De la conversion photoélectrique à la génération d'images: différences essentielles dans les principes d'imagerie

Dans de nombreux scénarios d'application de l'automatisation industrielle, de la vision artificielle et de la recherche scientifique, les caméras industrielles, en tant qu'équipement de base pour l'acquisition d'informations d'image,affecter directement l'exactitude et la fiabilité de l'ensemble du système en termes de performancesLe composant principal qui détermine les performances des appareils photo industriels est le capteur d'image,dont le CCD (charge coupled device) et le CMOS (complementary metal oxide semiconductor) sont les deux principales voies technologiquesBien que les deux soient basés sur le même principe de conversion photoélectrique, qui utilise l'effet photoélectrique des matériaux semi-conducteurs pour convertir des photons en électrons,il existe des différences fondamentales dans les méthodes de traitement et de transmission des signaux.

Le concept de conception des capteurs CCD consiste à traiter de manière centralisée les signaux photoélectriques: lorsque la lumière brille sur la matrice de pixels, chaque pixel génère un paquet de charge proportionnel à l'intensité de la lumière.Ces paquets de charge nécessitent un processus de transfert complexe - sous contrôle d'impulsion d'horloge précis, les charges de pixels sont déplacées ligne par ligne vers un seul nœud de sortie (ou un très petit nombre de nœuds de sortie) au bord de la puce,où la conversion de charge en tension et l'amplification du signal sont effectuéesCette conception assure que tous les signaux pixel passent par le même chemin de signal, assurant un degré élevé de cohérence de la sortie du signal.

En revanche, les capteurs CMOS adoptent une architecture innovante de traitement distribué.mais intègre également des amplificateurs miniatures indépendants et des circuits de conversion analogique en numériqueCette conception permet à chaque pixel de convertir les charges en signaux de tension sur place, et de les lire directement à travers un réseau de fils de rangée et de colonne qui se croisent.Bien que cette structure améliore considérablement la vitesse de lecture et réduit la consommation d'énergie, les différences de performance entre des millions d'amplificateurs miniatures entraînent inévitablement des problèmes de cohérence du signal.
Cette différence fondamentale dans la transmission du signal a conduit à une série de différences de performances entre les deux technologies dans les applications de caméras industrielles. Understanding the difference between CCD's "sequential shift and centralized output" and CMOS's "parallel conversion and distributed reading" is the foundation for grasping all subsequent differences between the two.

Comparaison de cinq principaux facteurs de performance: bruit, consommation d'énergie, résolution, sensibilité et coût2.1 Performance sonore et qualité d'image

Les capteurs CCD ont l'avantage de contrôler le bruit en raison du traitement centralisé du signal.les différences d'amplification entre les pixels sont évitéesCette conception, combinée à une technologie de jonction PN mature ou à une technologie de couche d'isolation au dioxyde de silicium, réduit efficacement la production de bruit de modèle fixe.fournissant ainsi une sortie plus pure et plus cohérente en qualité d'imageSurtout dans des conditions d'exposition prolongée ou de faible luminosité, les capteurs CCD peuvent toujours maintenir de faibles niveaux de bruit, ce qui les rend très appréciés dans les applications de mesure de précision et d'imagerie à faible luminosité.
En revanche, chaque pixel d'un capteur CMOS est équipé d'un amplificateur de signal indépendant.les petites différences de performance entre des millions d'amplificateurs donnent lieu à un bruit fixeCe bruit se manifeste sous forme d'interférences fixes sur l'image, en particulier dans les scènes uniformément éclairées.Les caméras CMOS de qualité industrielle modernes ont considérablement amélioré ce problème grâce à un double échantillonnage corrélatif (CDS) et à des algorithmes de correction numérique, et certains produits haut de gamme ont approché ou même atteint le niveau de qualité d'image du CCD.

2.2 Différences entre l'efficacité énergétique et la consommation d'énergie

En termes de consommation d'énergie, le CMOS présente des avantages significatifs.où la charge générée par la diode photosensible est directement amplifiée et produite par le transistor adjacentL'ensemble du capteur ne nécessite qu'une seule alimentation et la consommation d'énergie typique n'est que de 1/8 à 1/10 de celle des CCD similaires.Cette caractéristique fait du CMOS le choix préféré pour les applications sensibles à l'énergie telles que les appareils portables, des systèmes embarqués et des réseaux multi-caméras.
La consommation d'énergie élevée du CCD est due à son mécanisme de transfert de charge passif.Il nécessite trois ensembles d'alimentation avec des tensions différentes (généralement 12-18V) et un circuit de commande d'horloge complexe pour conduire le transfert de charge par changementCela augmente non seulement la complexité de la conception de l'alimentation électrique, mais entraîne également des problèmes de dissipation de chaleur - lorsque vous travaillez à haute résolution ou à haute fréquence d'images,l'augmentation de la température du CCD augmentera encore le bruit thermiquePar conséquent, les systèmes industriels utilisant des caméras CCD nécessitent souvent des dispositifs de dissipation de chaleur supplémentaires.

