معرفی سنسور CMOS و CCD دوربین مدار بسته

سنسورهای CCD نسبت به سنسورهای CMOS قدیمی تر هستند و حدود 40 سال قبل از سنسورهای CMOS وجود داشتند. این سنسورها به دلیل پیشرفت و بهره وری در طول سالیان ، به عنوان بهترین نوع سنسور از نظر کیفیت تصویر به شمار می رفتند. اما کم کم ، سنسورهای اولیه CMOS وارد بازار شدند و درکنار CCD قرار گرفتند.

هرچه حساس تر ،فاصله بهتر

سنسورهای CMOS برپایه اصول فیزیکی مشابه سنسورهای CCD ساخته شده اند. این سنسورها فتون های وارده را به وسیله افکت تصویر به الکترون تبدیل می کنند و با توجه به ساختار این سنسورها ، حداکثر حساسیت سنسورهای CMOS در یک طیف 650 تا 700نانومتر است.
در مقابل سنسورهای CCD ، با وجود اعمال ابداعات و نوآوری در تکنولوژی ساخت، حداکثر 550 نانومتر حساسیت دارند که این میزان تقریبا برابر با چشم انسان در زمان دقت روی تصویر است.در گذشته سنسورهای CMOS به دلایل فراوان ، در تبدیل نور وارده بر سیگنال الکتریکی بهره وری مناسب را نداشتند. بخش حساس به نور به همراه هر پیکسل در سنسور CMOS، تنها بخش کوچکی از ناحیه کلی پیکسل را اشغال می کرد و بقیه نواحی پیکسل توسط الکترون های منفرد در ارتباط با ناحیه حساس به نور اشغال می شد. در مقابل ، ساختار سنسورهای CCD متفاوت است . در این سنسورها، الکترون جمع شده توسط سطح سنسور بیرون از چیپ قرار می گیرد . بنابراین ، تقریبا کل سطح چیپ دارای ساختارهای حساس به نور وجود می باشد. در طول چند سال گذشته و با پیشرفت تکنولوژی وطراحی ، اندازه ناحیه حساس به نور سنسورهای CMOSافزایش یافت و به سطح سنسورهای CCD رسید.


یک مجموعه از الکترون برای تمام پیکسل ها
این عبارتی است که با توجه به قابلیت پردازش سنسورهای CCD بیان می شود. اما در حقیقت این امر یک مزیت در کیفیت تصویر است . چرا که درحقیقت یک مسیر الکترونیکی مشترک برای یک بخش بزرگ وجود دارد. به عبارت ساده تردر یک چیپ CCD، همه پیکسل ها در یک مسیر مشابه مورد پردازش قرار گرفته و به سیگنال های دیجتیالی تبدیل می شوند.
اما چیپ های CMOS دارای پردازش جداگانه هر پیکسل هستند و کاملا متفاوت عمل می کنند.این مشخصات و ویژگی ها بدین معنی است که آنها می توانند سریع تر خوانده شوند و دستیابی به ناحیه تصویر نیز به شکل راحت تری انجام می شود.با این حال تفاوت های کوچکی در ساختارهای الکترونیکی پردازش هر پیکسل وجود دارد و این بدین معنی است که تعدیل سیگنال با یک سنسورCMOS ازیک پیکسل به پیکسل بعد فرق کند ، اگر چه دامنه های تقویت سازی مشابه است.این تفاوت بین میزان های تعادل سازی پیکسل ها در سنسورهای CMOS ده برابر بیش تراز سنسورهای CCD است. با درنظر گرفتن این تفاوت ، زمانی که نسبت سیگنال سنسور به اندازه نویز آن است بیش تر مشهود است و سنسور CMOS خیلی ضعیف تر از CCD به چشم می خورد. اصطلاح فنی که این ویژگی را توصیف می کند با نام FPN ( نویز ثابت ) شناخته می شود سنسورهای CMOS ،FPN بالاتری نسبت به سنسورهای CCD جمع می کنند.
فضای بیش تر برای الکترون های سنسورهای CMOS، در قسمت های دیگر بهتر عمل می کند. آنها می توانند ظرفیت بهتری را فراهم سازند. ظرفیت کامل نیز حداکثر الکترون هایی را که یک پیکسل می تواند نگهداری نماید را ارائه می دهد. این مقدار برای سنسورهای CCD ، در یک ظرفیت محدود اشباع شده گنجانده شده است که از مشکلات فنی قطعی جلوگیری نماید. میزان ظرفیت اشباع به حساسیت محدوده دینامیک سنسور یا Dynamic range را نشان می دهد.در مقایسه با سنسورCCD، یک سنسورCMOS ، در حساسیت با نور کم به برتری دست پیدا می کند. در نتیجه سنسورهای CCD وCMOS دارای dynamic range مشابه هستند. روش های مختلفی وجود دارند که می تواند منحنی ویژگی های پاسخ سنسور را تغییر دهند و با آنچه که چشم انسان میتواند دریافت کند مشابه باشد.این امر مخصوصا در مورد سنسورهای CMOSصادق است و درنتیجه یک حرکت لگاریتمی با محدوده ای بیش از 100 دسیبل به دست می آید. این تغییر نواحی تاریک را با یک تصویر دقیق تر از نواحی روشن متمایز می گردد و عکس دقیق تری را به دست می دهد. ظرفیت اشباع نیز به نسبت سیگنال به نویز بستگی دارد. این پارامتر میزان کیفیت سیگنال مربوط به نور را تحت شرایط بهینه تعیین می کند تا بدون هیچ گونه پرتودهی نور به یک نویز خالص تصویر دست یابد.
اگر این امر تحت قاعده گنجانده شود حداکثر نسبت سیگنال به نویز ، برابر با ریشه دوم یا جذر میدان ظرفیت اشباع است . بنا براین با توجه به حداکثر میزان سیگنال به نویز، سنسورCMOS بهتراست اما برای اجرای کارخود نیاز به نور بیش تری دارد.

به صورت خلاصه ، می توان گفت سنسورهای CCD،برای کاربردهایی با نور کم و سنسورهای CMOS در کاربردهایی با نور زیاد توصیه می شوند.

ظرفیت اشباع نیز به نسبت سیگنال به نویز بستگی دارد. این پارامتر میزان کیفیت سیگنال مربوط به نور را تحت شرایط بهینه تعیین می کند تا بدون هیچ گونه پرتودهی نور به یک نویز خالص تصویر دست یابد.سنسورهای CCD،برای کاربردهایی با نور کم و سنسورهای CMOS در کاربردهایی با نور زیاد توصیه می شوند.