تبلیغات
باران الکترونیک - بررسی، مقایسه و انتخاب حسگر تصویر مناسب‎(CMOS vs CCD) ‎

برای انتخاب حسگر تصویر ابتدا باید بین حسگر CCD و حسگر CMOS تصمیم گیری شود. سپس سازنده­ها و انواع مختلف حسگرهای تصویر در نظر گرفته شود. برای این منظور ویژگی­های هر دو نوع حسگر و نقاط ضعف و قدرت آن­ها به دقت مورد بررسی قرار گرفته شده است. عواملی که برای مقایسه در نظر گرفته شده­اند عبارتند از: بازده­ی کوانتمی، توان مصرفی، هزینه، سطح پایین نویز، قابلیت خروجی دادن قسمتی از تصویر.

CCD در مقابل CMOS

CCD فن­آوری غالب در کاربردهای تصویر برداری در سی سال گذشته بوده است. این گفته به خصوص برای کاربردهای علمی، شامل کاربردهای فضایی از قبیل تصویر برداری از ستارگان، درست می­باشد. دلیل اصلی استفاده­ی زیاد از حسگرهای CCD این است که آن­ها برای کاربردهای تصویر برداری طراحی شده­اند و برای داشتن بهترین خصوصیات اپتیکی، بهینه شده­­اند. در مقابل فن­آوری APS CMOS که چند سالی از معرفی آن می­گذرد دارای عملکرد قابل مقایسه­ای با CCD می­باشد و به سرعت در حال گسترش در تصویر برداری صنعتی می­باشد. برای انتخاب حسگر تصویر این دو فناوری با دقت مورد بررسی قرار گرفته­اند.

با وجود این که هم حسگرهای تصویر برداری CMOS و هم CCD از سیلیکون ساخته می­شوند و تجهیزاتی که مورد استفاده قرار می­گیرد مشابه می­باشند، فرایندهای ساخت و طراحی متفاوت، سبب اختلاف­های زیادی در قابلیت­ها و عملکردشان می­گردد. هر دو حسگر نیمه هادی­های اکسید فلز بسیار حساس می­باشند و هر دو متناسب با شدت درخشندگی در هر پیکسل، بار ذخیره می­کنند. اختلاف بین این دو حسگر، در فناوری خواندن پیکسل می­باشد. وقتی که عمل پرتو گیری کامل شد، حسگر CCD بار هر پیکسل را به صورت متوالی به ساختار مشترک خروجی می­فرستد، که در آن­جا بار به ولتاژ تبدیل می­شود، سپس ولتاژ بافر می­شود و به خارج از تراشه فرستاده می­شود. در مقابل، در هر پیکسل CMOS تبدیل بار به ولتاژ صورت می­گیرد (شکل 1).


(به ادامه مطلب مراجعه کنید به همراه دانلود فایل PDF)

شکل 1: CCD بارهای تولید شده از نور را از یک پیکسل به پیکسل دیگر انتقال می­دهد و در گره­ی خروجی به ولتاژ تبدیل می­کند. CMOS در داخل هر پیکسل بار را به ولتاژ تبدیل می­کند.

در یک حسگر CMOS، هر پیکسل از آشکار ساز نور و تقویت کننده تشکیل شده است و این ساختار اجازه­ی خواندن قسمتی از تصویر و همچنین دسترسی تصادفی به پیکسل­ها را می­دهد. علاوه بر این، چون لازم نیست سیگنال­های بار در طول کل تراشه منتقل شوند، اتلاف انتقال CCD، در CMOS وجود ندارد و حساسیت به بعضی از اثرات تشعشع کم­تر می­باشد. برخلاف حسگرهای CCD که نیازمند مدارهایی در خارج حسگر برای تولید سیگنال­های کنترل تراشه هستند، حسگرهای CMOS دارای مدارهای آنالوگ و دیجیتال روی تراشه­ و نیز کنترل کننده­های روی تراشه از قبیل کنترل خودکار پرتوگیری، کنترل خودکار بهره و ردیابی حرکت می­باشند. در ادامه مقایسه­ای بین حسگرهای CMOS و CCD می­کنیم:

1)     محدوده­ی دینامیکی سیستم: محدوده­ی دینامیکی، نسبت بیشینه­ی سیگنال خروجی (سطح اشباع) یک حسگر تصویر، به سطح نویز تاریک (کمینه سطح) حسگر می­باشد. محدوده­ی دینامیکی به طور مستقیم متناسب با ظرفیت چاه کامل پیکسل می­باشد. ظرفیت چاه کامل بزرگ­تر، دلالت بر محدوده­ی دینامیکی بزرگ­تر در سطح نویز تاریک یکسان دارد. یعنی این که حسگر قادر به تصویر برداری از اجسام خیلی روشن و خیلی تاریک در فریم یکسان با وضوح بیش­تر می­باشد. حسگرهای CCD از لحاظ محدوده­ی دینامیکی بهتر هستند.