2.3 Résolution et conception des pixels

Lors de la comparaison de capteurs de même taille, le CCD fournit généralement une résolution plus élevée.la quasi-totalité de la zone de pixel peut être utilisée pour la photosensibilité, et la proportion de surface photosensible (facteur de remplissage) peut atteindre plus de 95%.qui réduisent la surface photosensible effective dans ces "régions non photosensibles"Par exemple, pour les capteurs avec une spécification de 1/1,8 pouce, le CCD peut atteindre une résolution de 1628 × 1236 (4,40 μm de pixels), tandis que le CMOS a généralement une résolution de 1280 × 1024 (5,2 μm de pixels).
Cependant, la technologie CMOS réduit progressivement cet écart grâce à des conceptions rétroéclairées (BSI) et empilées.CMOS rétro-éclairé utilise une puce flip pour diriger la lumière sur la zone photosensible de l'arrière, contournant la couche de circuit à l'avant et améliorant considérablement le facteur de remplissage.CMOS empilé sépare et fabrique la couche photosensible de la couche de circuit de traitement avant la liaisonCes innovations permettent aux caméras industrielles CMOS modernes haut de gamme d'offrir des résolutions de plus de 20 millions de pixels,répondant à la grande majorité des besoins d'inspection industrielle.

2.4 Sensibilité à la lumière et faible performance lumineuse

En termes de sensibilité, les capteurs CCD conservent leurs avantages traditionnels.offrant une meilleure performance du rapport signal/bruitLes données des essais montrent que l'œil humain peut reconnaître des objets sous un éclairage de 1 lux (équivalent à une nuit de pleine lune), et que la gamme de sensibilité du CCD est de 0,1-3 lux.Alors que les systèmes CMOS traditionnels nécessitent un éclairage de 6 à 15 lux pour fonctionner efficacement, cela signifie que dans les environnements à faible luminosité inférieurs à 10 lux, les systèmes CMOS traditionnels peuvent être utilisés dans des environnements à faible luminosité., les CMOS traditionnels ne peuvent guère capturer d'images utilisables.
Cette différence est particulièrement critique dans les applications spéciales telles que les endoscopes industriels, la surveillance de la vision nocturne et les observations astronomiques.les systèmes CMOS modernes ont considérablement amélioré les performances en basse lumière grâce à de grands modèles de pixels (tels que les pixels de plus de 3 μ m) et une technologie avancée de micro-lentillesCertains capteurs CMOS haut de gamme ont même atteint une efficacité quantique (QE) au-delà de la CCD grâce à la technologie rétroéclairée, atteignant une efficacité de conversion de photons supérieure à 95% à des longueurs d'onde spécifiques.

2.5 Coût de fabrication et considérations économiques

En termes de structure des coûts, le CMOS présente un avantage écrasant.Les capteurs CMOS utilisent le même processus de fabrication que les circuits intégrés semi-conducteurs standard et peuvent être produits en série dans des usines de plaquettes qui produisent des puces informatiques et des dispositifs de stockageCette compatibilité des procédés réduit considérablement les coûts unitaires. Dans le même temps, l'intégration élevée de CMOS permet aux fabricants de caméras de développer des "caméras au niveau de la puce" - intégrant des capteurs,les transformateurs, et des circuits d'interface sur une seule puce, simplifiant davantage le processus d'assemblage et les exigences de circuits périphériques.
En revanche, le processus de fabrication du CCD est unique et complexe, et seuls Sony et DALSA, Panasonic et quelques autres fabricants ont une capacité de production.Son mécanisme de transfert de charge est extrêmement sensible aux défauts de fabrication: une défaillance d'un seul pixel peut entraîner l'impossibilité de transmettre l'ensemble de la ligne de données, ce qui réduit considérablement le rendement.Les caméras CCD nécessitent des circuits de support supplémentaires (y compris des contrôleurs de chronométrage), convertisseurs analogiques en numériques et processeurs de signaux), qui entraînent collectivement une hausse du prix du produit final, ce qui rend le coût des caméras industrielles CCD généralement de 15 à 3 fois celle des caméras CMOS des mêmes spécifications.