سنسور تصویر CCD و CMOS

تا همین چند سال قبل، برخی شرکت‌های واردکننده و فروشگاه‌های خیابان جمهوری تهران، براشون افت داشت که صحبت از دوربین مداربسته با سنسور CMOS کنند. در این مقاله قصد داریم به برخی از سوالات شما در مورد نبرد بین CCD و CMOS پاسخ دهیم. بالاخره کدام بهتر است؟ چرا در حال حاضر در دیتاشیت‌های دوربین مدار بسته بیشتر CMOS را می‌بینیم تا CCD؟ کیفیت سنسور تصویر با تکنولوژی CCD بیشتر هست یا CMOS؟ با ما در این مسیر همراه باشید. 

تکنولوژی ساخت سنسورهای تصویر دوربین مدار بسته

هنگامی که یک تصویر توسط دوربین ثبت می‌شود، نور از لنز عبور می‌کند. تصویر روی سنسور می‌افتد. سنسور تصویر از عناصر تصویری تشکیل شده است که پیکسل نامیده می‌شود. پیکسل میزان نوری را که بر روی آنها می‌تابد، ثبت می‌کند. آنها مقدار نور دریافتی را به تعداد متناظر الکترون تبدیل می‌کنند. هر چه نور قوی‌تر باشد، الکترون‌های بیشتری تولید می‌شود. 

در حال حاضر، دو فناوری اصلی وجود دارند که می‌توان از آنها برای سنسور تصویر در دوربین استفاده کرد.

• CCD 
• CMOS

نحوه طراحی آنها، نقاط قوت و ضعف مختلف، در قسمت های بعدی توضیح داده خواهند شد. شکل زیر سنسورهای تصویر CCD و CMOS را نشان می‌دهد.

فیلتر رنگی در Image Sensor چیست؟

حسگرهای تصویر میزان نور را از روشن به تاریک بدون اطلاعات رنگ ثبت می‌کنند. از آنجایی که سنسورهای CMOS و CCD "بدون رنگ" هستند، فیلتری در جلوی سنسور طراحی شده و به سنسور اجازه می‌دهد تا رنگ‌های مختلف را به هر پیکسل اختصاص دهد. دو روش رایج ثبت رنگ عبارتند از RGB (قرمز، سبز و آبی) و CMYG (فیروزه ای، سرخابی، زرد و سبز). 

قرمز، سبز و آبی رنگ‌های اصلی هستند که در ترکیب‌های مختلف می‌توانند بیشتر رنگ‌های قابل مشاهده برای چشم انسان را تولید کنند.

ترتیب قرارگیری Bayer که دارای ردیف‌های متناوب فیلترهای قرمز-سبز و سبز-آبی است، رایج ترین فیلتر رنگی RGB است.(شکل زیر سمت چپ). از آنجایی که چشم انسان نسبت به دو رنگ دیگر به رنگ سبز حساس‌تر است، ترتیب قرارگیری Bayer دو برابر فیلترهای دیگر رنگ سبز دارد. به این معنی که با ترتیب قرارگیری Bayer، چشم انسان می‌تواند جزئیات بیشتری را نسبت به زمانی که از سه رنگ در اندازه‌های مساوی در فیلتر استفاده می‌شد، تشخیص دهد.

راه دیگر برای فیلتر‌کردن یا ثبت‌رنگ، استفاده از رنگ‌های مکمل - فیروزه ای، سرخابی و زرد است. فیلترهای رنگی مکمل روی سنسورها، اغلب با فیلترهای سبز ترکیب می‌شوند تا یک آرایه رنگی CMYG را تشکیل دهند(شکل 2 سمت راست). 

سیستم CMYG به دلیل عبور باند طیفی گسترده‌تر، به طور کلی سیگنال، پیکسل بالاتری را ارائه می‌دهد. با این حال، سیگنال‌ها باید به RGB تبدیل شوند، زیرا در تصویر نهایی از RGB استفاده می‌شود. نتیجه این است که بهره وری اولیه در انتقال سیگنال به نویز کاهش می‌یابد و سیستم CMYG اغلب برای ارائه دقیق رنگ‌ها مناسب نیست.

از سنسورهای تصویر CMOS در دوربین های وای فای نیز استفاده شده است. 