2)     پاسخ­دهی: نسبت ولتاژ خروجی حسگر به چگالی انرژی نور برخورد کننده، پاسخ دهی حسگر نامیده می­شود و به صورت  بیان می­شود. هر دو فن­آوری از لحاظ پاسخ­دهی مشابه هم می­باشند. از آن­جایی که در حسگرهای CMOS عناصر بهره می­توانند روی تراشه جاسازی شوند، این فناوری نسبت به CCD اندکی بهتر می­باشد.

3)     قابلیت اطمینان: هر دو فن­آوری از لحاظ قابلیت اطمینال در یک سطح هستند.

4)     توان: حسگرهای CMOS نسبت به حسگرهای مشابه­ی CCD توان کمتری مصرف می­کنند.

5)     اندازه: CMOS دارای قابلیت مجتمع سازی بالاتری می­باشد. بیشتر بلوک­ها می­توانند داخل تراشه­ی حسگر جای بگیرند. به عبارت دیگر تعدادی بلوک پردازش سیگنال و مبدل­های A/D و نیز رابط برنامه نویسی برای خواندن بخشی از تصویر در داخل تراشه در دسترس می­باشد.

6)      سرعت: چون در CMOS تمام وظایف دوربین می­توانند در حسگر تصویر قرار بگیرند، CMOS نسبت به CCD مزیت­های بیش­تری دارد. این مزیت سبب می­شود می­شود که سیم کشی سیگنال و تغذیه کاهش یابد و همچنین ظرفیت القایی و خازنی، و همچنین تأخیر انتشار کاهش پیدا کند. اما به دلیل این که کاربردهای اولیه­ی CMOS، نسبت به کاربردهای صنعتی، علمی و پزشکی CCD، نیاز به سرعت بالایی نداشت، CMOS نسبت به CCD از لحاظ سرعت مزیت اندکی دارد.

7)     درخشانى: سرریز شدن بارهای تولید شده از عکس، درخشانی گفته می­شود. نتیجه­ی درخشانی، یک تصویر خراب شده نزدیک محل درخشانی است. شکل 2 خاصیت نامطلوب درخشانی را نشان می­دهد. اتفاق مشابهی ممکن است برای ستارگان پرنور رخ دهد که در نتیجه­ی آن نتوان مکان دقیق این ستارگان را به درستی تعیین کرد. CMOS به طور طبیعی در برابر درخشانی مقاوم است. CCD به مهندسی ویژه­ای برای رسیدن به چنین ساختاری نیاز دارد، با این وجود این ساختار می­تواند روی تراشه ساخته شود، اما CCDهای عمومی در بیش­تر موارد دارای ساختار ضد درخشانی نمی­باشند.

8)     در نظر گرفتن پنجره­ای از تصویر: یک توانایی منحصر به فرد حسگر CMOS این است که می­توان فقط قسمتی از تصویر را که مورد نظر است، خواند.

9)     مدار بایاس و پالس ساعت: CCD نیازمند سخت­افزار اضافی جهت تولید پالس ساعت و تعدادی راه­انداز پالس ساعت خارجی برای تطبیق امپدانس می­باشد. در حالی که CMOS نیاز به چنین سیستم سخت­افزاری ندارد و مولفه­های همزمان سازی داخل خود تراشه جاسازی شده­اند. در نتیجه CMOS راه حل بهتری را از لحاظ پیچیدگی طراحی سیستم در اختیار کاربر قرار می­دهد.

شکل 2: این شکل­ها نشان دهنده­ی اثر نور روی درخشانی تصویر می­باشند.  از یک تصویر به تصویر بعدی نور LED افزایش می­یابد. همان طور که مشخص است، اثر درخشانی از تصویر 4 به بعد به وجود می­آید.

اشکالات عمده­ی حسگرهای COMS به شرح زیر می­باشد:

1)     حسگرهای پیکسل فعال فقط قسمت کوچکی از کل سطح دیود (مقاومت) حساس به نور را پوشش می­دهند. بنابراین ضریب پری (سطح حساس به نور) حسگرهای COMS نسبت به حسگرهای CCD کم­تر می­باشد (شکل 3).

