di Doug George.
Il dispositivo ad accoppiamento di carica (noto come CCD) ha dominato l’astronomia e l’elettronica di consumo per quasi cinque decenni. Questo sta cambiando.
Il premio Nobel CCD vincente è stato inventato nel 1969 ed è diventato una tecnologia matura dopo circa 20 anni. Le telecamere CCD hanno ottenuto un’ampia accettazione per le misurazioni di immagini fisse, video e fotometriche, sostituendo le generazioni precedenti di ingombranti apparecchiature per tubi a vuoto., Il telescopio spaziale Hubble, lanciato nel 1990, utilizza notoriamente la tecnologia CCD per produrre i suoi panorami mozzafiato e dati scientifici. Sul fronte domestico, i consumatori hanno acquistato videocamere portatili CCD-based possibile registrare la vita familiare, e le imprese li utilizzati per telecamere di sicurezza e attrezzature di ispezione.
A metà degli anni 1980, i sensori Pixel attivi sono stati inventati come alternativa a basso costo alla tecnologia CCD dominante. Nei primi anni 2000 questi sensori sono stati aggiornati per utilizzare la tecnologia a transistor CMOS ora standard., Sebbene i primi sensori CMOS Active Pixel fossero utilizzati solo in applicazioni a basse prestazioni, l’avvento degli smartphone ha spinto i produttori a migliorare rapidamente le loro prestazioni. Nel 2007 il CMOS aveva raggiunto la parità di mercato con i sensori CCD e nel 2019 apparvero i primi sensori in grado di superare le prestazioni del CCD. Oggi, il CMOS è maturato al punto in cui sta sostituendo il CCD in tutte le applicazioni tranne le più specializzate.
Prima confrontiamo come funzionano i due tipi di sensori.
I sensori della fotocamera utilizzano elementi immagine noti come” pixel ” per rilevare la luce., Un’analogia comune quando si parla di pixel è immaginare una serie di secchi che raccolgono l’acqua piovana. È possibile determinare la forma e la densità della nube in testa da quanta acqua finisce in ogni secchio.
L’analogia Bucket
CMOS e CCD utilizzano entrambi array di pixel di silicio (“bucket”) per rilevare la luce. Quando un fotone di luce colpisce un atomo di silicio, colpisce un elettrone in uno stato di energia superiore. Questo libera l’elettrone di muoversi attraverso il materiale. Ora è indicato come un fotoelettrone (”goccia di pioggia”).,
La grande differenza si verifica quando si legge il sensore. In un dispositivo accoppiato a carica (CCD), elettrodi speciali attraggono e respingono gli elettroni, mescolandoli uno per uno in un angolo del chip. Nella nostra analogia, l’acqua viene versata da un secchio all’altro, come un vigile del fuoco vecchio stile, fino a raggiungere un angolo della matrice in cui viene misurata. In un sensore reale una coppia di transistor di bordo effettua questa misurazione convertendo il numero di elettroni da un pixel in una tensione. Si va poi ad alcuni elettronica al di fuori del sensore, che includono un convertitore analogico-digitale., Il risultato è un numero per ogni pixel, che descrive quanta luce è stata rilevata. Poiché tutti i pixel sono misurati dalla stessa elettronica esatta, le telecamere CCD possono essere rese molto coerenti e accurate.
I sensori CCD sono costruiti utilizzando la tecnologia NMOS o PMOS, che era popolare negli anni ‘ 70 ma è raramente utilizzata oggi. La maggior parte dell’elettronica moderna è costruita utilizzando la tecnologia CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), che è una combinazione di NMOS e PMOS. Utilizzando CMOS è molto più facile costruire elettronica complessa direttamente nel sensore stesso., Questo può essere un importante risparmio di costi e spazio, soprattutto per una fotocamera del telefono cellulare miniaturizzato.
In un rivelatore CMOS, ci sono transistor ad ogni singolo pixel. Convertono il segnale in una tensione, che si collega tramite fili interni a una complessa elettronica di bordo. I tipici sensori CMOS dispongono di uno o due convertitori analogico-digitale per ogni colonna del sensore. Invece di un paio di transistor a bordo, ci possono essere milioni.,
I sensori CCD hanno una lettura in un angolo,
I sensori CMOS hanno una lettura ad ogni pixel
Incorporando tutta questa elettronica nel sensore, il chip stesso è reso molto più complesso, ma la fotocamera è notevolmente semplificata. I sensori CCD hanno solo una, due o talvolta quattro letture, potenzialmente una in ogni angolo. I sensori CMOS hanno migliaia. Ciò significa che le telecamere CMOS possono leggere incredibilmente velocemente, anche 100 volte più velocemente di un CCD comparabile., Per applicazioni a lunga esposizione che non è così importante, ma è particolarmente importante per le videocamere.
