par Doug George.
le dispositif à couplage de Charge (connu sous le nom de CCD) a dominé l’astronomie et l’électronique grand public pendant près de cinq décennies. Qui est en train de changer.
Le CCD lauréat du prix Nobel a été inventé en 1969 et est devenu une technologie mature après environ 20 ans. Les caméras CCD ont gagné une large acceptation pour l’imagerie fixe, la vidéo et les mesures photométriques, remplaçant les générations précédentes d’équipement encombrant de tube à vide., Le télescope spatial Hubble, lancé en 1990, utilise la technologie CCD pour produire ses panoramas époustouflants et ses données scientifiques. Sur le front de la maison, les consommateurs ont acheté des caméscopes portables à base de CCD possibles pour enregistrer la vie de famille, et les entreprises les ont utilisés pour les caméras de sécurité et l’équipement d’inspection.
Au milieu des années 1980, les capteurs à pixels actifs ont été inventés comme une alternative à faible coût à la technologie CCD dominante. Au début des années 2000, ces capteurs ont été mis à jour pour utiliser la technologie de transistor CMOS désormais standard., Bien que les premiers capteurs à pixels actifs CMOS n’aient été utilisés que dans des applications peu performantes, l’avènement des téléphones intelligents a poussé les fabricants à améliorer rapidement leurs performances. En 2007, le CMOS avait atteint la parité du marché avec les capteurs CCD et, en 2019, les premiers capteurs capables de surpasser les performances CCD sont apparus. Aujourd’hui, le CMOS a mûri au point où il remplace le CCD dans toutes les applications sauf les plus spécialisées.
comparons d’abord le fonctionnement des deux types de capteurs.
Les capteurs de caméra utilisent des éléments d’image appelés « pixels” pour détecter la lumière., Une analogie courante quand on parle de pixels est d’imaginer un tableau de seaux recueillant l’eau de pluie. Vous pouvez déterminer la forme et la densité du nuage en fonction de la quantité d’eau qui se retrouve dans chaque seau.
L’analogie du godet
CMOS et CCD utilisent tous deux des tableaux de pixels en silicium (« buckets”) pour détecter la lumière. Lorsqu’un photon de la lumière frappe un atome de silicium, il frappe un électron dans un état énergétique. Cela libère l’électron pour se déplacer à travers le matériau. Il est maintenant appelé photoélectronique (”goutte de pluie »).,
la grande différence se produit lorsque vous lisez le capteur. Dans un dispositif à couplage de Charge (CCD), des électrodes spéciales attirent et repoussent les électrons, les mélangeant un par un dans un coin de la puce. Dans notre analogie, l’eau est versée d’un seau à l’autre, comme une brigade de pompiers à l’ancienne, jusqu’à ce qu’elle atteigne un coin du tableau où elle est mesurée. Dans un capteur réel, quelques transistors embarqués effectuent cette mesure en convertissant le nombre d’électrons d’un pixel en tension. Il passe ensuite à certains composants électroniques à l’extérieur du capteur, qui comprennent un convertisseur analogique-numérique., Le résultat est un nombre pour chaque pixel, décrivant la quantité de lumière détectée. Puisque tous les pixels sont mesurés par la même électronique exacte, les caméras CCD peuvent être rendues très cohérentes et précises.
Les capteurs CCD sont construits en utilisant la technologie NMOS ou PMOS, qui était populaire dans les années 70 mais est rarement utilisée aujourd’hui. La plupart des appareils électroniques modernes sont construits à l’aide de la technologie CMOS (Metal Oxide Semiconductor) complémentaire, qui est une combinaison de NMOS et de PMOS. En utilisant CMOS, il est beaucoup plus facile de construire des composants électroniques complexes directement dans le capteur lui-même., Cela peut être un coût majeur et des économies d’espace, en particulier pour un appareil photo de téléphone portable miniaturisé.
dans un détecteur CMOS, il y a des transistors à chaque pixel. Ils convertissent le signal en une tension, qui se connecte via des fils internes à une électronique embarquée complexe. Les capteurs CMOS typiques ont un ou deux convertisseurs ANALOGIQUE-numérique pour chaque colonne du capteur. Au lieu de quelques transistors à bord, il peut y en avoir des millions.,
Les capteurs CCD ont une lecture dans le coin, les capteurs CMOS ont une lecture à chaque Pixel
en incorporant tous ces composants électroniques dans le capteur, la puce elle-même est rendue beaucoup plus complexe, mais la caméra est grandement simplifiée. Les capteurs CCD n’ont qu’une, deux ou parfois quatre lectures – potentiellement une dans chaque coin. Les capteurs CMOS ont des milliers. Cela signifie que les caméras CMOS peuvent lire incroyablement rapidement, même 100 fois plus vite qu’un CCD comparable., Pour les applications à longue exposition, ce n’est pas si important, mais c’est particulièrement important pour les caméras vidéo.
