Comparatie CCD - CMOS

Comparatie CCD - CMOS

In ultimii ani ai celui de-al doilea mileniu s-au vandut mai multe unitati CCD

decat CMOS, dar ca proiecte de noi produse, in acelasi an, raportul a fost de 5 la 1

pentru CMOS, daca nu mai mult. CCD are niste avantaje tehnice [207][209] care

pot fi grupate in patru grupe care vor fi prezentate in continuare.

' Expunerea simultana

Tehnologia CCD are doua elemente constitutive principale (figura 2.14):

! planul foto,

! memoria asociata.

Secventa de actiuni parcursa in functionarea senzorului este urmatoarea:

! expunerea planului video,

! transferul rapid in memoria asociata,

! citirea din memorie, cate o linie odata,

! in timp ce memoria este citita, planul foto este expus pentru urmatorul cadru.

Expunerea simultana a tuturor pixelilor este un avantaj important; iar

dezavantajul este structura mai complicata prin prezenta memoriei.

CMOS presupune o secventa mult mai simpla:

! Se expune o linie cat timp este necesar pentru a fi oferita la iesire,

! Aceasta linie este transferata in registrul de iesire.

Avantajul unei astfel de structuri este simplitatea, iar dezavantajul este ca nu

toti pixelii sunt expusi simultan, in acelasi timp.

In tehnologia CCD (figura 2.15) sarcinile se deplaseaza de la un pixel la

vecinul sau pentru a fi citite. La CMOS, varianta APS, (APS - Active Pixel Senzor)

fiecare pixel are propriul amplificator si circuit de iesire deci poate fi citit

independent ceea ce conduce la posibilitatea unor frecvente de baleiaj vertical,

cadre pe secunda, variabile (se poate selecta o regiune de interes din imagine).

Fiecare amplificator necesita 3 tranzistoare FET. Practic amplificatoarele au

amplificari si offseturi usor diferite ceea ce conduce la aparitia unui zgomot fix pe

imagine (FPN - Fixed Pattern Noise). Problema amplificarii se poate corecta cu o

unitate specializata pentru fiecare pixel (UGA - Unity Gain Amplifier) care

foloseste o tabela cu factori de corectie pentru amplificari. In acest mod apar 6

tranzistoare FET in plus ceea ce reduce zona activa a senzorului si creste pretul. Se

foloseste o tehnica speciala de reducere a redundantei (ACS - Active Column

Sensor) care micsoreaza numarul tranzistoarelor care au acelasi rol si introduce un

singur tranzistor FET la intrarea UGA pentru o coloana. Problema offsetului

(decalajului) se poate rezolva prin masurarea valorii initiale a fiecarui pixel si

scaderea acesteia din valoarea de dupa expunere, in interiorul circuitului integrat

(on-cip) sau in afara lui (off-cip). In majoritatea cazurilor se utilizeaza varianta offcip

ca si pentru problema amplificarii, ceea ce creste complexitatea abordarii. ACS

are avantajul folosirii unui singur tact si a unei singure tensiuni de alimentare, in

timp ce la tehnologia CCD sunt necesare mai multe tacte si mai multe tensiuni de

alimentare. In ambele tehnologii, folosind timpi de integrare (expunere a senzorului

la lumina) mici, se poate elimina "blur"-ul si se poate "ingheta" imaginea.

Diferenta dintre cele doua tehnologii apare in cazul imaginilor cu linii

verticale care se misca rapid. Datorita expunerii linie cu linie, senzorul CMOS risca

sa prezinte aceste linii fragmentate (figura 2.16). Acest aspect are o deosebita

importanta in aplicatiile industriale si stiintifice bazate pe vedere artificiala

(computer vision, machine vision). Uneori aceasta deficienta se poate corecta prin

program cu pierderea de timp de prelucrare inevitabila.

' Zgomot foarte redus

In aplicatiile cu imagini in miscare rapida e nevoie de un timp de integrare

foarte mic pentru a elimina blur-ul. Timpul mic de expunere cere un zgomot de

fond foarte mic pentru a asigura o foarte buna gama dinamica. CCD realizeaza

acest deziderat nu numai la timpi de integrare mici, dar si la expuneri de ordinul

minutelor.

CCD foloseste doua tehnici:

! Racirea termoelectronica a senzorului la -30F -50F (-350 C -45o C). CCD se

bazeaza pe captura electronilor liberi pentru ca substratul rece reduce mobilitatea

electronilor si deci zgomotul de fond.

