De la conversión fotoeléctrica a la generación de imágenes: diferencias esenciales en los principios de imagen

En muchos escenarios de aplicación de la automatización industrial, la visión automática y la investigación científica, las cámaras industriales, como el equipo central para la adquisición de información de imagen,afectan directamente a la exactitud y fiabilidad de todo el sistema en términos de su rendimiento.El componente central que determina el rendimiento de las cámaras industriales es el sensor de imagen.Entre los cuales, el CCD (dispositivo acoplado de carga) y el CMOS (semiconductor de óxido metálico complementario) son las dos rutas tecnológicas principales.Aunque ambos se basan en el mismo principio de conversión fotoeléctrica, que utiliza el efecto fotoeléctrico de los materiales semiconductores para convertir fotones en electrones,Hay diferencias fundamentales en los métodos de procesamiento y transmisión de señales.

El concepto de diseño de los sensores CCD es procesar de forma centralizada las señales fotoeléctricas: cuando la luz brilla sobre la matriz de píxeles, cada píxel genera un paquete de carga proporcional a la intensidad de la luz.Estos paquetes de carga requieren un complejo proceso de transferencia bajo un preciso control de pulso de reloj., las cargas de píxeles se desplazan línea por línea a un solo nodo de salida (o un número muy pequeño de nodos de salida) en el borde del chip,donde se realizan la conversión de carga a voltaje y la amplificación de la señalEste diseño garantiza que todas las señales de píxeles pasen por la misma trayectoria de señal, garantizando un alto grado de consistencia en la salida de señal.

En cambio, los sensores CMOS adoptan una arquitectura innovadora de procesamiento distribuido.pero también integra amplificadores independientes en miniatura y circuitos de conversión analógico a digitalEste diseño permite a cada píxel convertir cargas en señales de voltaje en el sitio y leerlas directamente a través de una red de cables de fila y columna que se cruzan.Aunque esta estructura mejora en gran medida la velocidad de lectura y reduce el consumo de energía, las diferencias de rendimiento entre millones de amplificadores en miniatura provocan inevitablemente problemas de consistencia de la señal.
Esta diferencia fundamental en la transmisión de la señal ha dado lugar a una serie de diferencias de rendimiento entre las dos tecnologías en aplicaciones de cámaras industriales. 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.

Comparación de cinco factores básicos de rendimiento: ruido, consumo de energía, resolución, sensibilidad y costo2.1 Rendimiento acústico y calidad de imagen

Los sensores CCD tienen la ventaja de controlar el ruido debido al procesamiento centralizado de la señal.se evitan las diferencias de amplificación entre píxelesEste diseño, combinado con la tecnología de unión PN madura o de la capa de aislamiento de dióxido de silicio, reduce efectivamente la generación de ruido de patrón fijo.proporcionando así una salida más pura y consistente en la calidad de imagenEspecialmente bajo condiciones de exposición prolongada o de poca luz, los sensores CCD pueden mantener niveles de ruido bajos, lo que los hace muy favorables en mediciones de precisión y aplicaciones de imágenes de poca luz.
En contraste, cada píxel de un sensor CMOS está equipado con un amplificador de señal independiente.Las pequeñas diferencias de rendimiento entre millones de amplificadores resultan en ruido de patrón fijo.Este ruido se manifiesta como interferencia de patrón fijo en la imagen, especialmente en escenas con iluminación uniforme.Las cámaras CMOS modernas de grado industrial han mejorado significativamente este problema a través del doble muestreo correlacionado (CDS) y algoritmos de corrección digital, y algunos productos de gama alta se han acercado o incluso alcanzado el nivel de calidad de imagen del CCD.

2.2 Diferencias entre la eficiencia energética y el consumo de energía

En términos de consumo de energía, CMOS presenta ventajas significativas.donde la carga generada por el diodo fotosensible se amplifica directamente y sale por el transistor adyacenteTodo el sensor sólo requiere una sola fuente de alimentación, y el consumo de energía típico es sólo de 1/8 a 1/10 de los CCD similares.Esta característica hace que CMOS sea la opción preferida para aplicaciones sensibles a la energía como dispositivos portátiles, sistemas embebidos y conjuntos de cámaras múltiples.
El alto consumo de energía del CCD se debe a su mecanismo de transferencia de carga pasiva.Requiere tres conjuntos de fuentes de alimentación con diferentes voltajes (generalmente 12-18V) y un circuito de control de reloj complejo para conducir la transferencia de cambios de cargasEsto no sólo aumenta la complejidad del diseño de la fuente de alimentación, sino que también provoca problemas de disipación de calor - cuando se trabaja a alta resolución o alta velocidad de fotogramas,el aumento de la temperatura del CCD aumentará aún más el ruido térmicoPor lo tanto, los sistemas industriales que utilizan cámaras CCD a menudo requieren dispositivos adicionales de disipación de calor.

