by Doug George.
O dispositivo acoplado à carga (conhecido como CCD) tem dominado a astronomia e a eletrônica de consumo por quase cinco décadas. Isso está a mudar.o Prêmio Nobel CCD foi inventado em 1969 e tornou-se uma tecnologia madura após cerca de 20 anos. As câmeras CCD ganharam ampla aceitação para medições fotométricas, vídeo e ainda por imagens, substituindo as gerações anteriores de equipamentos volumosos de tubos de vácuo., O Telescópio Espacial Hubble, lançado em 1990, usa a tecnologia CCD para produzir seus impressionantes vistas e dados científicos. Na frente doméstica, os consumidores compraram câmaras de vídeo portáteis com base em CCD para gravar a vida familiar, e as empresas as usaram para câmeras de segurança e equipamentos de inspeção.
em meados da década de 1980, os sensores de pixels activos foram inventados como uma alternativa de baixo custo para a tecnologia dominante de CCD. No início de 2000 estes sensores foram atualizados para usar a tecnologia de transistor CMOS agora padrão., Embora os primeiros sensores de pixels ativos da CMOS fossem usados apenas em aplicações de baixo desempenho, o advento dos telefones inteligentes levou os fabricantes a melhorar rapidamente o seu desempenho. Em 2007, a CMOS tinha alcançado a paridade de mercado com os sensores CCD, e em 2019 os primeiros sensores capazes de superar o desempenho CCD apareceram. Hoje, a CMOS amadureceu até o ponto em que está substituindo CCD em todas as aplicações menos as mais especializadas.vamos primeiro comparar como funcionam os dois tipos de sensores.os sensores de Câmera usam elementos de imagem conhecidos como” pixels ” para detectar a luz., Uma analogia comum quando se fala de pixels é imaginar um conjunto de baldes coletando água da chuva. Você pode determinar a forma e a densidade da nuvem por quanto água Acaba em cada balde.
The Bucket Analogy
CMOS and CCD both use arrays of silicon pixels (“buckets”) to detect light. Quando um fóton de luz atinge um átomo de silício, ele bate um elétron em um estado de energia superior. Isso liberta o elétron para se mover através do material. É agora referido como um photoelectron (“gota de chuva”).,
A grande diferença acontece quando você lê o sensor. Em um dispositivo de carga acoplada (CCD), eletrodos especiais atraem e repelem elétrons, baralhando-os um a um para um canto do chip. Em nossa analogia, a água é derramada de um balde para o próximo, como um antigo corpo de bombeiros, até chegar a um canto da matriz onde é medida. Em um sensor real, um par de transístores de bordo fazem esta medição, convertendo o número de elétrons de um pixel em uma voltagem. Ele então vai para alguns Eletrônicos fora do sensor, que incluem um conversor analógico-digital., O resultado é um número para cada pixel, descrevendo quanta luz foi detectada. Uma vez que todos os pixels são medidos exatamente pela mesma eletrônica, Câmeras CCD podem ser feitas muito consistentes e precisas.
os sensores CCD são construídos usando tecnologia NMOS ou PMOS, que era popular nos anos 70, mas raramente é usado hoje em dia. A maioria da eletrônica moderna é construída usando tecnologia complementar semicondutor de óxido metálico (CMOS), que é uma combinação de MMOs e PMOS. Usando CMOS é muito mais fácil construir eletrônicos complexos diretamente no próprio sensor., Isto pode ser uma grande economia de custos e espaço, especialmente para uma câmera de celular miniaturizada.
num detector CMOS, há transístores em cada pixel. Eles convertem o sinal para uma voltagem, que se conecta através de fios internos a algum complexo eletrônico de bordo. Os sensores CMOS típicos têm um ou dois conversores analógicos-digitais para cada coluna do sensor. Em vez de dois transístores a bordo, pode haver milhões.,
Sensores CCD Têm Uma Leitura No Canto,
Sensores CMOS Têm Leitura em Cada Pixel
Pela incorporação de todos estes eletrônica para o sensor, o chip é muito mais complexo, mas a câmera é bastante simplificado. Os sensores CCD só têm um, dois ou, por vezes, quatro leituras – potencialmente uma em cada canto. Os sensores CMOS têm milhares. Isto significa que as câmeras CMOS podem ler incrivelmente rápido, mesmo 100X mais rápido do que um CCD comparável., Para aplicações de longa exposição que não é tão importante, mas é especialmente importante para câmeras de vídeo.estes milhares de leituras em um sensor CMOS têm uma enorme vantagem de velocidade, mas há um preço alto a ser pago em termos de brilho amplificador e ruído padrão. Os usuários de CCD têm visto um pouco de brilho nos cantos do sensor; os primeiros usuários de sensores CMOS foram esmagados pelo brilho e longos problemas de exposição desses novos sensores.
