مقاله آشنایی با دوربین های مداربسته CMOS و CCD

امروز قصد داریم در این مقاله به طور کامل به دوربین های مدار بسته نوع CCD و CMOS بپردازیم و در این مقاله به طور کامل با ساختمان این نوع دوربین ها و روش کار آنها آشنا خواهید شد.

همچنین در این مقاله در مورد اصطلاحات مورد استفده در دوربین ها از قبیل زوم اپتیکال ، زوم دیجیتال ، مگاپیکسل و آشنا خواهید شد . با مطالعه این مقاله به طور کامل با مزایا و معایب دوربین های نوع CCD و CMOS آشنا خواهید شد. پس با ما تا انتهای این مقاله با ما همراه باشید.

.

آشنایی با دوربین های CCD و CMOS

آشنایی با دوربین های CCD و CMOS

.

مقدمه

.

در مورد دوربین های دیجیتال بر خلاف دوربین های معمولی که سیگنال های نوری بر روی فیلم های شیمیایی ذخیره می شوند، اطلاعات توسط تعداد زیادی سنسور به پردازنده ی دوربین فرستاده می شود و بر روی حافظه ای نیمه هادی ذخیره می شود.

در مقایسه ای کلی بین این دو نوع دوربین به اولین مورد از تفاوت که برخورد می کنیم، کیفیت بالاتر دوربین های غیر دیجیتال در مقایسه با دوربین های دیجیتال است. شاید تعجب کنید ولی این واقعیت از آنجا ناشی می شود که در حال حاضر قدرت تفکیک پذیری دوربین های غیر دیجیتال بسیار بالاتر از دوربین های دیجیتال است ولی با پیشرفت بسیار سریع ساخت دوربین های دیجیتال به زودی این فاصله کمتر خواهد شد.

اما تفاوت دیگر این دو دوربین در این است که دوربین های دیجیتال امکان ارتباط با واسط های دیجیتال (مثل کامپیوتر، PDA و تلفن های همراه) را دارا می باشند که این مزیت خیلی بزرگی است. کاهش کیفیت در برابر ایجاد ارتباط با دنیای دیجیتال، این بهایی است که باید برای بدست آوردن امکانات جذاب دوربین دیجیتال بپردازیم!

.

مهمترین نکاتی که در یک دوربین دیجیتال باید در نظر گرفته شود، عبارتند از:

.

نوع سنسور دوربین
دقت سنسور دوربین و حداکثر سایز
نوع زوم
مقدار حافظه و انواع آن
LCD و فلاش
قابلیت ضبط صدا و فیلم و پخش MP3
خروجی دوربین

.

نوع سنسور دوربین

.

اولین مرحله از عملیات دوربین جهت عکسبرداری دریافت سیگنال های نوری توسط سنسور هاست.پس از آن این سیگنال ها توسط یک مبدل آنالوگ به دیجیتال به اعداد باینری تبدیل شده و به پردازنده ی دوربین می روند.

.

به طور کلی سنسور های (حسگرهای) استفاده شده در دوربین های دیجیتال بر دو نوع می باشند:

.

سنسور های CCD که مخفف Charge Coupled Device می باشند

و سنسور های CMOS که مخفف Complementary Metal Oxide Semiconductor می باشند.

.

در مورد تفاوت های الکترونیکی این دو سنسور، سنسور های CCD از آرایه ای از فتودیودها تشکیل شده اند، در حالی که سنسورهای CMOS از نوعی از ترانزیستور اثر میدان به نام CMOS تشکیل شده اند. اولین مسئله ای که در اینجا وجود دارد این است که سنسورهای CMOS نسبت به نویز حساس ترند و بنابراین سنسورهای CCD کیفیت بالاتری در انتقال اطلاعات دارند.

دومین مسئله این است که ترانزیستور ها و مدارات مجتمعی (IC) که با تکنولوژی CMOS ساخته می شوند، به کم مصرف بودن یا به اصطلاح Low Power Consuming معروف هستند.

پس سنسور های CMOS بسیار کم مصرف تر از سنسور های CCD هستند .

(شاید حدود یک صدم! که البته این به معنای آن نیست که دوربین های CCD صد برابر دوربین های CMOS توان باتری مصرف می کنند بلکه می توان گفت تا حدودی قابل توجهی تفاوت در مصرف وجود دارد).

.

