دسته بندی ها

تقاوت CMOS و CCD چیست؟

حسگرهای تصویر CCDوCMOS
دوربین های دیجیتال و دوربین های معمولی دارای مشترکاتی می باشند: هر دو دارای جعبه ای هستند که بروی این جعبه یک لنز وجود دارد که وظیفه این لنز مشاهده تصویر و انتقال نور این تصویر به درون محفظه می باشد. ولی تفاوت از اینجا آغاز می شود که وظیفه ثبت این تصاویر در دوربین های معمولی بر عهده یک فیلم حساس به نور است که با برخورد نور منعکس شده از لنز به این فیلم و طی یک عملیات شیمیایی عکس ظاهر می گردد ، در حالیکه در دوربین های دیجیتال نه تنها از فیلم خبری نیست بلکه احتیاجی نیز به عملیات شیمیایی جهت ظهور عکس نمی باشد. در عوض در اینگونه وسایل چیپ یا سنسور حساس به نوری وجود دارد که با جذب نور ساطع شده از لنز آن را به بارهای الکتریکی تبدیل می کند . پس هرچه این چیپ ها زیادتر باشند نور بیشتری دریافت می گردد و در نتیجه عکس با کیفیت تری داریم . ولی اینجا یک مشکل وجود دارد و آن هم این است که این سلول ها ( چیپ ها ) به تنهایی قادر به تشخیص رنگها نیستند، لذا طی عملیات نورگیری فیلترهائی جهت تشخیص رنگهای اصلی در جلوی سنسور بکار می روند . خروجی این فیلترها بصورت آنالوگ می باشند که پس از عبور از یک مبدل به دیجیتال تبدبل می گردند .هر باز تابش نور در پرتو ساطع شده از جسمی که از آن عکس گرفته شده است ، بعنوان یک پیکسل ( کوچکترین واحد قابل مشاهده هر عکس ) شناخته می شود که در نهایت این پیکسل ها تصویر کلی را تشکیل می دهند. CCD مخفف عبارت Charge Coupled Device است.
 
CCD یک شیفت رجیستر آنالوگ است که امکان جابجایی سیگنالهای آنالوگ (بارهای الکتریکی) را در میان طبقات متوالی با کنترل سیگنال کلاک فراهم می کند.
 
در سال 1970 میلادی هنگامیکه نخستین کامپیوتر های شخصی متولد شدند، عنصری نیمه هادی با نام CCD به عنوان حافظه دیجیتالی و ذخیره کنندۀ اطلاعات مطرح گردید. CCD در مقابل نور حساس بوده و بیشتر از اینکه عنصری ذخیره کننده برای اطلاعات باشد می تواند عاملی برای تبدیل نور و تصویر به جریان الکتریکی باشد. پایه و اساس CCD ذخیره اطلاعات به صورت بار الکتریکی و هدایت آنها به حلقه خروجی در زمانهای دلخواه است.
CCD یک مدار مجتمع شامل آرایه سنسورهاست که نور را دریافت و به سیگنال الکتریکی تبدیل می کنند و بر اساس شدت نور تابیده شده سیگنال های الکتریکی متفاوتی بدست می آید. این سیگنال ها به مبدل آنالوگ به دیجیتال داده می شوند تا پس از تبدیل به بیتهای صفر و یک کد بندی و ذخیره شوند.
 اما همه دوربین ها از چیپ CCD بعلت گران بودن و مشکل بودن ساخت آن استفاده نمی کنند، بلکه بعضی از سنسور دیگری بنام Compelementary Metal Oxide Semiconductor) CMOS ) استفاده می کنند. تکنولوژی بکار رفته در اینگونه چیپ ها مشابه فناوری تولید ریزپردازنده ها و مدارات مجتمع می باشد. این گونه حسگرها نسبت به نوع قبلی ارزانتر بوده و راحت تر ساخته می شوند و از نظر مصرف انرژی نیز بسیار مقرون به صرفه می باشند و در مجموع CMOS ها نسبت به همتایان CCD خود بسیار سبکترند.
البته این خصوصیات خوب مشکلات خاص خود را نیز دارد، جاییکه این حسگرها دارای حساسیت کمتری بوده و در نتیجه کیفیت تصویری پائین تری دارند.
اگر به ساختار شماتیک سنسورهای CCD و CMOS نگاه کنیم، در نگاه اول متوجه اختلاف میان این دو خواهیم شد ، آنچه مسلم است هر دوی این سنسورها نیمه هادی هائی با قابلیت ذخیره نور در قالب پیکسل ها می باشند، ولی تفاوت در این جاست که در سنسورهای CCD بعد از عملیات نور گیری ، پکهای بار که هر کدام متناسب با یک پیکسل می باشند متناوباً به بخش خروجی هدایت می گردند که در آنجا کل بار مورد بحث به ولتاژ تبدیل شده و پس از عبور از یک بافر به خارج از چیپ هدایت می گردد.
 