2)     غیر یکنواختی  پیکسل یا به عبارت دیگر نویز الگوی ثابت بیش­تر می­باشد.

3)     بازده کوانتمی (بازده­ی تبدیل فوتون به الکترون)  از CCDها خیلی کم­تر می­باشد.


شکل 3: ساختار یک پیکسل در حسگر CMOS

در زیر خلاصه­ی مشخصات حسگرهای CMOS و CCD آمده است.

خلاصه­ی مقایسه­ی حسگرهای CCD و CMOS


در کل حسگرهای CCD کیفیت بهتری را نشان می­دهند و استفاده از فناوری CCD در فضا اثبات شده است. در مقابل، حسگرهای CMOS از لحاظ مصرف توان، حجم، اندازه و مقاومت در برابر تشعشع و درخشانی کارآمد­تر می­باشند. با توجه به این پارامترها و این که در مد ردیابی برای افزایش سرعت نیاز است تا فقط پنجره­های کوچکی از تصویر پردازش شوند (windowing)، تصمیم گرفته شد تا از حسگر تصویر CMOS استفاده شود.

پارامترهای مهم در انتخاب حسگر CMOS

عواملی که در انتخاب حسگر نقش دارند عبارتند از: اندازه­ی پیکسل، تعداد پیکسل، اندازه­ی حسگر، فاصله­ی کانونی، بازده کوانتمی، جریان تاریک و ... . در ادامه به بررسی دقیق این عوامل و اثرات آن­ها روی سیستم الکترواپتیک می­پردازیم.

اندازه­ی پیکسل

یک حسگر تصویر با اندازه­ی پیکسل کوچک­تر می­تواند برای تعدادی از کاربردها انتخاب شود، اما استفاده از اندازه­ی پیکسل بزرگ­تر دارای مزیت­هایی می­باشد. سطح پیکسل، روی محدوده­ی دینامیکی سیستم اثر می­گذارد. پیکسل بزرگ­تر اجازه­ی ظرفیت بار بزرگ­تر را می­دهد و در نتیجه محدوده­ی دینامیکی بزرگ­تری را فراهم می­سازد. پیکسل­های بزرگ­تر شئ­های روشن­تر را در یک پس زمینه­ی تاریک­تر، واضح­تر نمایان می­سازند. افزایش اندازه­ی پیکسل نرخ S/N را افزایش می­دهد. وقتی که تفکیک­پذیری حسگر تصویر CMOS ثابت می­باشد، تنها راه افزایش دقت نمونه برداری و تفکیک­پذیری مکانی، کاهش اندازه­ی پیکسل می­باشد. اما کاهش اندازه­ی پیکسل، حساسیت نور را کاهش می­دهد. در نتیجه، تحت این محدودیت­ها، مبادله­ای بین تفکیک­پذیری فضایی و حساسیت نور وجود دارد. مبادله­ی عملکرد وقتی که اندازه­ی پیکسل کمتر از  باشد، قابل قبول نیست. با این وجود اندازه‌ی پیکسل کوچک­تر به لنز با فاصله­ی کانونی کم­تر نیاز دارند.

تعداد پیکسل­ها

یکی از مشخصات مهم حسگرها تعداد پیکسل­های آن­ها می­باشد. دقت زاویه­ای یک پیکسل به آسانی توسط رابطه­ی زیر به دست می­آید:

همان­طور که مشاهده می­گردد، ساده­ترین راه برای افزایش دقت در یک میدان دید مشخص، افزایش تعداد پیکسل­ها می­باشد. اما با افزایش تعداد پیکسل­ها قیمت حسگر به شدت افزایش می­یابد. همچنین تعداد پیکسل­ها به متغییرهای دیگری مانند اندازه­ی پیکسل وابسته می­باشد. علاوه بر این­ها اثر انتخاب حسگر روی طراحی لنز، جرم و توان باید در نظر گرفته شود. به دلیل این که زمان خواندن آرایه­ها به طور مستقیم متناسب با تعداد کل پیکسل­ها می­باشد، تعدادپیکسل زیاد یک عیب محسوب می­شود. زمان بیش­تری برای خواندن یک آرایه­ی بزرگ­تر طول می­کشد و در نتیجه نرخ فریم ممکن است تحت تأثیر آن قرار گیرد. برای مثال زمان خواندن یک آرایه­ی 256×256 در حدود 16 برابر کم­تر از یک آرایه­ی 1024×1024 پیکسلی باشد.