آشنایی با دوربین های مدار بسته

آشنایی با دوربین های مدار بسته

.

اکثر دوربین های ارزان قیمت خانگی سنسور های CMOS دارند، در حالیکه دوربین های گرانقیمت دارای سنسورهای CCD می باشند. در مورد حدود قیمت های این دو نوع دوربین فکر می کنم اکثر دوربین های معمولی که قیمتی در حدود 100 هزار تومان دارند دارای حسگری از نوع CMOS می باشند و گستره ی قیمت دوربین های CCD از 150 هزار تومان به بالا (حتی تا چند میلیون تومان) می باشند.

به طور کلی کیفیت دوربین های با سنسور های CCD بسیار بالاست و معمولاً برای مصارف حرفه ای استفاده می شود. البته همان طور که در بالا اشاره شد مصرف بالای این دوربین ها را هم باید در نظر گرفت.

.

دقت سنسور دوربین

.

در مورد دقت سنسور به ساده ترین حالت می توان گفت که این کمیت معرف دقت تفکیک دوربین است که این دقت تابعی از چگالی سنسورهای موجود در چشمی دوربین است. این کمیت را بر حسب مگاپیکسل در اینچ می سنجند.

فرض کنید یک پیکسل از یک سنسور تشکیل شده باشد (که البته در مورد سنسور های CMOS این طور نیست و بیش از یک سنسور در یک پیکسل وجود دارد)، آنگاه اگر دوربین ما یک دوربین 1 مگاپیکسل باشد یعنی یک میلیون سنسور از یک اینچ از فضای عکسبرداری نمونه می گیرند.

دقت دوربین های معمولی (غیر دیجیتال) در حدود 23 مگاپیکسل است که بد نیست این مسئله را برای مقایسه بدانیم.

هرچه مگاپیکسل یک دوربین بالاتر باشد قدرت تفکیک آن دوربین بالاتر است یا به عبارتی عکس در ابعاد بالا کمتر نقطه-نقطه می شود و می توان آن را را در ابعاد بزرگتری پرینت گرفت.

فکر می کنم دوربین های موجود در بازار، در حال حاضر از 2.1 مگا پیکسل تا 12 مگا پیکسل می باشند که البته دوربین های بالاتر از 4 یا 5 مگا پیکسل دارای سنسور های از نوع CCD می باشند و برای مصارف حرفه ای استفاده می شوند.

برای استفاده های خانگی یک دوربین 3.1 مگاپیکسلی CMOS یا 3.3 مگاپیکسلی CCD بسیار کافی می باشد و این اندازه برای پرینت در ابعاد کوچک مناسب می باشند.

در مورد حداکثر سایزی که دوربین می تواند عکسبرداری کند، زیاد امکان انتخاب وجود ندارد این مسئله بیشتر تابع مگاپیکسل دوربین است. به عنوان مثال دوربین های 2.1 مگاپیکسل حداکثر سایزی معادل 1200*1600 پیکسل دارند.

.

نوع زوم

.

به طور کلی زوم به معنای کم یا زیاد کردن فاصله ی کانونی عدسی است و یک “لنز زوم”، لنزی است که یک فاصله ی کانونی قابل تنظیم داشته باشد در حالی که لنز (بدون زوم) فاصله کانونی ثابتی دارد. نمی خواهم (و شاید نمی توانم!) زیاد وارد جزئیات فیزیکی این مسئله بشوم اما آنچه من از فیزیک نور به یاد دارم این است که ما بوسیله لنز یا عدسی می توانستیم در حالتهایی (که مثلا شی در فاصله کانونی یا بین کانون و مرکز یا بینهایت و غیره باشد)، حالت های مختلفی از بزرگنمایی، کوچکنمایی یا هم اندازه داشته باشیم.

آنچه مسلم است معمولاً در عکاسی بزرگنمایی به کار ما می آید به عنوان مثال در عکسبرداری های حرفه ای از روشی به نام ماکرو فوکوسینگ برای گرفتن تصویر از اجسام کوچک استفاده می شود که این نوع تصویر برداری مبتنی بر زومینگ یا بزرگنمایی می باشد.

.

دوربین های دیجیتال ممکن است دارای زوم اپتیکال، زوم دیجیتال یا هردو باشند:

.