2.3 Resolución y diseño de píxeles

Cuando se comparan sensores del mismo tamaño, el CCD generalmente proporciona una resolución más alta.casi toda la zona de píxeles se puede utilizar para fotosensibles, y la proporción de área fotosensible (factor de llenado) puede alcanzar más del 95%. Y cada píxel en CMOS requiere la integración de transistores y componentes de circuito adicionales,que reducen el área fotosensible efectiva en estas "regiones no fotosensibles"Por ejemplo, para sensores con una especificación de 1/1.8 pulgadas, el CCD puede lograr una resolución de 1628 × 1236 (4,40 μm de píxeles), mientras que el CMOS generalmente tiene una resolución de 1280 × 1024 (5,2 μm de píxeles).
Sin embargo, la tecnología CMOS está reduciendo gradualmente esta brecha a través de diseños iluminados por atrás (BSI) y apilados.CMOS con iluminación trasera utiliza un chip flip para dirigir la luz hacia el área fotosensible desde la parte posterior, evitando la capa de circuito en la parte delantera y mejorando significativamente el factor de llenado.CMOS apilado separa y fabrica la capa fotosensible de la capa del circuito de procesamiento antes de la uniónEstas innovaciones permiten a las cámaras industriales CMOS modernas de gama alta proporcionar resoluciones de más de 20 millones de píxeles,satisfacer la gran mayoría de las necesidades de inspección industrial.

2.4 Sensibilidad a la luz y bajo rendimiento lumínico

En términos de sensibilidad, los sensores CCD mantienen sus ventajas tradicionales.proporcionando un mejor rendimiento de la relación señal-ruidoLos datos de las pruebas muestran que el ojo humano puede reconocer objetos con una iluminación de 1 lux (equivalente a una noche de luna llena), y el rango de sensibilidad del CCD es de 0,1-3 lux,Mientras que los CMOS tradicionales requieren una iluminación de 6-15Lux para funcionar eficazmente, esto significa que en entornos de poca luz por debajo de 10Lux, los CMOS tradicionales apenas pueden capturar imágenes utilizables.
Esta diferencia es particularmente crítica en aplicaciones especiales como los endoscopios industriales, el monitoreo de la visión nocturna y las observaciones astronómicas.El CMOS moderno ha mejorado significativamente el rendimiento en condiciones de poca luz a través de diseños de píxeles grandes (como tamaños de píxeles superiores a 3 μ m) y tecnología avanzada de matriz de microlentesAlgunos sensores CMOS de gama alta incluso han logrado una eficiencia cuántica (QE) más allá del CCD a través de la tecnología de iluminación trasera, logrando una eficiencia de conversión de fotones de más del 95% a longitudes de onda específicas.

2.5 Costo de fabricación y consideraciones económicas

En términos de estructura de costes, CMOS tiene una ventaja abrumadora.Los sensores CMOS utilizan el mismo proceso de fabricación que los circuitos integrados de semiconductores estándar y pueden producirse en masa en fábricas de obleas que producen chips de computadora y dispositivos de almacenamientoEsta compatibilidad de procesos reduce significativamente los costes unitarios. Al mismo tiempo, la alta integración de CMOS permite a los fabricantes de cámaras desarrollar "cámaras a nivel de chip" - que integran sensoresProcesadores, y circuitos de interfaz en un solo chip, simplificando aún más el proceso de ensamblaje y los requisitos de circuitos periféricos.
Por el contrario, el proceso de fabricación del CCD es único y complejo, ya que solo Sony y DALSA, Panasonic y algunos otros fabricantes tienen capacidad de producción.Su mecanismo de transferencia de carga es extremadamente sensible a los defectos de fabricación: un fallo de un solo píxel puede dar lugar a la imposibilidad de transmitir toda la fila de datos, reduciendo significativamente la tasa de rendimiento.Las cámaras CCD requieren circuitos de apoyo adicionales (incluidos los controladores de tiempo), convertidores analógicos a digitales y procesadores de señal), que en conjunto elevan el precio del producto final, haciendo que el costo de las cámaras industriales CCD sea típicamente de 1.5 a 3 veces la de las cámaras CMOS de las mismas especificaciones.