اگر به ساختار شماتیک سنسورهایCCD وCMOS نگاه کنیم در نگاه اول متوجه اختلاف میان این دو خواهیم شد ، آنچه مسلم است هردوی این سنسورها نیمه هادی هائی با قابلیت ذخیره نور درقالب پیکسل ها می باشند ولی تفاوت در این جاست که در سنسورهای CCD بعد از عملیات نور گیری ، پکهای بار که هر کدام متناسب با یک پیکسل می باشند متناوبا به بخش خروجی هدایت می گردند که در آنجا کل بار مورد بحث به ولتاژ تبدیل شده و پس از عبور از یک بافر به خارج از چیپ هدایت می گردد.
به ادامه مطلب مراجعه کنید
http://www.writeage.com/images/ccd.jpg
در چیپ CMOS عملیات تبدیل بار به ولتاژ بجای اینکه در مرحله آخر و بصورت کلی انجام پذیرد، در هر پیکسل و بطور جداگانه صورت می گیرد این تفاوت در نحوه بازخوانی اطلاعات، تفاوت عمده ای در ساختمان ، توانائی ها و محدودیت های چیپ مورد بحث ایجاد می کند . در اینجا چند ویژگی کاربردی برای یک سنسور ایده آل را بیان می کنیم و محدودیت ها و مزایای هر کدام از سنسورهای CCD و CMOS را بر می شماریم :
1- عملکرد بالا ( مقدار سیگنالی که سنسور به ازای هر واحد انرژی نورانی ورودی ، باز پس می دهد ):
CMOSها در اینجا بسیار از CCD ها بهتر عمل می کنند چون عناصر بهبود راندمان بسیار ساده تر در ساختمانCMOS ها قرار می گیرد در حالیکه CCD ها همواره دارای اتلاف انرژی زیادی هستند البته این موضوع با تکنیکهای جدید تولید CCD به چالش کشیده شده است .
2- یکنواختی و متناسب بودن نور درکلیه نقاط : بصورت ایده آل کلیه نقاط میبایست دارای نور یکنواختی باشند و این عملکردهای غیر خطی هستند که غیر یکنواختی ها را بوجود می آورد. البته می بایست میان یکنواختی تصویر در نور کامل و یکنواختی در تاریکی نسبی تفاوت قائل شد .
CMOS ها در این مرحله بطور نسبی بد عمل میکنند چون هر پیکسل بصورت جداگانه آنالیز می شود و فیدبکی از خروجی برای تنظیم نور وجود ندارد. البته با وجود تقویت کننده هائی که از خروجی برای تصحیح نور فیدبک می گیرند کیفیت تصویر CMOS ها تقریبا به CCD ها نزدیک شده است ( البته هنوز درمورد فضای تاریک، CMOS ها در مقابل CCD ها حرفی برای گفتن ندارند که در تصویر برداری های با سرعت بالا جائیکه سرعت بالا به معنی رسیدن نور کمتری به سنسور است این موضوع موجب تاثیر در کیفیت کل تصویر میگردد)
3- سرعت :جائیکه بطور قابل ملاحظه ای CMOS ها از CCD ها پیشی میگیرند. چون در آنها کلیه عملیات دوربین تا مرحله ظهور بروی صفحه در سنسور آن صورت می گیرد . که البته سازندگان CMOS ها بخاطر کاربرد عمومی این سنسورها در دوربین های معمولی به سرعت آن توجه خاصی داشته اند حال آنکه درمورد CCD ها که در موارد خاص صنعتی ، طبی و ... بصورت حرفه ای استفاده میگردند این فاکتور بطور اخص مورد اهمیت قرار نگرفته است.
4- لول گذاری : یکی دیگر از ویژگیهای تکنولوژی CMOS توانائی لول گذاری بروی اطلاعات خوانده شده از سنسور می باشد که از این موضوع برای بهبود تصویر یک فریم ویا متمرکز شدن بر یک ناحیه کوچک می توان استفاده کرد .
CCD ها در این مورد محدودیت هائی دارند که آنها را در سطحی پائین تر از سی موس ها قرار می دهد.