زوم اپتیکال : در این زوم ما واقعا فاصله ی کانونی لنز را تغییر می دهیم و بدین وسیله مقدار نور تابیده شده بر سنسور CCD در حوزه ی وسیعتری افزایش می دهیم.

.

زوم دیجیتال :  در زوم دیجیتال از یک ترفند نرم افزاری برای بزرگنمایی استفاده می شود، بدین صورت که نصف سیگنال نوری تابیده شده بر یک سنسور CCD در نظر گرفته می شود و سپس با استفاده از روش هایی در پردازنده ی این قسمت ها به هم الحاق می شوند. نکته ی مهم در مورد زوم دیجیتال این است که این زوم با زومی که بوسیله ی نرم افزارهای گرافیکی (مثل فتوشاپ) بر روی عکس ایجاد می شود، تفاوتی ندارد و از اینرو این قابلیت چندان ارزشی ندارد.

.

خروجی دوربین

.

خروجی دوربین برای انتقال اطلاعات به کامپیوتر لازم است. معمولاً اطلاعات داخل حافظه از طریق پورت USB به کامپیوتر منتقل می شود. برخی دوربین ها دارای خروجی S-VIDEO هستند که امکان نمایش تصاویر بر روی تلویزیون را می دهند.

.

CCD در مقابل CMOS

.

تکنولوژی های حس گر تصویر CMOS و CCD در اواخر 1960 تا اوایل 1970اختراع شده است. در آن زمان عملکرد CMOS با تکنولوژی چاپ سنگی ( لیتوگرافی ) موجود محدود می شد.

محدود شدن عملکرد CMOS به وسیله ی تکنولوژی چاپ سنگی این اجازه را به CCD داد که برای 25 سال بعدی بر CMOS چیره شود. CCD های امروزی آن قدر تکامل یافته اند که می توانند تصویر کامل و بدون نویزی را ارائه کنند. معمولاً چیپ CCD به طور مجزا استفاده شده و در کنار آن از چیپ دیگری برای پردازش تصویر و تفکیک رنگها استفاده میشود.

.

به همین دلیل دوربین های CCD دارای چندین چیپ مجزا در کنار هم خواهند بود. علاوه بر آن چیپ CCD نیاز به پالس ساعت دقیقی دارد و این مدار نیز به صورت چیپ مجزا ساخته می شود. استفاده از چیپ های مجزا امکان تداخل نویز و کاهش کیفیت را به همراه خواهد داشت. ضمن آنکه حجم دوربین های بزرگ و مصرف توان بیشتر خواهد شد.

به علت اختلاف در ولتاژ تغذیه چیپ های جدید به نام CMOS ساخته شدند این چیپ ها ساده، کوچک و ارزان تر هستند ولی تمام مزایای چیپ CCD را دارا هستند در چیپ های CMOS تمام مدارات الکترونیکی فقط در داخل یک چیپ قرار می گیرند.

.

در اینجا کلیه مدارات الکترونیکی مثل مبدل های آنالوگ به دیجیتال و مولد پالس ساعت در کنار مبدل تصویر به صورت یک چیپ کامل ساخته می شوند. دوربین های CMOS از نقطه نظر دریافت و تبدیل تصویر کاملا شبیه مبدل های CCD هستند ولی پس از تبدیل کاملا متفاوت از آنها هستند، در چیپ های CMOS شارژ هر کدام از پیکسل های تصویر مستقیما به تقویت کننده هایی که از نوع ترانزیستور های CMOS هستند، داده می شود. در برخی از چیپ ها، تقویت کننده ها درست در زیر پیکسل ها قرار گرفته اند، به همین دلیل به آنها پیکسلهای فعال (active pixel) گفته می شود. یکی از مشکلات چیپهای CMOS هماهنگی و تنظیم اطلاعات خروجی از تقویت کننده ها است که باعث نویز پذیری و اختلال در تصویر می شود.

.

از آنجاییکه سطح سنسوری که نور و تصویر را دریافت می کند کوچکتر از دوربین های CCD است، حساسیت آنها کمتر از دوربین های CCD ولی حجم و قیمت آنها باعث کاربرد روز افزون آنها شده است.

اگر چه هنوز سنسور های CCD در صنعت فیلمبرداری و پردازش تصویر رایج بوده و حرف اول را می زنند ولی تکنولوژی CMOS به خاطر مزایایی که دارند می توانند به عنوان یک جایگزین خوب و برتر مطرح شوند از جمله مزایای CMOS موارد زیر را می توان عنوان کرد :

.

