electrica

Imaginea se obtine atunci cand radiatia de lumina incidenta, sub forma de fotoni, cade pe o matrice de pixeli. Energia fiecarui foton este absorbita de silicon si produce o reactie. Aceasta reactie conduce la crearea unui electron. (Vezi figura 7).

Numarul electronilor colectati de fiecare pixel este liniar dependent la nivelul luminii si a timpului de expunere si neliniar dependent de lungimea de unda. Capacitatea de a detecta un foton este influentata de numerosi factori. Filme subtiri de materie crescuta si depozitata intentionat pe suprafata siliconului in timpul fabricarii pot avea tendinta de a absorbi sau a reflecta lumina ca in cazul condensatorului foto. Fotonii sunt absorebiti la adancimi diferite in silicon, in functie de lungimea lor de unda. Exista cazuri cand electronii indusi de fotoni nu pot fi detectati din cauza localizarii lor in silicon, unde au fost creati.  

4.2 Gropi si praguri de potential

CCD-urile urmeaza principiile de baza ale dispozitivelor din metal oxid semiconductor (MOS). O structura CCD MOS consta dintr-un material conductor suprapus vertical (polisilicon dopat). Prin aplicarea unui potential la capetele electrodului poarta sau a polisiliconului, potentialele electrostatice din interiorul siliconului se pot modifica. Prin aplicarea unei tensiuni corespunzatoare, se poate forma o groapa de potential care va aduna electronii produsi de lumina incidenta (vezi figura 8). Electronii pot fi inchisi sub aceasta poarta prin formarea unor zone de potential mai inalt, numite bariere imprejurul gropii de potential.

Proiect: Politica de pret Referat: Introducere in Marketing - test cu intrebari

In functie de tensiune, fiecare poarta poate fi reglata pentru a forma o groapa de potential sau un prag pentru sarcina integrata.

4.3 Tehnici de transfer de sarcina

O data ce sarcina a fost integrata si mentinuta local de limitele arhitecturii pixelilor, ea trebuie trimisa la amplificator care este fizic separat de pixeli. Cele mai folosite metode folosite in zilele noastre includ patru tehnici diferite de transfer de sarcina si care vor fi descrise mai jos. Trebuie retinut faptul ca pe masura ce mutam sarcina asociata cu fiecare pixel, mutam si toti pixelii asociati cu acel rand sau coloana.

CCD cu patru faze

Registrele de deplasare al CCD-ului sunt formate prin definirea electrozilor din polisilicon astfel incat ei vor forma un lung sir de porti in lungul unei axe si ca urmare, formeaza o coloana. Daca la capetele uneia din aceste porti se aplica un potential inalt, sub acea poarta se formeaza o groapa de potential. Daca potentialul aplicat este mic, se formeaza un prag de potential. Un singur pixel este definit de patru porti. Dupa cum indica diagrama de timp (vezi figura 9) in timpul integrarii, daca mentinem inalta tensiunea la portile 1 si 2, iar la portile 3 si 4 tensiunea este joasa, putem forma o groapa de potential care aduna sarcini induse de fotoni pentru pixelii tip Pn.

Daca portile 1 si 3 isi schimba polaritatea (de ex. poarta 1 trece de la potential inalt la potential mic, iar poarta 2 de la potential jos la inalt), sarcina se muta electrostatic sub portile 2 si 3. Daca portile 2 si 4 isi schimba polaritatea, atunci sarcina este mutata in groapa de potentiala formata de electrodul 3 si 4. Acest proces se continua pana cand sarcina totala se gaseste sub portile 1 si 2 a pixelului urmator, pn+1, completand astfel un ciclu de transfer. Acest ciclu este repetat pana cand toate sarcinile au ajust la iesire. Astfel, sunt folosite toate cele patru porti pentru fiecare pixel.    