Queste migliaia di letture in un sensore CMOS hanno un enorme vantaggio di velocità, ma c’è un prezzo elevato da pagare in termini di bagliore dell’amplificatore e rumore del modello. Gli utenti CCD hanno visto un po ‘ di bagliore negli angoli del sensore; i primi utenti di sensori CMOS sono stati sopraffatti dal bagliore e problemi di esposizione a lungo di questi nuovi sensori.
Negli ultimi anni, i migliori sensori CMOS si stanno finalmente avvicinando o addirittura superando i livelli di prestazioni CCD, ma non in ogni aspetto., 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., | Le aziende stanno facendo investimenti importanti e la tecnologia sta migliorando rapidamente. Nuovi sensori appaiono tutto il tempo. | CMOS è il futuro per la maggior parte delle applicazioni. CCD sarà continuare a servire nicchie di specialità come strumenti scientifici. | |||
| Costo: sia il sensore che la fotocamera stessa. | I sensori CCD di grandi dimensioni sono costosi e l’elettronica esterna della fotocamera analogica e digitale è complessa. | I sensori CMOS di grandi dimensioni sono altrettanto costosi., L’elettronica analogica viene eliminata, ma l’elettronica digitale è più complessa. | Per fotocamere semplici, CMOS è molto più economico. Per le fotocamere raffreddate a bassa luminosità, c’è poca o nessuna differenza.,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 maggior parte dei sensori CMOS ha pixel piccoli, ma appaiono alcuni modelli di pixel più grandi. | |||
| Profondità del pozzo – quanti elettroni può contenere ogni pixel – molto importante per la fotometria | da 40.000 a 200.000 | da 30.000 a 75.000. Può essere mitigato tramite impilamento dato basso rumore di lettura. | CCD, ma l’impilamento può dare CMOS il vantaggio.,ombining pixel per la sensibilità o la corrispondenza di risoluzione | Facilmente raggiunto un livello analogici con zero aggiunta di rumore | la Maggior parte delle architetture dell’amministrazione digitale di raggruppamento, con un conseguente aumento della lettura di rumore | CCD |
| Amp Glow – elettronica di bordo creare un po ‘ di luce con LED effetto | Facilmente mitigato da spegnere lettura transistor | Questo è un problema più grande con il CMOS, dato che ci possono essere milioni di transistor., 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. HDR modalità, la mancanza di overscan dati; tecniche sono ancora in fase di perfezionamento | CCD |
Come si può vedere, Ccd ancora alcuni vantaggi significativi per le elevate prestazioni, basso livello di luce imaging – anche se questi vantaggi vengono lentamente tagliato via dalla nuova tecnologia CMOS.
Alcuni dei nostri clienti devono rilevare sorgenti luminose estremamente deboli, che richiedono esposizioni di un’ora o fattori di binning molto elevati per ottenere un rapporto segnale-rumore sufficiente., Per queste applicazioni i sensori CCD hanno un enorme vantaggio rispetto alla più recente tecnologia CMOS; hanno molto meno “bagliore di amp” e hanno capacità di binning analogiche molto migliori. Sensore CMOS semplicemente non funzionano in queste applicazioni.
Perché, allora, le grandi aziende stanno passando a CMOS ora? La realtà è che la maggior parte delle applicazioni di imaging (non scientifiche) richiedono esposizioni video o brevi; in quelle situazioni, il CMOS è superiore sia in termini di costi che di prestazioni. Ciò ha minato la proposta economica per la produzione di sensori CCD in volume.,
Di conseguenza, ON Semiconductor ha iniziato a interrompere i precedenti dispositivi Kodak / Truesense nel 2019. Ma non è la fine della tecnologia CCD. Alcuni sensori CCD SONY saranno disponibili fino al 2026. Per i mercati dell’astronomia e della spettroscopia di fascia alta, aziende come Teledyne e2v continueranno a produrre sensori CCD molto costosi e dalle prestazioni estreme per gli anni a venire.
Le applicazioni astronomiche serie come la fotometria e lo spettroscopio o le applicazioni delle scienze della vita come la bioluminescenza e la fluorescenza continueranno ad avere bisogno della tecnologia CCD a breve termine., Le immagini meno impegnative o quelle che necessitano di immagini a velocità più elevata passeranno tutti ai sensori CMOS. Entro 5 anni, prevediamo che lo stato dell’arte in CMOS soppianterà ancora più applicazioni. Per soddisfare le vostre esigenze di oggi e di domani, la linea di fotocamere SBIG di Diffraction Limited include ora sia CCD ad alte prestazioni che moderni sensori CMOS.