شکل 4: رابطه­ی بین میدان دید و دقت زاویه­ای یک پیکسل

رابطه­ی بین اندازه­ی حسگر و فاصله­ی کانونی:

چون اندازه­ی حسگر، تعداد پیکسل­ها و فاصله­ی کانونی، میدان دید را تعیین می­کنند، با استفاده از یک مدل پین هول ساده که در شکل 5 آمده است، به آسانی می­توان رابطه­ای بین­شان به دست آورد:


شکل 6 نشان می­دهد که فاصله­ی کانونی لنز در یک میدان دید مشخص تقریباً متناسب با تعداد پیکسل­ها می­باشد (با ابعاد پیکسل 10×10 میکرون). با فرض یک دریچه­ی ثابت،  فاصله­ی کانونی لنز، با افزایش تعداد پیکسل­ها زیاد می­شود. در نتیجه در یک میدان دید ثابت حسگر بزرگ­تر با پیکسل­های بیش­تر، تفکیک­پذیری بهتری با هزینه­ی فاصله­ی کانونی بزرگ­تر (در نتیجه لنز سنگین­تر) می­دهد.

شکل 5: مدل پین هول ساده

شکل 6: نشان می­دهد که فاصله­ی کانونی با تغییر اندازه­ی پیکسل، تغییر می­کند. به این معنا که پیکسل­های کوچک­تر نیاز به اپتیک با فاصله­ی کانونی کم­تر دارند. در کل انتخاب اندازه­ی پیکسل محدود به 8/2 تا 30 میکرون و تعداد پیکسل­ها محدود به 2048 پیکسل می­باشد.

شکل 6: نمودار تغییرات میدان دید برحسب فاصله­ی کانونی با تعدادپیسکل­های مختلف (اندازه­ی پیکسل 10 میکرون در نظر گرفته شده است).

شکل 7: نمودار تغییرات میدان دید برحسب فاصله­ی کانونی با اندازه­ی پیکسل مختلف ‏(تعداد پیکسل 512x512 در نظر گرفته شده است).

بازده­ی کوانتمی

حسگرها با تبدیل انرژی فوتون به انرژی الکتریکی یک تصویر دیجیتال می­سازند. بازده­ای که در آن هر فوتون به یک الکترون تبدیل می­شود، بازده­ی کوانتمی حسگر تصویر نامیده می­شود. این مقدار با تقسیم الکترون­ها بر فوتون (E/P) محاسبه می­شود. اگر هیچ الکترونی تولید نشود بازده­ی کوانتمی صفر می­شود در حالی که اگر هر فوتون یک الکترون بسازد بازده کوانتمی 100 % می­باشد. معمولاً هر حسگر بازدهی کوانتمی متفاوتی در طول موج­های مختلف نور دارد. یعنی . حسگرهای استاندارد به طول موج­های سبز، قرمز و مادون قرمز (  بین 500 تا 800 نانو متر) حساس­تر از طول موج­های آبی ‏(‏‏بین 400 تا 500 نانو متر)‏ می­باشند.

ضریب پری fill factor

ضریب پری به سطحی از یک پیکسل که در واقع نور را به دام می­اندازد، گفته می­شود. در یک پیکسل فعال هم آشکارساز تصویر و هم تقویت کننده در پیکسل جا اشغال می کنند. تقویت کننده نسبت به نور حساس نیست بنابراین این قسمت از سطح پیکسل هنگام عکس گرفتن بی تأثیر می­باشد.

ضریب پری برابر است با درصدی از سطح پیکسل که به نور حساس می­باشد. با کوچک شدن فناوری نیمه رسانا، مقدار مساحتی که توسط تقویت کننده گرفته می شود نیز کوچک­تر می­شود در نتیجه ضریب پری افزایش می­یابد. هرچه ضریب پری کمتر باشد حسگر حساسیت کم­تری دارد و زمان پرتوگیری باید طولانی­تر شود. در نتیجه سرعت عکس برداری کاهش می­یابد.

مقایسه حسگر CMOS

در جدول زیر مشخصات حسگرهای CMOS مختلف برای مقایسه آورده شده است.

مقایسه­ی حسگرهای CMOS


دانلود فایل PDF

سرور اول

سرور دوم


نظرات()   
   
 
لبخندناراحتچشمک
نیشخندبغلسوال
قلبخجالتزبان
ماچتعجبعصبانی
عینکشیطانگریه
خندهقهقههخداحافظ
سبزقهرهورا
دستگلتفکر
آخرین پست ها