4.3.2. Trei faze ( 3) CCD

Cele 3CCDs sunt similare cu 4CCDs cu exceptia numarului partilor descentrate care separa electrozii descentrati si ii reduce de la 2 la 1 in timp ce cerintele de cronometrare se schimba silentios. ( observati figura 10). In aceasta tehnica, incarcatura se afla sub 1 in timp ce 2 si 3 sunt tinute sub stare dezechilibrata. 2 este apoi adus la cel mai inalt nivel, urmat la scurt timp 1 si presupunand un nivel inferior. Incarcatura, care se afla acum sub poarta 2 poate fi schimbata sub poarta 3 prin manipularea lui 2 si 3 in aceeasi maniera cum a fost descries mai sus. Ciclul de transfer se completeaza cind incarcatura este ridicata la poarta 1 a urmatorului pixel. Avantajul acestei operatiuni este ca sunt necesare doar 3 porti pentru a defini un pixel , care permite o densitate mai mare ( si o rezolutie mai mare) CCDs. Dezavantajul lui 3 peste 4 este ca un pontaj mai laborios este necesar pentru a conduce dispozitivul.

4.3.3. Doua pseudo-faze (P2) CCD

P2 CCD's imita 4 operatii cu exceptia faptului ca acum doar doua faze ale ceasului sunt necesare pentru a implementa procedura de transfer. Asa cum este indicat in figura 11, fiecare faza este legata de doua porti in loc de una. Pentru a va asigura ca pixelii nu sunt amestecati in timpul transferului, alternate portile care sunt procesate ca potentiale electrostatice aparute la diferite nivele pentru o poarta data inclinata.

O data ce acest lucru este atins, un transfer adecvat poate aparea folosind cele doua faze care reduce complexitatea ceruta pentru conducerea CCD-urilor. Acest avantaj este obtinut la costul unul proces aditional.

4.3.4. Doua faze reale (T2) CCD

T2  reduce numarul de porti pe pixel, si numarul de faze conduse de CCD la numai doua , asa cum este indicat in figura 12. Acest lucru este atins prin crearea unui potential pas sub fiecare poarta asa cum este contrastant cu P2 , unde doua porti adiacente sunt necesare pentru a forma potentialul pas. T2 este fixat ca P2 asa cum este indicat anterior, cu exceptia faptului ca tehnologia T2 are capacitatea pentru densitati mari si rezolutii mari. Acest dezavantaj consta in faptul ca procesarea se face pe o perioada mai mare de timp decid costurile adaugate.

4.3.5 Virtuale Fazele (V) CCD

VCCDs reduce numarul de porti pe pixel si numarul de faze ale driverelor CCD la numai una, asa cum este indicat in figura 13. Caracteristica VCCDs este ca absenta unui electrod de poli-silicon intre poarta 1. Acest lucru face ca VCCD sa mosteneasca mai mult sensibilitate la lumina ( in mod special la albastru) datorita topografiei reduse, care poate absoarbe reflexia luminii. Incarcarea transferului in mod efficient este conservata prin crearea unui potential cu ajutorul siliconului. Densitatea mare de pixeli este atinsa cu aceasta arhitectura de asemenea. Unele dezavantaje sunt rotatiile  mari necesare cerute de 1 si unele performante inca nerezolvate, degradate presupuse dual la multiplele complexitati ale implantului.

4.4 Tehnici de citire

Pachetele de incarcare sunt eventual schimbate prin nodul de iesire, unde electronii ( cu sarcina reprezentativa ) sunt convertiti la o tensiune care este mai usor de manipulate. Tehnicile conventionale in general angajeaza un nod al sensului de plutire al difuziei urmat de o schimbare a amplificatorului de tensiune ca fiind un urmaritor al sursei. Procesul incepe prin resetarea difuziei de plutire printr-o poarta de resetare si prin resetarea scurgerii care dicteaza restul potentialului. Acest potential de resetare sau nivel de semnal zero este convertit la o tensiune si procesat ca nivel de referinta la pinul de iesire din dispozitiv. Incarcatura este apoi transmisa de la ultima faza cu CCD -ul si apoi varsata in difuzie.

Rezultatul se schimba in potential si apoi este convertit intr-o tensiune si un sens pe cip. Diferenta dintre referinta sau nivelul de resetare si potentiala schimbare a nivelului de difuzie , determina semnalul ( vedeti figura 14).

