Principii Generale de Funcționare a Senzorilor CMOS/CCD
Senzorul fotosensibil este inima oricărei camere. El este cel care transformă lumina incidentă într-un semnal electric. Fiecare senzor este o plăcuță special pregătită de siliciu, având o suprafață fotosensibilă împreună cu echipamentul auxiliar necesar. Senzorii se împart în două tipuri principale: CCD (Charge-Coupled Device) și CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor).
Principiul general de funcționare atât al senzorilor CCD, cât și al celor CMOS este același. Lumina care cade pe plăcuța de siliciu eliberează electroni, care apoi se acumulează în zone numite pixeli. Numărul de sarcini acumulate este proporțional cu intensitatea luminii incidente. Electronii colectați sunt apoi convertiți în tensiune, iar aceasta, la rândul ei, în date digitale cu ajutorul convertoarelor A/D (analog-digitale). Combinarea informațiilor de la toți pixelii rezultă într-o imagine completă, care este stocată în memorie.
Senzorii oferă informații doar despre cantitatea de lumină care a căzut la un moment dat pe un anumit pixel. Nu este greu de ghicit că imaginea brută stocată în memorie va fi în nuanțe de gri. Modul în care se înregistrează o imagine color este descris în detaliu în partea următoare a textului.
Ce anume diferențiază atunci senzorii CCD și CMOS? Modul și ordinea de citire a informațiilor din fiecare pixel. Aplicarea diferitelor tehnologii a dus la efecte diferite în funcționalitate și în rezultatele obținute.
Senzori CCD
Primul senzor CCD a fost creat în 1969 și era compus din 8 pixeli aranjați într-o coloană. Ceea ce a impulsionat inițial dezvoltarea acestei tehnologii au fost observațiile spațiale. Zeci de ani de dezvoltare au făcut ca tehnologia CCD să fie prezentă în prezent într-un număr imens de dispozitive, atât industriale, cât și de uz cotidian.
Un senzor CCD este o plăcuță de siliciu împărțită în pixeli, adică zone pătrate izolate electric una de cealaltă. În timpul înregistrării imaginii, în aceștia se acumulează o sarcină proporțională cu intensitatea luminii incidente. Într-un senzor CCD, datele din pixeli sunt citite pe rânduri întregi, ceea ce înseamnă că nu există posibilitatea de a citi valoarea unui singur pixel. Așa cum se vede în figura de mai jos, rândul situat în partea de jos este mutat în canalul de citire, unde valorile sarcinilor acumulate în pixelii succesivi sunt transformate proporțional în tensiune.
Schemă reprezentând modul de funcționare al senzorului CCD.
Apoi, această tensiune trece printr-un convertor A/D, la ieșirea căruia obținem date digitale, stocate în cele din urmă în memoria camerei. După colectarea informațiilor despre întregul rând, informațiile despre următorul pachet de pixeli sunt mutate în canal și așa mai departe, până la colectarea datelor de pe întregul senzor. Rândurile individuale, în fiecare ciclu, coboară un nivel, până când sunt citite și convertite în date de imagine. O astfel de soluție nu permite accesul la pixeli individuali până când datele de pe întregul senzor nu sunt citite și stocate în memoria camerei.
Senzori CMOS
Paradoxal, tehnologia senzorilor CMOS este cunoscută de aproximativ aceeași perioadă de timp ca și CCD. Cu toate acestea, pentru o lungă perioadă, a fost dificil de stăpânit până la un nivel care să permită producția în serie. Principiul general de funcționare al unui senzor CMOS este identic cu cel al unui senzor CCD – și aici, sarcina acumulată este transformată într-un impuls electric. Diferența constă doar în metoda de conversie, precum și în calea ulterioară de transmitere a acestui semnal.
Schemă reprezentând funcționarea senzorului CMOS.
Așa cum s-a menționat mai sus, senzorii CMOS acumulează, de asemenea, date despre intensitatea luminii sub formă de sarcină. Ceea ce diferențiază această tehnologie de senzorii CCD este posibilitatea de a accesa fiecare pixel individual în coordonatele (x, y). Mai mult, spre deosebire de senzorii CCD, unde în întregul sistem exista doar un singur convertor de sarcină acumulate în tensiune, în senzorii CMOS, fiecare pixel posedă un astfel de element. Modelele mai scumpe și mai avansate au, de asemenea, convertoare analog-digitale (DAC) dedicate pentru pixeli individuali. O astfel de soluție permite, de exemplu, creșterea vitezei de citire a datelor și, implicit, îmbunătățirea funcționării întregii camere și a sistemului de viziune. Pe de altă parte, trebuie reținut că toate aceste elemente ocupă spațiu suplimentar pe suprafața senzorului. De aceea, senzorii CMOS au, de obicei, o suprafață fotosensibilă mai mică decât senzorii CCD. Pentru a crește cantitatea de lumină colectată, o practică frecventă este utilizarea unei matrici de microlentile. Acestea permit concentrarea unei cantități mai mari de lumină pe suprafața fotosensibilă.
Ce este CMOS mai bun decât CCD?