! Subtierea substratului si iluminarea lui din spate pentru a impiedica aparitia

electronilor rebeli. Aceasta tehnica este utilizata in aplicatii de astronomie,

medicina si biologie.

' Integrare intarziata in timp (TDI - Time Delay Integration)

Se foloseste o tehnica de scanare (parcurgere, baleiere) a senzorului pe linii.

CCD sustine aceasta tehnica pentru ca lucreaza cu acumularea unui singur electron

la un moment dat la un pixel. Se expune scurt, se genereaza doar cativa electroni,

sarcina acumulata este deplasata pe o linie si imaginea este reluata. Astfel se poate

face o sumare, pixel cu pixel, in timp ce imaginea isi schimba pozitia. Este

necesara deplasarea rezultatului electronilor acumulati, sincron cu miscarea

imaginii. Tehnica se dovedeste utila in cazul miscarii obiectelor in lumina putina

din aplicatii de fabricatie cu benzi si conveioare.

' Mozaic

Avantajele oferite de tehnologia CCD si prezentate pana acum sunt legate de

operatiile la nivel de pixel. CCD permite si construirea unui mozaic (figura 2.17)

prin alaturarea zonelor din senzor in suprafete mai mari, pe 3 sau 4 parti ale

senzorului.

In concluzie, tehnologia CCD ofera avantaje care decurg din modul in care

functioneaza acest tip de senzor. Avantajele sunt importante in aplicatii militare,

stiintifice si industriale, dar mai putin sesizabile pentru consumatorul obisnuit.

CMOS e mai ieftin si se poate impune cand va da performante asemanatoare.

Trebuie facuta o diferenta intre aparatele foto, pentru fotografii, si camerele

video, pentru filme. Aparatele fotografice numerice sunt capabile sa achizitioneze o

imagine de mare rezolutie pe care o depun in format numeric pe un suport de

memorie (modul de memorie - stick, disc flexibil - floppy sau disc compact - CD).

Ca o functie suplimentara se ofera posibilitatea de a achizitiona o secventa scurta

formata din cateva cadre succesive. Camerele video achizitioneaza imagini cel

putin in cadenta TV de 20 sau 30 de imagini intr-o secunda. Imaginile, in format

analogic sau numeric, sunt depuse pe banda magnetica. Intrebarea este de ce, atatia

ani, nu s-au produs nici aparate foto care sa faca filme si nici camere video care sa

faca fotografii? Explicatia tehnica consta in imposibilitatea de realiza simultan cele

doua deziderate: rezolutia mare pentru detalii si numarul mare de imagini pe

secunda pentru imaginile in miscare. In momentul cand aceste limite tehnice vor fi

fost depasite vor interveni si criterii economice de satisfacere cu profit maxim a

cerintelor de piata care nu vor permite trecerea brusca la un numar prea mare de

aparate care sa faca simultan si fotografii si filme. In anii de la sfarsitul celui de-al

doilea mileniu solutia cea mai raspandita pentru aplicatii stiintifice si industriale

erau camerele 768 x 484 x 30 cadre/secunda. Pentru anul 2000 s-a considerat

interesanta solutia senzorilor cu 1,3 megapixeli (Mpix) la 12 fps (frames per

second - cadre/secunda). La nivelul anului 2000 segmentul de vanzari al aparatelor

de fotografiat si al camerelor video cuprindea in ordine camere analogice

(imaginile sunt memorate pe banda, in format analogic), inclusiv cele cu trei cipuri,

camere numerice cu rezolutii de ordinul megapixelilor si 10-30 fps, camere de 2

Mpix la 1-4 fps, cateva camere de 4-6 Mpix. Ulterior balanta s-a inclinat net in

favoarea camerelor numerice, care inregistreaza imaginile in format numeric pe

suportul de memorie. In ultimii ani CCD a fost leader in domeniul megapixelilor,

dar in anii urmatori se asteapta CMOS la cativa megapixeli.

CMOS se poate produce pe liniile obisnuite de circuite integrate, ceea ce ii

scade pretul in comparatie cu CCD care necesita conditii speciale de fabricatie si

are o rata de defecte la fabricatie mai mare. Din acelasi motiv CMOS poate include

mai usor in cip circuitele aditionale: convertoare analog - numeric (ADC - Analog

Digital Converter), procesoare numerice de semnal (DSP - Digital Signal

Processor).