5. Tehnologie sporita cu legatura CCD

5.1. Imaginea culorilor CCD

Silicoanele bazate pe CCD sunt monocrome in natura. De aceea ele nu ai o abilitate naturala pentru determinarea variatiilor de rosu, verde sau albastru ( RVA) prezentate in pixeli. Una din cele trei tehnici pot fi folosite pot fi folosite pentru a extrage informatiile de culoare pentru a obtine o scena. O problema comuna la orice tehnica a culorii imaginii descrisa in acea cantitate de informatii necesita triplu.

5.1.1 Culori secventiale

O imagine colorata poate fi creata folosind CCD prin luarea a trei imagini succesive in timp ce schimbarea in filtre optice avand caracteristicile RGB dorita. (vedeti figura 15). Imaginile rezultate sunt apoi reconstruite. Avantajele acestei tehnici sunt ca rezolutia poate ramane acea a CCD-ului. Dezavantajul este ca cele trei expuneri sunt cerute prin reducerea timpului cu mai putin de 1 factor din trei. Schimbarea ansamblului filtrului se adauga de asemenea la complexitatea mecanica a sistemului .

5.3.2. Colorarea celor trei cipuri

In loc de schimbarea culorilor cu o roata filtru de culori, sistemul de culori in trei cipuri foloseste optica pentru a imparti scena in trei plane de imagini separate ( vedeti fugura 16). Un sensor CCD si filtru de culoare corespunzator este pozitonat in fiecare din cele trei imagini plane. Imaginile colorate pot atunci fi detectate prin sincronizarea iesirilor celor trei CCD-uri ceea ce reduce rata la un singur sensor de sistem. Dezavantajul unui asemenea sistem este faptul ca are o complexitate mare , rata efectiva s-a triplet si calibrarea intre senzori este dificila.

5.1.3. Culori integrale ale filtrului (CFA)

In loc de a efectua o filtrare a culorilor prin filtru, filtrele caracteristicilor apropiate pot fi pozitionate pe un cip ( vedeti figura 17 ) . Aceasta apropiere poate fi efectuata in timpul fabricarii dispozitivului folosind diverse combinatii ( rosu, galben, albastru), fotorezistente in diverse game.

Beneficiile acestei apropieri , reduce considerabil complexitatea sistemului . Problema majora cu aceasta apropiere este ca, spre deosebire de un film, fiecare pixel poate fi preluat ca fiind singur ( culori primare ) sau doua culori ( culori secundare ) sau o combinatie. Orice rezultat duce la pierderea informatiilor ducand la reducerea efectiva a rezolutiei si cresterea prelevarii artifacturilor. Alt dezavantaj este ca la procesarea cipurilor este necesara completarea culorilor lipsa din pixeli, ceea ce creste complexitatea sistemului.

5.2. Anti inflorirea

O problema cu CCD-urile , spre deosebire de filmul fotografic, este ceea ce se intimpla cind dispozitivul este supraexpus. Dupa cum am mentionat anterior, electronii sunt creati la o rata lineara de proportionalitate expusa. Daca marimea potentialelor roti create in CCD nu au aceeasi capacitate pentru a mentine schimbarile incarcarii integrate ele vor varsa intre pixelii adiacenti scene de informatii. Aceasta varsare / schimbare poate fi usurate prin construirea anti- infloririi sau scurgerea suprastructurilor cu dispozitivelor. Doua structuri anti inflorire sunt scurgeri verticale si scurgeri laterale.

O parte beneficiaza de incorporarea unei supra-scurgeri si abilitatea de a folosi aceste caracteristici inseamna a crea raspunderile expunerii electronice sau a abilitatea de a le folosi aceasta caracteristica , sau inchiderea controlului.

Expunerea electronica , care este mai realizabila si mai precisa decit cea mecanica, permite operarea versatile pentru sisteme sau camere.

5.2.1.Scurgerea verticala (VOD)

Dispozitivul VOD are o bariera de potential electrostatic la un substrat descentrat. Bariera este destinata pentru un nivel care este mai scazut decit bariera dintre pixeli. Cind raza colectata depaseste acest nivel, se imparte vertical prin silicon si este supt de subtract ( vezi figura 18). Dezavantajele acestei structuri sunt complexitatea dispozitivului , costurile adaugate, si de obicei reduse , capacitatea de scurgere care duce la o gama mai mica a dinamicii.