  • نسبت سیگنال به نویز در دوربین های CMOS به مراتب بالاتر و در نتیجه کیفیت تصویر بهتر است.
    سرعت پاسخ دهی پیکسل های CMOS به مراتب بالاتر از CCD است
    اجزا و قطعات دوربین CMOS ساده و کوچکتر از CCD در نتیجه ارزان تر از آنها نیز می باشد.
  • رقابت اصلی در دهه گذشته برای نو سازی سنسور های تصویر CMOS به عنوان یک رقیب تکنولوژی CCD به طور کلی بر اساس دلایل مختلفی بود :
  • لیتوگرافی و کنترل فرایند در تولید CMOS به مراحلی رسید که خیلی زود می توانست از نظر کیفی با CCDها رقابت کند.
    از جمع شدن و کنار هم قرار گرفتن در یک قطعه ی نازک سیلیکونی سنسور تصویر تولید می شود و قابلیت ساخت دوربین و سیستم را روی تراشه(chip ) دارد.
    کاهش مصرف توان
    کاهش سایز سیستم تصویری که منجر به کاهش توان و یکپارچگی می شود.

.

مقایسه دوربین های CCD  و CMOS :

.

اگر چه هنوز سنسور CCD در صنعت پردازش تصویر و ساخت دوربین های فیلم برداری بسیار رایج هستند، ولی تکنولوژی CMOS بخاطر مزایایی که دارد می تواند جایگزین مناسبی برای آن باشد.

یکی از مهمترین مزایای CMOS در مقابل CCD کاهش نویز در سیگنال خروجی از سنسور است . سرعت پاسخ دهی پیکسل های CMOS بسیار سریعتر از پیکسل های CCD است همچنین قطعات دوربین های CMOS ساده و کوچکتر از دوربین های CCD است در نتیجه هزینه کمتر برای آن پرداخت می شود.

همانند دوربین های CCD این دوربینها از سیلیکون ساخته شده اند و همانطور که از نام آن برمی آید از تکنولوژی (CMOS (Compelementary Metal Oxide Semiconductor استفاده شده اند. دوربین های CMOS از دیود های حساس به نور هستند که هر دیود مشخص کننده یک پیکسل تصویری است.

.

مسیر هموار برای CCD ها:

.

تکنولوژی CCD در جهت رشد فزاینده ای در طراحی وسایل و کالا ها و تکنولوژی تولید قرار داشته است.

سنسور تصویر CCD به طور مداوم در یک راندمان قابل قبولی در حال افزایش است و سایز پیکسل ها و جریان تاریک کاهش یافته و همچنین کاهش عملکرد ولتاژ (اتلاف توان) و جابجایی بهتر سیگنال ها.

و مدار مجتمع های آنها بیشتر فشرده می شود و استفاده از CCDها آسان تر می شود و سریعتر به فروش می رسد .

در حال حاضر با توان کمتر در جهت عملکرد بهتر و کاهش سایز دوربین تولید می شود امروزه CCDها یک نقش مهم و حساس در کاربرد های پر ظرفیت مثل تلفن های همراه ،دوربین های فیلم برداری و دوربین های دیجیتال دارند و همچنین کاربرد های با عملکرد بالا مثل عکس های حرفه ای ،صنعتی، علمی، پزشکی، نظامی و کاربرد های هوا فضایی دارند .

.

مسیر غیر مستقیم برای CMOS :

.

در مقایسه با CCDها پیشرفت اخیر تکنولوژی تصویری CMOS ،خیلی سریع تر بوده است. در عین حال متلاطم و نوسانی نیز بوده .به طور تقریبی حرکت به سمت عملکرد بهتر در حس گر های تصویر CMOS با توسعه ی ضریب اشباع شروع شد. تمایل برای کارایی و انعطاف پذیری در ساختمان پیکسلی که در پردازنده است با مقدار فضا در هر پیکسل که نور را دریافت می کند رقابت می کند چون تصویر CMOS عموماً به تعدادی ترانزیستور غیر حساس نوری در هر پیکسل احتیاج دارد. رسیدن به ضریب اشباع بیشتر و توانایی ساخت پیکسل های کوچک تر مرتبط حداقل 0.5 میکرومتر نسبت به دهه ی گذشته بهبود یافته است.