در چیپ CMOS عملیات تبدیل بار به ولتاژ بجای اینکه در مرحله آخر و بصورت کلی انجام پذیرد، در هر پیکسل و بطور جداگانه صورت می گیرد. این تفاوت در نحوه بازخوانی اطلاعات، تفاوت عمده ای در ساختمان ، توانائی ها و محدودیت های چیپ مورد بحث ایجاد می کند . در اینجا چند ویژگی کاربردی برای یک سنسور ایده آل را بیان می کنیم و محدودیت ها و مزایای هر کدام از سنسور های CCD و CMOS را بر می شماریم:
1- عملکرد بالا ( مقدار سیگنالی که سنسور به ازای هر واحد انرژی نورانی ورودی، باز پس می دهد)
CMOSها در اینجا بسیار از CCD ها بهتر عمل می کنند چون عناصر بهبود راندمان، بسیار ساده تر در ساختمان CMOS ها قرار می گیرند، در حالیکه CCD ها همواره دارای اتلاف انرژی زیادی هستند. البته این موضوع با تکنیکهای جدید تولید CCD به چالش کشیده شده است .
2- یکنواختی و متناسب بودن نور در کلیه نقاط : بصورت ایده آل کلیه نقاط می بایست دارای نور یکنواختی باشند و این عملکردهای غیر خطی هستند که غیر یکنواختی ها را بوجود می آورد. البته می بایست میان یکنواختی تصویر در نور کامل و یکنواختی در تاریکی نسبی تفاوت قائل شد .
CMOS ها در این مرحله بطور نسبی بد عمل می کنند، چون هر پیکسل بصورت جداگانه آنالیز می شود و فیدبکی از خروجی برای تنظیم نور وجود ندارد. البته با وجود تقویت کننده هائی که از خروجی برای تصحیح نور فیدبک می گیرند کیفیت تصویر CMOS ها تقریباً به CCD ها نزدیک شده است ( البته هنوز درمورد فضای تاریک، CMOS ها در مقابل CCD ها حرفی برای گفتن ندارند که در تصویر برداری های با سرعت بالا، جائیکه سرعت بالا به معنی رسیدن نور کمتری به سنسور است این موضوع موجب تاثیر در کیفیت کل تصویر می گردد).
3- سرعت : جائیکه بطور قابل ملاحظه ای CMOS ها از CCD ها پیشی می گیرند. چون در آنها کلیه عملیات دوربین تا مرحله ظهور بروی صفحه در سنسور آن صورت می گیرد . که البته سازندگان CMOS ها بخاطر کاربرد عمومی این سنسورها در دوربین های معمولی به سرعت آن توجه خاصی داشته اند حال آنکه درمورد CCD ها که در موارد خاص صنعتی ، طبی و ... بصورت حرفه ای استفاده می گردند، این فاکتور بطور اخص مورد اهمیت قرار نگرفته است.
نتیجه گیری و انتخاب سنسور :
CMOS ها دارای مدارات مجتمع پیشرفته تر ، اتلاف انرژی کمتر و اندازه های کوچکتر در مقابل کیفیت تصویری که ارائه می دهند ، می باشند و همچنین برای تولید انبوه دارای تکنولوژی مناسب تری هستند و در جاهایی که کیفیت تصویر اهمیت چندانی ندارد کاربرد فراوان دارند، از قبیل : دوربین های مدار بسته ، دور بین های ویدئو کنفرانس، اسکنرهای بارکد ، ماشین های فکس و...،در مقابل CCDها کیفیت تصویر بالاتری ارائه می دهند و برای کاربردهایی که احتیاج به کیفیت بالائی دارند همچنان بهترین انتخاب می باشد همانند عکاسی های دیجیتال ، دوربین های تلویزیونی ، تصاویر صنعتی با دقت بالا و استفاده های علمی و صنعتی دیگر.
پس در کل این دو نوع سنسور دارای کاربرد متفاوتی می باشند و با توجه به اینکه قیمت های هر دو نوع سنسور در دوربین های تجاری چندان تفاوتی نمی کند می بایست انتخابی متناسب با کاربرد نمود .
 
حساسیت
حساسیت اشاره دارد به دریافت جزئیات مطلوب از روشنایی صحنه معین، همچنین معروف به film speed است.
تطبیق حساسیت حسگر با روشنایی صحنه یکی از اساسی ترین جنبه های عکاسی است. سنسور تصویر سیلیکون، اطلاعات تصویر را دریافت می کند و بر اساس آن قادر است نور را به انرژی الکتریکی تبدیل کند که به این عمل ناشی از برخورد، فوتو الکتریک می گویند. فوتونها سطوح انرژی را در شبکه سیلیکونی تقویت و در اثر برخورد الکترونها ، بار الکتریکی به شکل جفت های حفره و الکترون در می آیند.
 