5.2.2. Curgerea laterala (LOD)

Una din probleme cu structura de curgere laterala este ca au capacitate limitata la cantitatea de expunere aparuta. Pentru situatiile care se cer cel mai mult, structura LOD este folosita. LOD este implementata la suprafata siliconului unde este restul structurii (vezi figura 19).

In acest caz o bariera este create adiacent la pixelii integrati si se varsa in scurgerea laterala . Dezavantajul acestei structuri este redus de un factor de umplere sau orificiul care reduce foto-raspunderea.

5.3. Slabirea stratului de silicon

Dupa cum s-a aratat mai devreme , suprapunerea filmelor peste pixeli, absoarbe sau reflect alumina in functie de lungimea valului . Electrozii creati la partea superioara a suprafetei ( lungimi de unda ultraviolete si albastre) de silicon sunt de asemenea pierduti in timpul recombinarii interfetei de silicon. Pentru a creste responsabilitatea senzorului , partea din spate a peretelui este slabita pina la o lungime de ~10-15m ( vezi figura 20).

CU o subtiere adecvata, CCD-ul este apoi luminat din partea din spate si UV si raspunsul albastru creste semnificativ . Subtierea este restrictionata la FF si FT arhitectura fara structuri VOD. Dificultatea consta in subtierea dispozitivului la o asemenea adincime conduce la productii mai mici si costuri mai mari . Manuirea devine de asemenea extreme de dificila.

5.4. Marirea invelisului UV

Pentru a obtine subtierea dispozitivului, foto-sporii sensibili razelor UV sunt disponibili si pot fi depozitati direct pe suprafata CCD. Acesti foto-spori , care sunt transparenti la suprafata cu 0.45m, absorb razele UV si lungimile de unda adinci si fluorescente, la o lungime de unda mai mare. Singurul dezavantaj al acestor invelisuri este pierderea spatiului pentru rezolutie pe masura ce lumina se divizeaza.

5.5. Sageti microlenticulare

Arhitectura Il sau LOD sufera de la reducerea deschizaturilor sau a factorilor de umplere, asa cum s-a discutat anterior, rezultand o sensibilitate scazuta. Pentru a imbunatati sensibilitatea sagetile microrenticulare sunt formate direct peste fiecare pixel( vezi figurile 21 si 22). Aceste sageti sunt lentile micute care actioneaza sa focalizeze lumina , care in mod normal ar lovi zonele foto nesensibile, in acele regiuni care sunt sensibile. O imbunatatire de trei ori poate fi realizata folosind aceasta tehnica. Dezavantajele include crestere procesului ,uniformitatea lentilelor peste sageti si creste dificultatea procesului .

5.6. CCD-uri de viteza mare

Pentru a atinge cea mai mare rata, diverse arhitecturi si schite sunt angajate. Factorul limita in CCD-uri de viteza mare este proiectat pe cipul amplificatorului pentru viteza maxima, fara consumarea unei cantitati mari de pudra. Cresterea disiparii pudrei, tinde ca sa cauzeze localizarea caldurii in cip, care se degradeaza uniform. Pentru a depasi aceasta problema, multiple iesiri sunt folosite pentru partitionarea dispozitivului in blocuri astfel incit datele sa poate fi citite in paralel. Daca doua iesiri sunt citite, atunci datele efective cresc cu un factor din doua. Cu cit este folosit mai mult paralelismul , mai putina lungime de banda este ceruta pentru fiecare iesire. Bineinteles problema apare in procesarea mai multor iesiri. Deoarece capacitatea asociata cu MOS bazat pe dispozitivul CCD, schimbarea mai mare a vitezei este uneori limitata de capacitatea si capabilitatea ceasului. Alta problema asociata cu viteza mare a CCD-urilor este mostenita cu un cuplu care apare din sistem la dispozitiv, datorita naturii capacitive a CCD-ului.