تصاویر CMOS به سمت تکنولوژی فرایند تولید 0.25 و 0.35 میکرومتر به 0.18 در بیشتر وسائل پیشرفته رفته است و با پیشرفت موارد متعدد حتی کوچکتر شده است. پیشرفت تکنولوژی لیتوگرافی برای بهبود ضریب اشباع و بهبود حساسیت نوری ، فرصت یکپارچه سازی دیجیتالی روی یک تراشه به وجود آورده زیرا ترانزیستور های کوچک تر هم اتلاف توان را کاهش می دهند و هم سایزی که مورد استفاده قرار نگرفته را کاهش می دهند که مورد نیاز برای کارکرد مدار مجتمع است.

اگرچه وابستگی تکنولوژی CMOS به لیتوگرافی پیشرفته هزینه بر است اما رفته رفته با توسعه ی لیتوگرافی در موارد متعدد هزینه ها افزایش یافته که به خاطر افزایش بهای عدسی در تکنولوژی ساخت هر المان بوده است..

اگر چه سایز ترانزیستور کوچکتر باعث تسهیل در در مجتمع سازی دیجیتالی شد ولی این فشرده سازی ، پیچیدگی طرح را نسبت به سود دهی طرح سریعتر افزایش می دهد .

اساساً فشرده سازی دیجیتالی روی چیپ با خود نویز به همراه دارد . با قطع و وصل ناپایدار در مسیر سیگنال های آنالوگ نویز به وجود می آید .

تاثیر نویز در مدار مجتمع دیجیتال در کیفیت تصویر اختلال ایجاد می کند. پیچیدگی طراحی ،مدت زمان چرخه طراحی و نویز اغلب به این معنی است که فشرده سازی دیجیتال اساسا قادر نیست که تمام مزایای سنسور تصویرCMOS را استفاده کند.

رقابت برای طراحی ضخامت سنسور تصویر زیرمیکرون در سنسور CMOS که در قسمت آنالوگ مدار مجتمع است مهم و غیر قابل اجتناب است. چون تکنولوژی تولید مدارهای میکرو الکترونیک متراکم تر شد، عملکرد مدار آنالوگ آسیب دید.

.

CCD در مقابل CMOS : حقایق و داستان ها :

.

در انتخاب یک تصویر پرداز در نظر گرفتن نه تنها تراشه بلکه سازنده ی آن و اینکه تقاضا ی شما چطور برآورده می شود مهم است.

تقاضاهای زیاد طرفداران تکنولوژی از نو باب شده ی CMOS با تقاضاهای متعدد مدافعان CCD برابری می کند. در این روند رقابت در تکنولوژی ( هم داشتن ویژگی های اصلی و هم کامل نبودن در بعضی موارد) کاربران نسبت به عملکرد نمایندگی ها مشکوک هستند.

پیشرفت رو به جلو و بیش از حد هر دو تکنولوژی منجر به در نظر گرفتن ترس، عدم اطمینان شده است.

.

اساس پردازنده :

.

برای آینده ی قابل پیش بینی ، یک قانون اساسی برای هر دو حسگر در تصویر وجود خواهد داشت. مهم ترین کاربران موفق تکنولوژی عکس برای آنهایی هستند که نه تنها اساس تکنولوژی بلکه قابلیت دوام، سازگاری و حمایت را در نظر می گیرند.

سر دو حس گر تصویر از اسید آهن نیمه رسانایی ساخته شده اند. آنها سیگنال های عهده دار در هر پیکسل را متناسب با شدت روشن سازی مرکزی جمع می کنند.

وقتی پرتو دهی انجام می شود، یک CCD بسته بار الکتریکی را به طور پیوسته به ساختمان خروجی ارسال می کند که بار الکتریکی را به ولتاژ تبدیل و ذخیره می کند و به تراشه خروجی ارسال می کند.

در یک پردازنده ی CMOS بار الکتریکی به ولتاژ تبدیل می شود که این امر در همان پیکسل اتفاق می افتد. این تفاوت در تکنیک های بازخوانی دلایل مهمی برای ساختار و قابلیت و محدودیت حس گر دارد.

.

عملکرد مشخصه های حسگر تصویر:

.

قابلیت واکنش:

.

مقدار سیگنال حس گر که به هر واحد انرژی نوری ورودی تحویل داده می شود.

