سنسور یا حسگر در دوربین مداربسته چیست؟

اختراع حسگرهای تصویر به دهه 1960 برمی گردد. سفری که با طراحی معماری حسگر MOSنیمه هادی اکسید فلز) در اوایل دهه 1960 و توسعه اولین دوربین دیجیتال در سال 1969 به آخرین تکنیک SPAD دیود بهمنی تک فوتونی Canon آغاز شد، فناوری حسگر راه طولانی را طی کرده است. با وجود این پیشرفت‌ها، سنسورهای CCD و CMOS برای دهه‌ها دو مورد از محبوب‌ترین فناوری‌های حسگر در فضای تصویربرداری باقی مانده‌اند.

هنگامی که هر دو نوع سنسور یا حسگر در دوربین مداربسته دارای مجموعه ای از مزایای خاص خود هستند، حسگرهای CMOS در سال های اخیر محبوب تر شده اند، به خصوص در فضای دید تعبیه شده. در حالی که اکثریت قریب به اتفاق بحث‌ها در مورد مقایسه این دو فناوری حول دوربین‌های تلفن همراه و سیستم‌های بینایی ماشین می‌چرخد، با توجه به دید تعبیه‌شده، چندان در مورد این موضوع صحبت نشده است.

در این مقاله، به طور خلاصه به برخی از تفاوت‌های کلیدی بین سنسورهای CMOS و CCD نگاه می‌کنیم، چرا CMOS در دید تعبیه‌شده روی CCD قرار می‌گیرد یا در حال شکست است، و آینده هر دو در دنیای تصویربرداری چه خواهد بود.

تعریف سنسور یا حسگر در دوربین مداربسته cmos با ccd چیست؟

هر دو فناوری CCD و CMOS از اثر فوتوالکتریک برای تبدیل بسته های نور (یا فوتون ها) به سیگنال های الکتریکی استفاده می کنند. همچنین این دو حسگر از چاه های پیکسلی تشکیل شده اند که این فوتون های ورودی را جمع آوری می کنند. تفاوت اساسی بین این دو در بازسازی یک تصویر از سیگنال های الکتریکی نهفته است.

اکنون اجازه دهید هر یک از این فناوری ها را به تفصیل بررسی کنیم تا در مورد شباهت ها و تفاوت های آنها بیشتر بدانیم.

سنسور یا حسگر در دوربین مداربسته CCD

سنسور یا حسگر در دوربین مداربسته CCD یک دستگاه آنالوگ است. در زیر لایه CCD، SSR ثبت‌کننده تغییر سریال قرار دارد که از یک طرف به یک تقویت‌کننده و از طرف دیگر به یک ADC مبدل آنالوگ به دیجیتال متصل است. بار در لایه CCD به SSR و سپس به تقویت کننده و ADC منتقل می شود. این شارژ از هر سایت پیکسل برای بازسازی تصویر خوانده می شود. برای درک نحوه عملکرد کل فرآیند، به نمودار زیر نگاه کنید:

در حسگر CCD، زمانی که فوتون ها به سیگنال های الکتریکی تبدیل می شوند، باری که باید به ولتاژ تبدیل شود از طریق تعداد محدودی گره منتقل می شود. این بدان معنی است که تنها چند تقویت کننده و ADC در حال کار هستند که به نوبه خود باعث ایجاد نویز کمتری در تصویر خروجی می شود.

سنسورهای CMOS

CMOS مخفف عبارت Complementary Metal Oxide Semiconductor است. تفاوت اصلی بین یک سنسور CMOS و یک سنسور CCD این است که سنسور اولی یک تقویت کننده در هر پیکسل دارد. در برخی از پیکربندی‌های حسگر CMOS، هر پیکسل یک ADC نیز دارد. این باعث ایجاد نویز بالاتر در مقایسه با سنسور CCD می شود. با این حال، این تنظیم امکان خواندن چندین پیکسل سنسور را به طور همزمان فراهم می کند. در بخش بعدی، ما همچنین خواهیم دید که چگونه حسگرهای CMOS با وجود این معایب با عملکرد CCD مطابقت دارند.

برای درک معماری سنسور CMOS، لطفاً به تصویر زیر نگاه کنید:

تفاوت های کلیدی بین سنسورهای CCD و CMOS

مقایسه 1 به 1 سنسورهای CCD و CMOS را می توان در 5 پارامتر مختلف انجام داد:

• حساسیت : تا همین اواخر، CCD در مورد تصویربرداری در شرایط کم نور و همچنین در ناحیه NIR (نزدیک مادون قرمز) برتری نسبت به CMOS داشت (در بخش بعدی بیشتر در مورد تصویربرداری در نور کم و NIR صحبت خواهیم کرد). با این حال، پیشرفت در فناوری حسگر CMOS به آن کمک می کند تا به سنسورهای CCD نزدیک شود.
• نویز و کیفیت تصویر : داشتن تعداد کمتر ADC و تقویت کننده به سنسورهای CCD کمک می کند تا تصاویر را با نویز کمتر در مقایسه با سنسورهای CMOS ارائه دهند. با این حال، سازندگان حسگر به طور مداوم تکنیک‌های نوآورانه‌ای را برای افزایش کیفیت تصویر حسگرهای CMOS ارائه می‌کنند.
• مصرف برق : در مقایسه با سنسورهای CCD، حسگرهای CMOS انرژی کمتری مصرف می‌کنند که به ویژه در سیستم‌های بینایی تعبیه‌شده که دارای اجزای تشنه‌ی انرژی دیگر هستند، مفید است.
• زنجیره تامین و در دسترس بودن : با دور شدن بیشتر تولیدکنندگان حسگر از فناوری CCD، در دسترس بودن این سنسورها در چند سال اخیر به شدت کاهش یافته است. همچنین، اگر به دنبال تامین‌کننده CCD هستید، احتمالاً در مقایسه با دنیای بزرگی از فروشندگان سنسورهای CMOS، گزینه‌های کمتری خواهید داشت.
• هزینه : CMOS به راحتی برنده مسابقه در مورد هزینه است.

