de Doug George.dispozitivul cuplat la Încărcare (cunoscut sub numele de CCD) a dominat astronomia și electronica de consum timp de aproape cinci decenii. Asta se schimbă.CCD-ul câștigător al Premiului Nobel a fost inventat în 1969 și a devenit o tehnologie matură după aproximativ 20 de ani. Camerele CCD au obținut o largă acceptare pentru măsurători statice, video și fotometrice, înlocuind generațiile anterioare de echipamente voluminoase cu tuburi vidate., Telescopul Spațial Hubble, lansat în 1990, folosește faimos tehnologia CCD pentru a produce priveliștile sale uimitoare și datele științifice. Pe frontul de acasă, consumatorii au cumpărat camere video portabile bazate pe CCD posibile pentru a înregistra viața de familie, iar întreprinderile le-au folosit pentru camere de securitate și echipamente de inspecție.la mijlocul anilor 1980, senzorii activi de pixeli au fost inventați ca o alternativă ieftină la tehnologia CCD dominantă. La începutul anilor 2000, acești senzori au fost actualizați pentru a utiliza tehnologia tranzistorului CMOS standard., Deși senzorii de pixeli activi CMOS timpurii au fost utilizați doar în aplicații cu performanțe reduse, apariția telefoanelor inteligente a împins producătorii să-și îmbunătățească rapid performanța. Până în 2007 CMOS a atins paritatea pieței cu senzorii CCD, iar până în 2019 au apărut primii senzori capabili să depășească performanța CCD. Astăzi, CMOS s-a maturizat până la punctul în care înlocuiește CCD în toate aplicațiile, cu excepția celor mai specializate.
să comparăm mai întâi modul în care funcționează cele două tipuri de senzori.
senzorii camerei utilizează elemente de imagine cunoscute sub numele de” pixeli ” pentru a detecta lumina., O analogie comună atunci când vorbim despre pixeli este să ne imaginăm o serie de găleți care colectează apa de ploaie. Ai putea determina forma și densitatea nor deasupra capului de cât de mult apa se termină în fiecare găleată.
Găleată Analogie
CMOS și CCD ambele folosesc o matrice de silicon de pixeli („găleți”) pentru a detecta lumina. Când un foton de lumină lovește un atom de siliciu, acesta bate un electron într-o stare de energie mai mare. Aceasta eliberează electronul pentru a se deplasa prin material. Acum este denumit fotoelectron („picătură de ploaie”).,
diferența mare se întâmplă atunci când citiți senzorul. Într-un dispozitiv cuplat cu sarcină (CCD), electrozii speciali atrag și resping electronii, amestecându-i unul câte unul într-un colț al cipului. În analogia noastră, apa este turnată dintr-o găleată în alta, ca o brigadă de pompieri de modă veche, până când ajunge într-un colț al matricei unde este măsurată. Într-un senzor real, câteva tranzistoare de bord fac această măsurare transformând numărul de electroni dintr-un pixel într-o tensiune. Apoi merge la unele electronice din afara senzorului, care includ un convertor analog-digital., Rezultatul este un număr pentru fiecare pixel, care descrie câtă lumină a fost detectată. Deoarece toți pixelii sunt măsurați de exact aceeași electronică, camerele CCD pot fi făcute foarte consistente și precise.senzorii CCD sunt construiți folosind tehnologia NMOS sau PMOS, care a fost populară în anii 70, dar este rar folosită astăzi. Majoritatea electronicelor moderne sunt construite folosind tehnologia complementară a oxidului de metal Semiconductor (CMOS), care este o combinație de NMOS și PMOS. Prin utilizarea CMOS este mult mai ușor de a construi electronice complexe chiar în senzorul în sine., Aceasta poate fi o economie majoră de costuri și spațiu, în special pentru o cameră de telefon mobil miniaturizată.într-un detector CMOS, există tranzistoare la fiecare pixel. Acestea transformă semnalul într-o tensiune, care se conectează prin fire interne la unele electronice complexe de la bord. Senzorii tipici CMOS au unul sau două convertoare analog-digital pentru fiecare coloană din senzor. În loc de câteva tranzistoare la bord, pot exista milioane.,
Senzori CCD Au O Citire În Colț,
Senzori CMOS Au de Citire la Fiecare Pixel