نتیجه گیری و انتخاب سنسور : CMOS ها دارای مدارات مجتمع پیشرفته تر ، اتلاف انرژی کمتر و اندازه های کوچکتر در مقابل کیفیت تصویری که ارائه می دهند ، می باشند . وهمچنین برای تولید انبوه دارای تکنولوژی مناسب تری هستند و درجاهائیکه کیفیت تصویر اهمیت چندانی ندارد کاربرد فراوان دارند از قبیل : دوربین های مدار بسته ، دور بین های ویدئو کنفرانس، اسکنرهای بارکد ، ماشین های فاکس و...،
در مقابل CCDها کیفیت تصویر بالاتری ارائه می دهند و برای کاربردهایی که احتیاج به کیفیت بالائی دارند همچنان بهترین انتخاب می باشد همانند عکاسی های دیجیتال ، دوربین های تلویزیونی ، تصاویر صنعتی با دقت بالا و استفاده های علمی و صنعتی دیگر.
پس در کل این دونوع سنسور دارای کاربرد متفاوتی می باشند و با توجه به اینکه قیمت های هر دو نوع سنسور در دوربین های تجاری چندان تفاوتی نمی کتد می بایست انتخابی متناسب با کاربرد نمود .
مزایا و معایب حسگرهای CCD و CMOS
دوربین های دیجیتال و دوربین های معمولی دارای مشترکاتی می باشند : هر دو دارای جعبه ای هستند که بروی این جعبه یک لنز وجود دارد که وظیفه این لنز مشاهده تصویر و انتقال نور این تصویر به درون محفظه می باشد ولی تفاوت از اینجا آغاز می شود که وظیفه ثبت این تصاویر در دوربین های معمولی بر عهده یک فیلم حساس به نور است که با برخورد نور منعکس شده از لنز به این فیلم و طی یک عملیات شیمیائی عکس ظاهر می گردد ، در حالیکه در دوربین های دیجیتال نه تنها از فیلم خبری نیست بلکه احتیاجی نیز به عملیات شیمیائی جهت ظهور عکس نمی باشد. در عوض در اینگونه وسایل چیپ یا سنسور حساس به نوری وجود دارد که با جذب نور ساطع شده از لنز آن را به بارهای الکتریکی تبدیل می کند . پس هرچه این چیپ ها زیادتر باشند نور بیشتری دریافت می گرددو در نتیجه عکس با کیفیت تری داریم . ولی اینجا یک مشکل وجود دارد و آن هم این است که این سلول ها ( چیپ ها ) به تنهایی قادر به تشخیص رنگها نیستند لذا طی عملیات نورگیری فیلترهائی جهت تشخیص رنگهای اصلی در جلوی سنسور بکار می رود که به این فیلترها در اصطلاح CCD می گوئیم. خروجی این فیلترها بصورت آنالوگ می باشد که پس از عبور از یک مبدل به دیجیتال تبدبل می گردند .
هر باز تابش نور در پرتو ساطع شده از جسمی که از آن عکس گرفته شده است ، بعنوان یک پیکسل ( کوچکترین واحد قابل مشاهده هر عکس ) شناخته می شود که در نهایت این پیکسل ها تصویر کلی را تشکیل می دهند.
اما همه دوربین ها از چیپ CCD بعلت گران بودن و مشکل بودن ساخت آن استفاده نمی کنند بلکه بعضی از سنسور دیگری بنام CMOS استفاده می کنند. تکنولوژی بکار رفته در اینگونه چیپ ها مشابه فناوری تولید ریزپردازنده ها و مدارات مجتمع می باشد . این گونه حسگرها نسبت به نوع قبلی ارزانتر بوده وراحت تر ساخته می شوند و از نظر مصرف انرژی نیز بسیار مقرون بصرفه می باشند و در مجموع CMOS ها نسبت به همتایان CCD خود بسیار سبکترند . البته این خصوصیات خوب مشکلات خاص خود را نیز دارد جائیکه این حسگرها دارای حساسیت کمتری بوده و در نتیجه کیفیت تصویری پائین تری دارند .
اگر به ساختار شماتیک سنسورهایCCD وCMOS نگاه کنیم در نگاه اول متوجه اختلاف میان این دو خواهیم شد ، آنچه مسلم است هردوی این سنسورها نیمه هادی هائی با قابلیت ذخیره نور درقالب پیکسل ها می باشند ولی تفاوت در این جاست که در سنسورهای CCD بعد از عملیات نور گیری ، پکهای بار که هر کدام متناسب با یک پیکسل می باشند متناوبا به بخش خروجی هدایت می گردند که در آنجا کل بار مورد بحث به ولتاژ تبدیل شده و پس از عبور از یک بافر به خارج از چیپ هدایت می گردد.