سنسورهای CCD و سنسورهای CMOS برای تصویربرداری در نور کم و NIR

سنسورهای CCD انتخاب طبیعی بسیاری از توسعه دهندگان محصول برای مدت بسیار طولانی در ساخت دستگاه های مبتنی بر دوربین که نیاز به کار در شرایط نور کم یا منبع نور IR/NIR دارند، باقی ماندند. این امر به ویژه در محدوده دمای بالاتر که در آن سنسورهای CMOS برای حفظ سطح مورد نیاز QE (بازده کوانتومی – معیاری که حساسیت یک سنسور را نشان می‌دهد) به خنک‌کننده اضافی نیاز داشتند، صادق بود. این همچنین به دلیل این واقعیت بود که حسگرهای CCD انعطاف‌پذیری داشتن لایه بستر ضخیم‌تری برای جذب فوتون‌ها در طیف NIR را ارائه می‌دهند. اما پیشرفت‌های اخیر در فناوری حسگر CMOS باعث ایجاد حسگرهایی شده است که حساسیت بهتری نسبت به سنسورهای CCD سنتی دارند. به عنوان مثال، سری STARVIS سونی شامل طیف گسترده ای از سنسورها با عملکرد عالی در نور کم و حساسیت NIR است.

چرا حسگرهای CMOS برنده مسابقه در دید تعبیه شده هستند؟

همانطور که قبلاً بحث شد، دوربین‌های CMOS در بسیاری از پارامترهای تصویربرداری به دوربین‌های CCD نزدیک می‌شوند. کاهش هزینه ها با عملکرد منطبق، توسعه دهندگان محصول را ترغیب می کند تا سنسورهای CMOS را به جای سنسورهای CCD انتخاب کنند. همچنین، به همین دلیل، سازندگان حسگر نیز به تدریج از توسعه سنسورهای CCD جدید دور می شوند. از این رو تحقیقات یا پیشرفت زیادی در این فضا اتفاق نمی افتد. این منجر به یک اثر آبشاری می شود که محبوبیت سنسورهای CCD را در طول زمان کاهش می دهد.

علاوه بر این، بسیاری از برنامه‌های تصویربرداری مانند میکروسکوپ پزشکی که در مقایسه با سایر برنامه‌های بینایی تعبیه‌شده برای مدت طولانی‌تری با CCD باقی ماندند نیز به «موج CMOS» ملحق شده‌اند. علاوه بر این، سنسورهای CMOS علاوه بر مزایای مصرف انرژی، نرخ فریم بالاتر و محدوده دینامیکی بهتری را ارائه می دهند. این امر همچنین باعث شده است که شرکت‌های دوربین تعبیه‌شده به راه‌حل‌های پیشرفته دوربین با استفاده از حسگرهای CMOS بیایند. به عنوان مثال، مجموعه گسترده دوربین‌های CMOS e-con Systems شامل دوربین یو‌اس‌بی با فوکوس خودکار 16 مگاپیکسلی ، دوربین 4K HDR ، ماژول دوربین شاتر جهانی ، ماژول دوربین Full HD GMSL2 HDR با درجه IP67 ، دوربین هوشمند AI با رتبه IP66 و موارد دیگر است (برای دریافت یک نمای کامل از مجموعه دوربین های CMOS e-con Systems،

با در نظر گرفتن همه اینها، جای تعجب نیست که دوربین های CMOS بر پادشاهی دید تعبیه شده حکومت می کنند.

سنسورهای CCD و سنسورهای CMOS – آنچه در آینده خواهد داشت

با متوقف شدن پیشرفت‌های بیشتر، به زودی شاهد مرگ حسگرهای CCD خواهیم بود. در واقع، بسیاری از تولیدکنندگان حسگر قبلاً تولید حسگرهای CCD را سالها قبل متوقف کرده بودند، اما صرفاً به حمایت از مشتریان فعلی خود که از آنها استفاده می کنند، ادامه می دهند.

در حالی که همه چیز در سمت CCD تاریک است، آینده برای سنسورهای CMOS درخشان به نظر می رسد. از شاتر جهانی گرفته تا دوربین‌های با نور بسیار کم تا دوربین‌های با وضوح بالا، پیشرفت‌ها در فناوری CMOS به سرعت در حال حرکت هستند. با توجه به تمرکز تولید کنندگان پیشرو حسگر مانند سونی، Onsemi، Omnivision و غیره بر افزایش حساسیت، وضوح، محدوده دینامیکی، راندمان انرژی و غیره حسگرهای CMOS، نوآوری ها در فضا با سرعت رعد و برق اتفاق می افتد.

شما عزیزان میتوانید برای اطلاع از قیمت،مشخصات و نحوه فروش انواع دوربین مداربسته از این قسمت وارد شوید.