CCD vs CMOS:

Fapte si fictiune

Alegerea unei imagini presupune considerarea nu numai a cipului , dar de asemenea a producatorului si cum va evolua aplicatia dumneavoastra

Multe au fost facute in ultimii ani din potentialul pentru imaginea CMOS si din iminentul deces al tehnoligiei pentru simtirea imaginilor, CCDs Strong pretinde prin propunerile sale de renastere ca tehnoligia CMOS a fost numarata prin forte egale de aparatorii CCD. Intr-o tipar tipic pentru batalia tehnologiilor ( ambele cu merite signifiante sau de asemenea cu scurgeri de maturitate in unele privinte), utilizatorii au devenit banuitori de reprezentarea performantelor facute de ambele tabere. O promotie extreme de agresiva a ambelor tehnologii a dus la temeri considerabile, incertitudini si indoieli.

Imaginile de baza . Pentru viitorul previzibil va fi un rol semnificativ pentru ambele tipuri de senzori de imagine. Cei mai de success utilizatori a imaginii avansatein capturarea tehnoligiei voi fi aceea ce considera ca nu numai tehnologia de baza si de asemenea sustinerea, adaptabilitatea si suportul. Vor efectua cel mai bun termen lung intr-o dynamica a tehnologiei mediului inconjurator care se bate intre CCD-uri si CMOS-uri promise sa se livreze. Ambii senzori de imagine sunt metale pixelate si conductori semioxidati. EI acumuleaza sarcina de semnal in fiecare pixel, proportional cu intensitatea luminozitatii locale, servita spatial pe fiecare functie. Cind expunerea este completa un CCD ( figura 1) trasnfera fiecare pixel in pachete de incarcare secventiala la o structura de isire comuna, care se converteste la o schimbare a tensiunii, o amortizeaza si o trimit einafara cipurilor. Intr-o imagina CMOS (Figura 2) a incarca la tensiune, conversia se intimpla la fiecare pixel. Aceasta diferenta in tehnicile de citire are implicatii signifiante pentru fiecare sensor de arhitectura, capabilitati si limite. Opt atribute caracterizeaza performanta senzorilor de imagine:

raspunsul , cantitatea de senzori de semnal livrati pe unitatea de intrare a energiei optice introduce. Imaginile CMOS sunt limitate superior la CCD-uri, in general datorita elementelor castigate care sunt mai usor de pozitionat pe senzorii de imagine CMOS. Transistorii complementari permit o putere mica si amplificatory puternici , unde amplificarea CCD de obicei vine la o penalitate semnificativa a puterii. Unii producatori de CCD-uri se confrunta cu aceasta conceptie si cu noi citiri pentru tehnica amplificatorului. Gama dinamica , rata de saturatie a pixelilor si semnalul lor. Da CCD-ului un avantaj de un factor sau doi in conformitate cu circumstantele . CCD-urile inca beneficiaza de zgomot semnificativ pentru CMOS, datorita staturilor de renuntare a senzorilor ( mai putin de circuitul cipurilor ) , a mostenit o toleranta la capacitatea de variatie si iesirile comune ale amplificatorului cu geometria tranzistorului care poate fi usor adaptata pentru zgomot minim. Fierberile externe a senzorilor de imagine prin racier, o optica mai buna , o rezolutie mai buna sau un cip electronic adaptat, nu pot face senzorii CMOS echivalenti la CCD-uri din acest punct de vedere.

In mod uniform, consistenta raspunsului pentru pixeli diferiti sub conditii de iluminare identice. In mod ideal, comportamentul va fi uniform, dar modul de procesare variat, cu defecte particulare si amplificari variate care creaza neuniformitati. Este important sa faceti o disctintie intre uniformitatea sub lumina si uniformitatea la sau linga intuneric. Imaginile CMOS suntan mod traditional mult mai rele in ambele regimuri. Fiecare pixel are un amplificator al crapaturii de iesire si plateste si cistiga fiecare amplificator variaza in mod considerabil datorita variatiei procesarii dispozitivului , facind atat in intuneric cit si in mod iluminat neuniformitati mai mari decit acelea din CCD-uri .Unii oameni au previzionat ca acest lucru va invinge imaginile CMOS ca dispozitive geometrice care variaza. Oricum structura feed-back-ului bazata pe structura amplificatorului poate trata cistigurile castigate sub iluminare. Amplificatoarele au iluminat in mod uniform unele imagini ale CMOS mai aproape de cele CCD-uri , potrivite ca medii micsorate geometrice. TOtusi o lipsa a variatiilor compensate a aplificatoarelro CMOS, care se manifesta ele insele ca neuniforme la intuneric. In timp ce in imaginile CMOS a fost investit un considerabil effort in densitatea neuniforma a intunericului , este in mod general mai rea decit a CCD-urilor.