به طور کلی تصاویر CMOS تا حدودی نسبت به CCD سطح بالا تری دارد. زیرا المان های تقویت کننده در حس گر CMOS آسان تر قرار می گیرند. ترانزیستور های مکمل در CMOS تقویت کننده هایی با توان کمتر و بهره بالاتر هستند در حالی که تقویت کننده CCD توان بیشتری مصرف می کند که این یک اشکال محسوب می شود.

.

یکنواختی، یکسانی:

.

سازگاری واکنش برای پیکسل های مختلف تحت شرایط روشنایی مساوی (عکس العمل پیکسل های مختلف تحت شرایط روشنایی مساوی در شرایط ایده آل یکسان است.) اما پردازش فضایی قطعه نازک سیلیکون که بر روی آن مدار مجتمع جهت ایجاد یک تراشه قرار دارد متفاوت است. معایب ریز اختلافات تقویت کننده ها باعث ایجاد یک غیر یکنواختی می شود و این برای ایجاد یک مزیت بین یکنواختی در روشنایی و مکان نسبتا تاریک مهم است. به طور کلی پردازنده های CMOSدر هر دو شرایط بدتر هستند هر پیکسل یک تقویت کننده ی خروجی مدار باز دارد.

ورودی و خروجی هر تقویت کننده به طور قابل ملاحظه ای متفاوت است و علت آن تفاوت در پردازش فضایی قطعه نازک سیلیکون، که هم محیط تاریک و هم روشن را غیر یکنواخت می سازند بدتر از آنچه که در CCDها است.

بعضی از مردم پیش بینی می کنند که این امر باعث مغلوب ساختن پردازنده های CMOS می شود چون شکل هندسی آن وسیله کوچک می شود و واریانس آن افزایش می یابد. اگر چه ساختار تقویت کننده ی فیدبک می تواند خروجی بیشتری را در شرایط روشنایی یکسان تولید کند.

.

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. و همچنین برای تولید انبوه دارای تکنولوژی مناسب تری هستند و در جاهاییکه کیفیت تصویر اهمیت چندانی ندارد کاربرد فراوان دارند از قبیل : دوربین های مدار بسته ، دور بین های ویدیو کنفرانس، اسکنرهای بارکد ، ماشین های فکس و…،در مقابل CCDها کیفیت تصویر بالاتری ارائه می دهند و برای کاربردهایی که احتیاج به کیفیت بالایی 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.

.

حسگرهای تصویر  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 شیمیایی عکس ظاهر می گردد ، در حالیکه در دوربین های دیجیتال نه تنها از فیلم خبری نیست بلکه احتیاجی نیز به عملیات شیمیایی 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 گردد و 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 روند . خروجی این فیلترها بصورت آنالوگ می باشند 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. CCD مخفف عبارت Charge Coupled Device است.

CCD یک شیفت رجیستر آنالوگ است که امکان جابجایی سیگنالهای آنالوگ (بارهای الکتریکی) را در میان طبقات متوالی با کنترل سیگنال کلاک فراهم می کند.

در سال 1970 میلادی هنگامیکه نخستین کامپیوتر های شخصی متولد شدند، عنصری نیمه هادی با نام CCD به عنوان حافظه دیجیتالی و ذخیره کنندۀ اطلاعات مطرح گردید. CCD در مقابل نور حساس بوده و بیشتر از اینکه عنصری ذخیره کننده برای اطلاعات باشد می تواند عاملی برای تبدیل نور و تصویر به جریان الکتریکی باشد. پایه و اساس CCD ذخیره اطلاعات به صورت بار الکتریکی و هدایت آنها به حلقه خروجی در زمانهای دلخواه است.

CCD یک مدار مجتمع شامل آرایه سنسورهاست که نور را دریافت و به سیگنال الکتریکی تبدیل می کنند و بر اساس شدت نور تابیده شده سیگنال های الکتریکی متفاوتی بدست می آید. این سیگنال ها به مبدل آنالوگ به دیجیتال داده می شوند تا پس از تبدیل به بیتهای صفر و یک کد بندی و ذخیره شوند.