Prin încorporarea toate aceste electronice în senzor, cipul în sine este mult mai complex, dar camera este mult simplificată. Senzorii CCD au doar una, două sau, uneori, patru citiri – potențial unul în fiecare colț. Senzorii CMOS au mii. Aceasta înseamnă că camerele CMOS pot citi incredibil de rapid, chiar și 100x mai rapid decât un CCD comparabil., Pentru aplicații cu expunere lungă, care nu este atât de important, dar este deosebit de important pentru camerele video.aceste mii de citiri într-un senzor CMOS au un avantaj imens de viteză, dar există un preț ridicat care trebuie plătit în ceea ce privește strălucirea amplificatorului și zgomotul modelului. Utilizatorii CCD au văzut o mică strălucire în colțurile senzorului; utilizatorii timpurii ai senzorilor CMOS au fost copleșiți de strălucirea și problemele de expunere îndelungată ale acestor noi senzori.în ultimii ani, cei mai buni senzori CMOS se apropie în sfârșit sau chiar depășesc nivelurile de performanță CCD, dar nu în toate aspectele., 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., | companiile fac investiții majore, iar tehnologia sa îmbunătățit rapid. Senzori noi apar tot timpul. | CMOS este viitorul pentru majoritatea aplicațiilor. CCD va continua să servească nișe de specialitate, cum ar fi instrumentele științifice. | |||
| Cost-atât senzorul, cât și camera în sine. | senzorii CCD mari sunt scumpi, iar electronicele externe analogice și digitale sunt complexe. | senzorii CMOS mari sunt la fel de scumpi., Electronica analogică este eliminată, dar electronica digitală este mai complexă. | pentru camere simple, CMOS este mult mai ieftin. Pentru camerele de imagistică cu lumină scăzută răcită, există o diferență mică sau deloc.,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., Majoritatea senzorilor CMOS au pixeli mici, dar apar unele modele de pixeli mai mari. | |||
| ei Bine, Adâncime – câți electroni poate fiecare pixel țineți – foarte important pentru fotometrie | 40.000-200.000 | 30.000 de la 75.000. Poate fi atenuat prin stivuire, având în vedere zgomotul redus de citire. | CCD, dar stivuirea poate oferi CMOS avantajul.,ombining pixeli pentru sensibilitatea sau rezoluția de potrivire | Ușor de realizat la un analog nivel cu zero a adăugat zgomot | cele Mai multe arhitecturi efectua digital binning, care rezultă în mai mare citit de zgomot | CCD |
| Amp Strălucire – electronice de la bord a crea o lumină prin intermediul LED-uri efect | Ușor atenuate prin alimentarea în jos citire tranzistori | Aceasta este o problemă mai mare cu CMOS, deoarece nu poate fi milioane de oameni de la bord tranzistori., 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 moduri, lipsa de overscan de date; tehnici sunt încă în curs de perfecționat | CCD |
după Cum puteți vedea, ccd-uri încă mai au unele avantaje semnificative pentru înaltă performanță, cu nivel scăzut de luminozitate imaging – deși aceste avantaje sunt lent, fiind înlăturat prin noua tehnologia CMOS.unii dintre clienții noștri trebuie să detecteze surse de lumină extrem de slabe, necesitând fie expuneri de o oră, fie factori de fixare foarte mari pentru a obține un raport semnal-zgomot suficient., Pentru aceste aplicații senzori CCD au un avantaj masiv față de noua tehnologie CMOS; ei au mult mai puțin „strălucire amp” și au capacități mult mai bune binning analogice. Senzorul CMOS pur și simplu nu funcționează în aceste aplicații.
De ce, atunci, companiile majore trec la CMOS acum? Realitatea este că majoritatea aplicațiilor imagistice (non-științifice) necesită expuneri video sau scurte; în aceste situații, CMOS este superior atât în ceea ce privește costul, cât și performanța. Acest lucru a subminat propunerea economică pentru fabricarea senzorilor CCD în volum.,ca urmare, ON Semiconductor a început întreruperea fostelor dispozitive Kodak / Truesense în 2019. Dar nu este sfârșitul tehnologiei CCD. Anumiți senzori SONY CCD vor fi disponibili până în 2026. Pentru piețele de astronomie și spectroscopie de ultimă generație, companii precum Teledyne e2v vor continua să producă senzori CCD foarte scumpi și cu performanțe extreme pentru anii următori.aplicațiile astronomice grave, cum ar fi fotometria și spectroscopul sau aplicațiile științelor vieții, cum ar fi bioluminescența și fluorescența, vor continua să aibă nevoie de tehnologie CCD pe termen scurt., Imaginile mai puțin solicitante sau cele care au nevoie de imagini cu viteză mai mare vor trece la senzori CMOS. În termen de 5 ani, prezicem că stadiul actual al tehnologiei în CMOS va înlocui și mai multe aplicații. Pentru a vă satisface nevoile de astăzi și de mâine, linia SBIG a Diffraction Limited include acum atât senzori CCD de înaltă performanță, cât și senzori CMOS moderni.