Aceasta este o problema signifianta in aplicatiile cu viteza mare , unde semnalele limitate de nivel contribuie la degradarea imaginii. Inchiderea abilitatii de a opri si porni expunerea in mod arbitrar. Este o trasatura standard virtuala a tuturor clientilor si in mod special a CCD-urilor, in mod special dispozitivele de transfer intre linii , si este in mod particular important in aplicatile masinii. CCD-ul poate livra inchideri electronice superioare , in timp ce compromiterea de umplere a factorilor , chiar si o imagine mica a senzorilor pixelilor. Implementarea unui system uniform de inchidere in imaginile CMOS necesita un numar de tranzistori in fiecare pixel. Imaginile inlinie CMOS, inchiderea electronica nu comprimit umplerea fiecarui factor pentru ca transmisia de inchidere poate fi pozitionata adicent la aria active a fiecarui pixel. In imaginile ariilor scanate ( matrici) , inchiderea electronica uniforma se face pe cheltuiala factorilor de umplere deoarece inchiderea opaca a tranzistorilor trebuie pozitionata intr-o arie sensibila la fiecare pixel.Proiectantii senzorului de matrice CMOS au avut de lucru cu aceasta provocare in doua moduri:

O inchidere neuniforma , numita rola de inchidere, expune diferite linii pe o sageata la diferite timpuri . Reduce numarul de tranzistori in pixeli, imbunatatind factorul de umplere. Acest lucru este uneori acceptabil pentru imaginea clientului , dar in conditiile in care se aplica performante mai mari la aplicatii , miscarea obiectului se manifesta ca fiind o imagine distorsionata.

O inchidere sincronizata , uneori numita nerasucibila, expune toti pixelii de pe sageata in acelasi timp. Oprirea miscarii obiectelor cunici un fel de distorsiune , dar aceasta apropiere consuma o arie de pixeli pentru ca sunt necesare extra tranzistori in fiecare pixel. Utilizatorii trebuie sa foloseasca intre un filtru cu factor scazut si pixeli mici, un senzor mai putin scump de imagine sau pixeli mai mari cu factor de umplere mai mare, si cu un senzor de imagine mai putin costisitor.

- Viteza, in ariile in care CMOS in mod discutabil are avantajul mai mare ca CCD-ul din cauza ca toate functiile camerei pot fi plasate pe senzorul de imagine.

Cu un zar, semnalul si puterea urmaresc distantele ca sa fie mai scurte, cumai putina inductanta, capacitanta si intirzierea propagrii. La data totusi, imaginile CMOS au stabilit ca numai modestele avantaje in aceasta privinta , in mod mai larg, datorita unor focalizari mai puternice asupra aplicatiilor clientului care nu necesita viteze mari notabile comparate cu CCD-urile industriale , stiintifice si aplicatiile medicale .

- ferestrele . O capacitate unica a tehnologiei CMOS are abilitatea de a citi o portie din senzorul de imagine. Acest lucru permite ca bucatile sau liniile de rata pentru regiuni mici sunt interesate. Acest lucru activeaza capacitatea pentru imaginile CMOS in unele aplicatii cum ar fi precizie temporala mare, urmarirea obiectelor intr-o subregiune a imaginii. CCD-ul are abilitati limitate in ferestre. Antiinflorirea , este abilitatea de a scurge surplusul, fara a compromite restul imaginii in senzori. CMOS are in general imunitate naturala . CCD-ul pe de alta parte necesita cerinte specifice pentru a atinge capacitatea sa. Multe CCD-uri au fost dezvoltate pentru aplicatiile clientilor , dar acelea dezvoltate pentru aplicatii stiintifice in general nu . Inclinarea si pontajul . Imaginile CMOS au o margine sigura in aceasta privinta. Ele in mod general opereaza cu o singura inclinare a tensiunii si a nivelului de pontaj . Inclinarile care nu sunt standard, genereaza un cip cu incarcare a circuitului izolat de la utilizator numai daca exista scurgeri de curent. CCD-ul in mod tipic, necesita pontaj mai mare de tensiune , dar inclinarea a fost simplificata in dispozitivele moderne care opereaza cu tensiuni mici.