اما همه دوربین ها از چیپ CCD بعلت گران بودن و مشکل بودن ساخت آن استفاده نمی کنند، بلکه بعضی از سنسور دیگری بنام Compelementary Metal Oxide Semiconductor) 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 و راحت تر ساخته می شوند و از نظر مصرف انرژی نیز بسیار مقرون به صرفه می باشند و در مجموع CMOS ها نسبت به همتایان CCD خود بسیار سبکترند.

البته این خصوصیات خوب مشکلات خاص خود را نیز دارد، جاییکه این حسگرها دارای حساسیت کمتری بوده و در نتیجه کیفیت تصویری پائین تری دارند.

اگر به ساختار شماتیک سنسورهای CCD و CMOS نگاه کنیم، در نگاه اول متوجه اختلاف میان این دو خواهیم شد ، آنچه مسلم است هر دوی این سنسورها نیمه هادی هائی با قابلیت ذخیره نور در قالب 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 متناوباً 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 سنسور های CCD و CMOS را بر می شماریم:

مقاله دوربین های مدار بسته نوع CCD

مقاله دوربین های مدار بسته نوع CCD

.

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 ساختمان CMOS ها قرار می گیرند، 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 در کلیه نقاط :

بصورت ایده آل کلیه نقاط می بایست 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 می کنند، 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 تقریباً 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 می گردد).

3- سرعت : جائیکه بطور قابل ملاحظه ای CMOS ها از CCD ها پیشی می گیرند. 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 می گردند، این فاکتور بطور اخص مورد اهمیت قرار نگرفته است.

.

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 و همچنین برای تولید انبوه دارای تکنولوژی مناسب تری هستند و در جاهایی که کیفیت تصویر اهمیت چندانی ندارد کاربرد فراوان دارند، از قبیل : دوربین های مدار بسته ، دور بین های ویدئو کنفرانس، اسکنرهای بارکد ، ماشین های فکس 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 دو نوع سنسور دارای کاربرد متفاوتی می باشند و با توجه به اینکه قیمت های هر دو نوع سنسور در دوربین های تجاری چندان تفاوتی نمی کند می بایست انتخابی متناسب با کاربرد نمود .

.

حساسیت :

.

حساسیت اشاره دارد به دریافت جزئیات مطلوب از روشنایی صحنه معین، همچنین معروف به film speed است.

تطبیق حساسیت حسگر با روشنایی صحنه یکی از اساسی ترین جنبه های عکاسی است. سنسور تصویر سیلیکون، اطلاعات تصویر را دریافت می کند و بر اساس آن قادر است نور را به انرژی الکتریکی تبدیل کند که به این عمل ناشی از برخورد، فوتو الکتریک می گویند. فوتونها سطوح انرژی را در شبکه سیلیکونی تقویت و در اثر برخورد الکترونها ، بار الکتریکی به شکل جفت های حفره و الکترون در می آیند.

حساسیت حسگر تصویر به سایز ناحیه حساس به نور بستگی دارد (پیکسل بزرگتر فوتون های بیشتری را جذب می کند) و راندمان تبدیل فوتون به الکتریسیته (که به quantum efficiencyیا QE معروف است) نامیده می شود. QE نتیجه طراحی پیکسلبا طول موج های نوری است. روی پیکسل ساختارهای غیر حساس نوری هستند، که نور را جذب می کنند (تلفات جذب). همچنین سیلیکون به طور طبیعی طول موجهای خاصی را منعکس می کند (تلفات انعکاس). و ممکن است طول موج های خیلی کوتاه و خیلی بلند به طور کامل از میان لایه پیکسل های حساس به نور بدون تولید الکترونی عبور کند (تلفات انتقال).

حساسیت بیشتر از این مقدار بار الکتریکی تولید شده، نیاز به الکترون های تولید کننده فوتون دارد. برای به کار بردن حساسیت سنسور ها باید قادر باشیم سیگنال تولیدی را اندازه گیری و مدیریت کنیم، به طوری که اتلاف نداشته باشیم و آن ها با نویز محو نشوند.

.

اساس حسگر حالت جامد

.

عملکرد کلیه حسگر های تصویر بر اساس بهره برداری از اثر فوتوالکتریک است که نور را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند و تمام حسگر های CCD و CMOSباید همان وظایف اساسی را انجام دهند:

.

  • تولید و جمع آوری بار الکتریکی
  • اندازه گیری آن و تغییر به ولتاژ یا جریان
  • خروج سیگنال

.

وجود تفاوت در مکانیزم ها و استراتژی ها انجام آن اعمال را توسعه بخشید.