- Viteză de operare: Senzorii CMOS oferă o viteză de operare mai mare decât CCD. Spre deosebire de senzorii CCD, în care fiecare pixel transformă lumina de intrare în tensiune trimisă de pe cip printr-un număr limitat de noduri de ieșire (unul la câțiva), în senzorii CMOS fiecare pixel conține un amplificator și, uneori, chiar convertoare analog-digitale.
- Consum de energie: Senzorii CCD consumă mai multă energie, ceea ce duce la o durată de funcționare mai scurtă a echipamentelor alimentate cu baterii.
- Cost de producție: Fabricarea senzorilor CMOS este mai ieftină decât a celor CCD, deoarece senzorii CMOS pot fi produși pe mașini care fabrică alte elemente în tehnologia CMOS (CMOS nu înseamnă doar senzori!).
- Cantitatea de zgomot în transmiterea datelor: La senzorii CMOS, distanța fotodiodă – convertor DAC este mai mică decât la CCD, de aceea există o șansă mai mică de distorsiune a semnalului pe calea de transmisie.
Primele senzori CMOS se caracterizau printr-o cantitate mare de zgomot. În modelele actuale, nivelul acestora este comparabil cu cel al senzorilor CCD.
Ce este CCD mai bun decât CMOS?
- Suprafață fotosensibilă: Senzorii CMOS se caracterizează printr-o fotosensibilitate mai mică în comparație cu CCD, datorită necesității de a plasa amplificatoare și convertoare lângă fiecare pixel.
Rolling Shutter vs. Global Shutter
O altă chestiune este modul de funcționare al obturatorului. Se disting două moduri: rolling shutter și global shutter. În configurația global shutter, toți pixelii senzorului încep și termină expunerea în același moment, în timp ce în configurația rolling shutter, senzorul este expus continuu de sus în jos, adică pixelii dintr-un singur rând încep și termină expunerea în același moment. Analogic este și cu citirea informațiilor. Din fiecare mod de funcționare rezultă beneficii diferite. Senzorii global shutter permit înregistrarea obiectelor în mișcare rapidă, fără efect de estompare, în timp ce tehnologia rolling shutter este de obicei mai ieftină și funcționează bine pentru observarea unui mediu care se schimbă lent.
Culoare
Senzorii înșiși colectează informații doar despre intensitatea luminii incidente. Pentru a da culoare imaginilor, se folosesc diverse tehnologii. Cea mai populară este filtrul Bayer. Aceasta este o matrice de filtre care reflectă structura și dimensiunea senzorului folosit. Fiecare pătrățel al filtrului permite trecerea doar a uneia dintre cele trei componente R, G, B (respectiv, componenta roșie, verde, albastră). Datorită acestui fapt, informația dată de pixel este echivalentă cu intensitatea unei singure componente. Valorile de pe întreaga matrice sunt apoi interpolate și combinate într-o singură imagine color. Este de menționat că filtrele de culoare individuale nu sunt distribuite uniform pe matrice. La fiecare 4 pixeli corespund doi pixeli verzi și câte unul albastru și roșu. O astfel de abordare se datorează specificului vederii ochiului uman, care este mai sensibil la culoarea verde decât la celelalte componente. Dezavantajul utilizării filtrului Bayer este că limitează rezoluția reală a matricei și necesită interpolarea culorii.
Filtrul Bayer
O altă soluție este un sistem de prisme care separă lumina în trei componente, așa cum este prezentat în diagrama de mai jos. Avantajul incontestabil al unei astfel de soluții este că nu limitează rezoluția reală a senzorului, obținându-se astfel o imagine de foarte înaltă calitate. Cu toate acestea, o astfel de soluție este foarte costisitoare. Pe lângă sistemul de prisme în sine, necesită utilizarea a trei senzori identici pentru fiecare componentă R, G, B.
Sistem de prisme care separă lumina în trei componente.
Ultima dintre soluțiile întâlnite sunt senzorii compuși din trei straturi suprapuse, unde fiecare strat înregistrează informații despre o componentă a luminii și permite trecerea restului către straturile inferioare. Nici aici nu există o limitare a rezoluției senzorului. Totuși, această soluție este foarte rar întâlnită în rândul dispozitivelor comerciale.
Senzori „Backside Illumination” (BSI)
Senzorii CMOS moderni oferă imagini de cea mai înaltă calitate, chiar și în condiții de iluminare limitată, în ciuda suprafeței fotosensibile mai mici. În acest sens, se remarcă în mod deosebit senzorii fabricați în tehnologia BSI („Backside Illumination” – iluminare din spate). O astfel de soluție presupune mutarea tuturor elementelor de control și a căilor pe cealaltă parte a senzorului, astfel încât lumina concentrată de microlentile să cadă direct pe stratul fotosensibil. Stratul suplimentar de elemente de pe suprafața frontală a senzorului cauza pierderi foarte mari din cauza reflexiilor și refracțiilor multiple și, implicit, o luminozitate mai scăzută a imaginii și un zgomot mai mare. Senzorii CMOS BSI, precum Sony STARVIS, utilizați în cele mai noi camere ale companiei Basler, permit capturarea unei imagini clare și detaliate chiar și în condiții de noapte.
În ultimii ani, senzorii CMOS, datorită calității îmbunătățite a imaginii și a vitezei de operare, câștigă o popularitate tot mai mare și înlocuiesc treptat tehnologia anterioară.