 
حساسیت حسگر تصویر به سایز ناحیه حساس به نور بستگی دارد (پیکسل بزرگتر فوتون های بیشتری را جذب می کند) و راندمان تبدیل فوتون به الکتریسیته (که به quantum efficiencyیا QE معروف است) نامیده می شود. QE نتیجه طراحی پیکسلبا طول موج های نوری است. روی پیکسل ساختارهای غیر حساس نوری هستند، که نور را جذب می کنند (تلفات جذب). همچنین سیلیکون به طور طبیعی طول موجهای خاصی را منعکس می کند (تلفات انعکاس). و ممکن است طول موج های خیلی کوتاه و خیلی بلند به طور کامل از میان لایه پیکسل های حساس به نور بدون تولید الکترونی عبور کند (تلفات انتقال).
 
حساسیت بیشتر از این مقدار بار الکتریکی تولید شده، نیاز به الکترون های تولید کننده فوتون دارد. برای به کار بردن حساسیت سنسور ها باید قادر باشیم سیگنال تولیدی را اندازه گیری و مدیریت کنیم، به طوری که اتلاف نداشته باشیم و آن ها با نویز محو نشوند.
اساس حسگر حالت جامد
عملکرد کلیه حسگر های تصویر بر اساس بهره برداری از اثر فوتوالکتریک است که نور را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند و تمام حسگر های CCD و CMOSباید همان وظایف اساسی را انجام دهند:
 
تولید و جمع آوری بار الکتریکی
اندازه گیری آن و تغییر به ولتاژ یا جریان
خروج سیگنال
وجود تفاوت در مکانیزم ها و استراتژی ها انجام آن اعمال را توسعه بخشید.
 
تولید و جمع آوری بار الکتریکی
اگر چه تفاوتهای مهمی بین CCDو CMOS وجود دارد و تفاوت های زیادی بین طراحی انواع وسیعی از آن ها است، حسگرهای CCDو CMOS از نظر عناصر اساسی با هم مشترک هستند.
تولید و جمع آوری بار الکتریکی اولین وظیفه ی پیکسل های سیلیکونی است. گیت های نوری و دیودهای نوری عمده ای از طراحی پیکسل ها را تشکیل می دهند که هر کدام از اینها می توانند به عنوان حسگر تصویر در CCD و CMOS به کار روند. دیود های نوری دارای یون هایی هستند که در سیلیکون جاسازی شده اند تا پیوندهای متالوژیکی (p-n) را به وجود بیاورند و می توانند در اطراف پیوند و در ناحیه تخلیه، جفت حفره های الکترونی تولید شده نوری را ذخیره کنند.
 
گیت های نوری از ظرفیت های MOS برای تولید ولتاژ استفاده می کنند . چاه های پتانسیل القا شده برای ذخیره الکترونهای تولید شده ی نوری به کار می رود. هر نگرشی نقاط ضعف و قوت ویژه ای را دارا می باشد.
نقاط قوت اثر دیود های نوری fill factor بالای آنهاست. در دیود های نوری ccd بیشتر از٪ 100پیکسل میتواند حساس به نور باشد. fill factor بالا اهمیت دارد زیرا پیکسل را مجاز می کند که از نور های تابشی استفاده بیشتری کند.
پیکسل های CMOS چه دیود نوری یا گیت نوری به تعداد زیادی ترانزیستور غیر شفاف بالای هر پیکسل احتیاج دارند ( برای نمونه 3 ، 4 و 5 ) که به کاهش fill factor کمک می کند و هر طراحی راهی برای سلب کردن این ضعف است : گیت های نوری می توانند از یک لایه خیلی نازک شفاف از گیت های چند لایه برای کمک به حساسیت استفاده کنند، حال آنکه دیودهای نوری (هم ccd و هم cmos)از میکرو لنز برای تقویت موثر fill factor استفاده می کنند.
 
 
اندازه گیری سیگنال
برای اندازه گیری بار الکتریکی جمع شده از خازنی برای تبدیل بار الکتریکی به ولتاژ استفاده می شود. CCD این عمل را در گره خروجی تحقق می بخشد و همچنین ولتاژ را تقویت و آن را به گره خروجی ارسال می کند. برای دریافت تمام بسته های بار الکتریکی در گره خروجی،
CCD بسته های بار الکتریکی را مانند سطل هایی پی در پی در امتداد دستگاه به صورت پلی از سطلها حرکت می دهد. این بزرگترین تفاوت میان حسگرهای CCD و CMOS است. CCDها بار الکتریکی را پیکسل به پیکسل به گره خروجی حرکت می دهند در حالی که حسگر های CMOS در درون پیکسل بار الکتریکی را به ولتاژ تبدیل می کنند