در چیپ CMOS عملیات تبدیل بار به ولتاژ بجای اینکه در مرحله آخر و بصورت کلی انجام پذیرد، در هر پیکسل و بطور جداگانه صورت می گیرد این تفاوت در نحوه بازخوانی اطلاعات، تفاوت عمده ای در ساختمان ، توانائی ها و محدودیت های چیپ مورد بحث ایجاد می کند . در اینجا چند ویژگی کاربردی برای یک سنسور ایده آل را بیان می کنیم و محدودیت ها و مزایای هر کدام از سنسورهای CCD و CMOS را بر می شماریم :
1- عملکرد بالا ( مقدار سیگنالی که سنسور به ازای هر واحد انرژی نورانی ورودی ، باز پس می دهد ):
CMOSها در اینجا بسیار از CCD ها بهتر عمل می کنند چون عناصر بهبود راندمان بسیار ساده تر در ساختمانCMOS ها قرار می گیرد در حالیکه CCD ها همواره دارای اتلاف انرژی زیادی هستند البته این موضوع با تکنیکهای جدید تولید CCD به چالش کشیده شده است .
2- یکنواختی و متناسب بودن نور درکلیه نقاط : بصورت ایده آل کلیه نقاط میبایست دارای نور یکنواختی باشند و این عملکردهای غیر خطی هستند که غیر یکنواختی ها را بوجود می آورد. البته می بایست میان یکنواختی تصویر در نور کامل و یکنواختی در تاریکی نسبی تفاوت قائل شد .
CMOS ها در این مرحله بطور نسبی بد عمل میکنند چون هر پیکسل بصورت جداگانه آنالیز می شود و فیدبکی از خروجی برای تنظیم نور وجود ندارد. البته با وجود تقویت کننده هائی که از خروجی برای تصحیح نور فیدبک می گیرند کیفیت تصویر CMOS ها تقریبا به CCD ها نزدیک شده است ( البته هنوز درمورد فضای تاریک، CMOS ها در مقابل CCD ها حرفی برای گفتن ندارند که در تصویر برداری های با سرعت بالا جائیکه سرعت بالا به معنی رسیدن نور کمتری به سنسور است این موضوع موجب تاثیر در کیفیت کل تصویر میگردد)
3- سرعت :جائیکه بطور قابل ملاحظه ای CMOS ها از CCD ها پیشی میگیرند. چون در آنها کلیه عملیات دوربین تا مرحله ظهور بروی صفحه در سنسور آن صورت می گیرد . که البته سازندگان CMOS ها بخاطر کاربرد عمومی این سنسورها در دوربین های معمولی به سرعت آن توجه خاصی داشته اند حال آنکه درمورد CCD ها که در موارد خاص صنعتی ، طبی و ... بصورت حرفه ای استفاده میگردند این فاکتور بطور اخص مورد اهمیت قرار نگرفته است.
4- لول گذاری : یکی دیگر از ویژگیهای تکنولوژی CMOS توانائی لول گذاری بروی اطلاعات خوانده شده از سنسور می باشد که از این موضوع برای بهبود تصویر یک فریم ویا متمرکز شدن بر یک ناحیه کوچک می توان استفاده کرد .
CCD ها در این مورد محدودیت هائی دارند که آنها را در سطحی پائین تر از سی موس ها قرار می دهد.
نتیجه گیری و انتخاب سنسور : CMOS ها دارای مدارات مجتمع پیشرفته تر ، اتلاف انرژی کمتر و اندازه های کوچکتر در مقابل کیفیت تصویری که ارائه می دهند ، می باشند . وهمچنین برای تولید انبوه دارای تکنولوژی مناسب تری هستند و درجاهائیکه کیفیت تصویر اهمیت چندانی ندارد کاربرد فراوان دارند از قبیل : دوربین های مدار بسته ، دور بین های ویدئو کنفرانس، اسکنرهای بارکد ، ماشین های فاکس و…،
در مقابل CCDها کیفیت تصویر بالاتری ارائه می دهند و برای کاربردهایی که احتیاج به کیفیت بالائی دارند همچنان بهترین انتخاب می باشد همانند عکاسی های دیجیتال ، دوربین های تلویزیونی ، تصاویر صنعتی با دقت بالا و استفاده های علمی و صنعتی دیگر.
پس در کل این دونوع سنسور دارای کاربرد متفاوتی می باشند و با توجه به اینکه قیمت های هر دو نوع سنسور در دوربین های تجاری چندان تفاوتی نمی کتد می بایست انتخابی متناسب با کاربرد نمود