تکنولوژی سنسور تصویر CCD

در سنسور CCD، نور (بار) که روی پیکسل‌های سنسور می‌افتد، از طریق یک نود (node) خروجی یا فقط چند (node) خروجی از تراشه منتقل می‌شود. سیگنال الکتریکی به سطوح مختلف ولتاژ تبدیل، و بافر می‌شوند. و به‌عنوان سیگنال آنالوگ ارسال می‌شوند. سپس این سیگنال با استفاده از مبدل A/D در خارج از سنسور تقویت شده و به اعداد تبدیل می شود، شکل زیر را ببینید.

فناوری CCD به طور خاص برای استفاده در دوربین‌ها ایجاد شده است و سنسورهای CCD بیش از 30 سال است که استفاده می‌شوند. 

به طور سنتی، سنسورهای CCD در مقایسه با سنسورهای CMOS دارای مزایایی مانند حساسیت بهتر به نور و نویز کمتر هستند. اما در سال های اخیر این تفاوت ها از بین رفته است.

معایب سنسورهای تصویر CCD

• قطعات CCD آنالوگ هستند که به مدارهای الکترونیکی بیشتری در خارج از سنسور نیاز دارند.
• تولید آنها گرانتر است. 
• تا 100 برابر بیشتر از سنسورهای CMOS انرژی مصرف می‌کنند. 
• افزایش مصرف انرژی می‌تواند منجر به مشکلات گرمایی در دوربین مدار بسته شود که بر کیفیت تصویر تاثیر منفی می‌گذارد.
• هزینه و اثرات زیست محیطی محصول را افزایش می‌یابد.
• سنسورهای CCD همچنین به سرعت داده بالاتری نیاز دارند.
• همه چیز باید فقط از یک تقویت‌کننده خروجی یا چند تقویت‌کننده خروجی عبور کند.

 شکل زیر که یک PCB CCD را نشان می دهد، مشاهده کنید.

تکنولوژی سنسور تصویر CMOS

در گذشته، تراشه‌های معمولی CMOS برای اهداف تصویربرداری استفاده می‌شدند، اما کیفیت تصویر به دلیل حساسیت پایین به نور، ضعیف بود. سنسورهای مدرن CMOS از فناوری تخصصی‌تری استفاده می‌کنند. کیفیت و حساسیت به نور سنسورها در سال‌های اخیر به سرعت افزایش یافته است.

تراشه‌های CMOS چندین مزیت دارند. برخلاف سنسور CCD، تراشه CMOS دارای تقویت‌کننده‌ها و مبدل‌های A/D است که هزینه دوربین‌ها را کاهش می‌دهد. زیرا شامل تمام موارد مورد نیاز برای تولید یک تصویر مناسب است.

در مقایسه با سنسورهای CCD، سنسورهای CMOS دارای امکانات بهتر و عملکردهای بیشتری هستند. با این حال، افزودن مدار در داخل تراشه می‌تواند منجر به خطر ایجاد نویز‌، مانند نوارها و الگوهای دیگر شود. سنسورهای CMOS همچنین دارای بازخوانی سریع‌تر، مصرف انرژی کمتر، ایمنی بیشتر نسبت به نویز و اندازه سیستم کوچک‌تر هستند.

کالیبره کردن سنسور CMOS می‌تواند دشوارتر از کالیبره کردن سنسور CCD باشد. اما توسعه فناوری، کالیبراسیون سنسور CMOS را آسان‌تر کرده است و امروزه برخی از آنها حتی خود کالیبره می‌شوند.

خواندن پیکسل‌های جداگانه از یک سنسور CMOS امکان‌پذیر است، به این معنی که بخش‌هایی از سنسور را می‌توان به جای کل سنسور به طور همزمان استفاده کرد. به این ترتیب می‌توان نرخ فریم بالاتری را از قسمت محدودی از سنسور تحویل داد و عملکردهای دیجیتال قابل استفاده خواهند بود. 

همچنین امکان دستیابی به پخش استریم چند نمایی را به شما می‌دهد که شما می توانید چندین نمای استریم شده را به طور همزمان از حسگر پخش و چندین "دوربین مجازی" را شبیه سازی کنید.

سنسورهای CCD با CMOS چه تفاوت‌هایی دارند؟ 

خلاصه کلام 

همانطور که در ابتدای مقاله اشاره کردیم، دوربین‌های سالیان اخیر، تولید شده با تکنولوژی CMOS هستند. مهمترین عامل آن نیز صرفه اقتصادی آن در رزولوشن‌های بالا است. ضمنا برای تکمیل اطلاعات بهتر است.