nos últimos anos, os melhores sensores CMOS estão finalmente se aproximando ou mesmo excedendo os níveis de desempenho CCD, mas não em todos os aspectos., 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., | as empresas estão fazendo grandes investimentos, e a tecnologia tem vindo a melhorar rapidamente. Novos sensores aparecem o tempo todo. | CMOS é o futuro para a maioria das aplicações. O CCD continuará a servir nichos especializados, como instrumentos científicos. | |||
| Cost – both the sensor and the camera itself. | grandes sensores CCD são caros, e eletrônicos analógicos e digitais externos são complexos. | grandes sensores CMOS são igualmente caros., A eletrônica analógica é eliminada, mas a eletrônica digital é mais complexa. | para câmeras simples, CMOS é muito mais barato. Para câmeras de imagem de baixa luz refrigeradas, há pouca ou nenhuma diferença.,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., A maioria dos sensores CMOS têm pequenos pixels, mas alguns modelos maiores de pixels estão aparecendo. | |||
| Bem de Profundidade – quantos elétrons podem cada pixel mantenha – muito importante para fotometria | 40.000 e 200.000 | de 30.000 75.000. Pode ser mitigado através de empilhamento dado o ruído de leitura baixa. | CCD, mas empilhamento pode dar a vantagem a CMOS.,ombining pixels para a sensibilidade ou a resolução correspondente | Facilmente alcançado em um nível analógico com zero adicionado ruído | a Maioria das arquiteturas de realizar digital binning, o que resulta em maior leitura de ruído | CCD |
| Amp Brilho e eletrônica de bordo criar um pouco de luz através de LED efeito | Facilmente mitigados por desligar a leitura de transistores | Este é um problema maior com o CMOS, já que não pode ser de milhões de transistores., 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 modos, a falta de overscan de dados; técnicas ainda estão sendo aperfeiçoados | CCD |
Como você pode ver, CCDs ainda tem algumas vantagens significativas para alto desempenho, baixo nível de luz de imagem, ainda que estas vantagens estão lentamente sendo retirado pela nova tecnologia CMOS.alguns dos nossos clientes precisam de detectar fontes de luz extremamente fracas, exigindo exposições de horas ou factores de fixação muito elevados para obter uma relação sinal-ruído suficiente., Para estas aplicações os sensores CCD têm uma enorme vantagem sobre a tecnologia CMOS mais recente; eles têm muito menos “brilho amp” e têm muito melhores capacidades de binning analógico. O sensor CMOS simplesmente não funciona nestas aplicações.por que razão, então, as grandes empresas estão agora a mudar para CMOS? A realidade é que a maioria das aplicações (não-científicas) de imagem requerem vídeo ou exposições curtas; nessas situações, CMOS é superior em custo e desempenho. Isto minou a proposição econômica para fabricar sensores CCD em volume.,como resultado, no semicondutor começou a descontinuar os antigos dispositivos Kodak / Truesense em 2019. Mas não é o fim da tecnologia CCD. Alguns sensores SONY CCD estarão disponíveis até 2026. Para os mercados de astronomia de ponta e espectroscopia, empresas como a Teledyne e2v continuarão a fabricar sensores CCD muito caros e de alto desempenho durante os próximos anos.aplicações astronômicas graves, tais como fotometria e espectroscópio ou ciências da vida, tais como bioluminescência e fluorescência, continuarão a precisar de tecnologia CCD para o curto prazo., Imagens menos exigentes ou aqueles que precisam de imagens de alta velocidade vão mudar para sensores CMOS. Dentro de 5 anos, prevemos que o estado-da-arte em CMOS irá suplantar ainda mais aplicações. Para atender às suas necessidades para hoje e amanhã, a linha de câmeras SBIG da Difaction Limited agora inclui tanto os sensores de alta performance CCD e CMOS modernos.