Siguranta

Ambele tipuri de cip-uri de imagine prezinta acelasi grad de siguranta in majoritatea aplicatiilor industriale sau ale consumatorilor finali. In medii cu multe neregularitati, cipurile de imagine CMOS au avantajul ca toate functiile de circuit pot fi localizate intr-un singur cip de circuit integrat .

Cipurile CMOS pot fi de asemenea mult mai bine integrate decat dispozitivele CCD. Generarea sincronizarii, procesarea semnalului, conversia analog-digital, interfata si alte functii pot fi toate puse intr-un cip de imagine. Aceasta inseamna ca o camera cu chip de imagine CMOS poate fi semnificativ mai mica decat camera cu dispozitiv CCD. Utilizatorul trebuie sa ia in considerare, totusi, costul acestei camere cu CMOS.

Cipurile de imagine CMOS sunt construite foarte subtiri pentru a se incadra in performanta imaginii. Aceste adaptari, comparativ cu procesarea semnalului mixt non-imagine, aduc ceva probleme la incadrarea dispozitivului si disiparea puterii. Desi portiunea de pixeli a cipului de imagine CMOS, aproape invariabila, are o disipare de putere mai mica decat cea a CCD-ului, disiparea puterii pe alte circuite din dispozitiv poate fi mai mare decat la dispozitivele CCD care folosesc cipuri pereche la procesele de optimizare a semnalului analog, digital sau mixt. La un anumit nivel in sistem, putem aduce in discutie faptul ca disiparea puterii la camerele cu cip de imagine CMOS este mai mica decat in cazul dispozitivelor CCD. Adesea, cipul CMOS este mai bun, dar nu si la viteze mari (de peste 25MHz). Alte considerente semnificante in integrarea sistemului sunt adaptabilitatea, flexibilitatea, voiteza de schimbare. Cele mai multe cipuri CMOS sunt destinate consumatorilor finali si intermdiari. Sunt mult mai bine integrate pentru putine aplicatii. Un proiectant de sistem trebuie sa fie atent sa nu investeasca inutil in incercarea de a adapta un dispozitiv specific pentru aplicatii pentru un scop pentru care nu este potrivit. Dispozitivele CCD, pe de alta parte, sunt pentru un scop mult mai general. Dimensiunea pixel-ului si rezolutia sunt fixe in dispozitiv, dar utilizatorul poate lua in considerare viteza indicata, intervalul dinamic, stivuirea, adancimea digitizarii, procesarea analoaga nonlineara si operarea                

Care costa mai putin?

Una din cale mai mari neintelegeri legata de senzorii de imagine o reprezinta costul. Multi propunatori ai CMOS au sustinut faptul ca tehnologia lor va fi mult mai ieftina deoarece va fi manuafacturiata la acelasi volum de procesare a linilor ca flux logic si dispozitive de memorie. Daca aceasta presupunere se dovedeste a fo adevarata, CMOS va fi mai ieftin decat dispozitivele CCD.

Totusi, aceasta inseamna ca senzorii de imagine CMOS si CCD nu au costuri semnificative diferite cand sunt produse in volume simulare. Ambele tehnologii ofera volume apreciabile, dar nici una nu are o dominanta de comanda peste altele pentru a stabili economii de neatins de scala. CMOS poate fi mai ieftina la nivelul sistemului decat CCD, atunci cand se considera costul functiile inrudite ale circuitului cum ar fi procesarea de semnal analog, digitizarea interfata si ciruitare de feed-back. Dar nu este mai ieftin la un nivel al componentului doar pentru functia in sine a senzorilor de imagine.