ces milliers de lectures dans un capteur CMOS ont un énorme avantage de vitesse, mais il y a un prix élevé à payer en termes de lueur de l’amplificateur et de bruit de motif. Les utilisateurs de CCD ont vu une petite lueur dans les coins du capteur; les premiers utilisateurs de capteurs CMOS ont été submergés par les problèmes de lueur et de longue exposition de ces nouveaux capteurs.
au cours des dernières années, les meilleurs capteurs CMOS ont finalement approché ou même dépassé les niveaux de performance CCD, mais pas dans tous les aspects., Let’s compare CCD to the highest-performing CMOS sensors available today:
| Parameter | CCD | Scientific CMOS | Winner | |||
| Availability | Some major CCD sensor lines are being obsoleted. Very expensive specialty sensors made by companies like Teledyne e2v are here to stay., | les entreprises font des investissements importants et la technologie s’améliore rapidement. De nouveaux capteurs apparaissent tout le temps. | CMOS est l’avenir pour la plupart des applications. Le CCD continuera de servir des créneaux spécialisés tels que les instruments scientifiques. | |||
| Coût à la fois le capteur et la caméra elle-même. | les grands capteurs CCD sont coûteux et l’électronique externe des appareils photo analogiques et numériques est complexe. | les grands capteurs CMOS sont tout aussi coûteux., L’électronique analogique est éliminée, mais l’électronique numérique est plus complexe. | pour les caméras simples, le CMOS est beaucoup moins cher. Pour les caméras d’imagerie refroidies à faible luminosité, il y a peu ou pas de différence.,tter is more expensive | No major advantage | ||
| Mechanical Shutter | Required for full-frame sensors; very helpful for image calibration | Very helpful for image calibration | No major advantage | |||
| Pixel Size | 3 to 25 microns | 2 to 9 microns | Larger pixels are a better match for long focal length telescopes., La plupart des capteurs CMOS ont de petits pixels, mais certains modèles de pixels plus grands apparaissent. | |||
| Profondeur Du Puits – combien d’électrons chaque pixel peut – il contenir-très important pour la photométrie | 40 000 à 200 000 | 30 000 à 75 000. Peut être atténué via l’empilement compte tenu du faible bruit de lecture. | CCD, mais empilement peut donner CMOS l’avantage.,pixels ombining pour la sensibilité ou la résolution correspondant | facilement atteint à un niveau analogique avec zéro bruit ajouté | la plupart des architectures effectuer binning numérique, résultant en plus de bruit de lecture | CCD |
| amp Glow – l’électronique embarquée crée de la lumière via un effet LED | facilement atténué en éteignant les transistors de lecture | c’est un problème plus important avec CMOS, car il peut y avoir des millions de transistors embarqués., CMOS | CCD | |||
| Fixed Pattern Noise | Occasional hot columns, easily mitigated | Fixed pattern noise can be a significant problem, but technology is improving rapidly | No major advantage with newer sensors | |||
| Calibration – how « clean” an image can be created | Techniques for CCDs are well established and effective | Can be more complex, e.,G. modes HDR, manque de données de survan; les techniques sont toujours en cours de perfectionnement | CCD |
comme vous pouvez le constater, les CCD présentent encore des avantages significatifs pour l’imagerie haute performance à faible niveau de lumière-bien lentement ébréché par la nouvelle technologie CMOS.
certains de nos clients ont besoin de détecter des sources lumineuses extrêmement faibles, nécessitant des expositions d’une heure ou des facteurs de binning très élevés pour obtenir un rapport signal / bruit suffisant., Pour ces applications, les capteurs CCD ont un énorme avantage sur la nouvelle technologie CMOS; ils ont beaucoup moins de « lueur d’ampli” et ont de bien meilleures capacités de binning analogique. Le capteur CMOS ne fonctionne tout simplement pas dans ces applications.
pourquoi, alors, les grandes entreprises passent-elles maintenant aux CMOS? La réalité est que la plupart des applications d’imagerie (non scientifiques) nécessitent des expositions vidéo ou courtes; dans ces situations, le CMOS est supérieur en termes de coût et de performance. Cela a miné la proposition économique pour la fabrication de capteurs CCD en volume.,
en conséquence, ON Semiconductor a commencé à abandonner les anciens appareils Kodak / Truesense en 2019. Mais ce n’est pas la fin de la technologie CCD. Certains capteurs CCD SONY seront disponibles jusqu’en 2026. Pour les marchés de l’astronomie et de la spectroscopie haut de gamme, des entreprises comme Teledyne e2v continueront de fabriquer des capteurs CCD très coûteux et extrêmement performants pour les années à venir.
Les applications astronomiques sérieuses telles que la photométrie et le spectroscope ou les applications des sciences de la vie telles que la bioluminescence et la fluorescence continueront d’avoir besoin de la technologie CCD à court terme., L’imagerie moins exigeante ou ceux qui ont besoin d’une imagerie à plus grande vitesse passeront tous aux capteurs CMOS. D’ici 5 ans, nous prévoyons que L’état de l’art en CMOS supplantera encore plus d’applications. Pour répondre à vos besoins d’aujourd’hui et de demain, La gamme de caméras SBIG de Diffraction Limited comprend désormais des capteurs CCD haute performance et des capteurs CMOS modernes.