.

تولید و جمع آوری بار الکتریکی

.

اگر چه تفاوتهای مهمی بین CCDو CMOS وجود دارد و تفاوت های زیادی بین طراحی انواع وسیعی از آن ها است، حسگرهای CCDو CMOS از نظر عناصر اساسی با هم مشترک هستند.

تولید و جمع آوری بار الکتریکی اولین وظیفه ی پیکسل های سیلیکونی است. گیت های نوری و دیودهای نوری عمده ای از طراحی پیکسل ها را تشکیل می دهند که هر کدام از اینها می توانند به عنوان حسگر تصویر در CCD و CMOS به کار روند. دیود های نوری دارای یون هایی هستند که در سیلیکون جاسازی شده اند تا پیوندهای متالوژیکی (p-n) را به وجود بیاورند و می توانند در اطراف پیوند و در ناحیه تخلیه، جفت حفره های الکترونی تولید شده نوری را ذخیره کنند.

گیت های نوری از ظرفیت های MOS برای تولید ولتاژ استفاده می کنند . چاه های پتانسیل القا شده برای ذخیره الکترونهای تولید شده ی نوری به کار می رود. هر نگرشی نقاط ضعف و قوت ویژه ای را دارا می باشد.

نقاط قوت اثر دیود های نوری fill factor بالای آنهاست. در دیود های نوری ccd بیشتر از٪ 100پیکسل میتواند حساس به نور باشد. fill factor بالا اهمیت دارد زیرا پیکسل را مجاز می کند که از نور های تابشی استفاده بیشتری کند.

پیکسل های CMOS چه دیود نوری یا گیت نوری به تعداد زیادی ترانزیستور غیر شفاف بالای هر پیکسل احتیاج دارند ( برای نمونه 3 ، 4 و 5 ) که به کاهش fill factor کمک می کند و هر طراحی راهی برای سلب کردن این ضعف است : گیت های نوری می توانند از یک لایه خیلی نازک شفاف از گیت های چند لایه برای کمک به حساسیت استفاده کنند، حال آنکه دیودهای نوری (هم ccd و هم cmos)از میکرو لنز برای تقویت موثر fill factor استفاده می کنند.

.

اندازه گیری سیگنال

.

برای اندازه گیری بار الکتریکی جمع شده از خازنی برای تبدیل بار الکتریکی به ولتاژ استفاده می شود. CCD این عمل را در گره خروجی تحقق می بخشد و همچنین ولتاژ را تقویت و آن را به گره خروجی ارسال می کند. برای دریافت تمام بسته های بار الکتریکی در گره خروجی،

CCD بسته های بار الکتریکی را مانند سطل هایی پی در پی در امتداد دستگاه به صورت پلی از سطلها حرکت می دهد. این بزرگترین تفاوت میان حسگرهای CCD و CMOS است. CCDها بار الکتریکی را پیکسل به پیکسل به گره خروجی حرکت می دهند در حالی که حسگر های CMOS در درون پیکسل بار الکتریکی را به ولتاژ تبدیل می کنند و سیگنال ولتاژ خروجی بوسیله تقاطع سطر و ستون تعیین می شوند.

CCD های ILT

.

این CCDها از پیکسل ها با دیود نوری استفاده می کنند. حساسیت آن مخصوصا برای طول موج های آبی خوب است، اما علت پایین بودن fill factor، کانال های انتقال عمودی محافظت شده در برابر نور است که بار الکتریکی جمع شده پیکسل ها را به سمت گره خروجی می برند. از مزایای کانال های عمودی محافظت شده سرعت و دیافراگم الکترونیکی موثر برای برای کم کردن کدری است. برای جبران fill factor کم (معمولاً ٪50-30)، بیشتر حسگرهای ILT از میکرولنز استفاده می کنند. لنز های منحصر به فردی را بر روی سطح هر پیکسل قرار می دهند تا اینکه نور را بر روی فضای حساس به نور متمرکز کنند. میکرو لنز fill factor موثر را تقریبا تا ٪70 تقویت می کند که این بهبودی حساسیت (نه ظرفیت بار الکتریکی) قابل توجه است.

از معایب میکرو لنزها علاوه بر پیچیدگی و قیمت اضافی این است که آنها باعث می شوند که واکنش پیکسل به طور فزاینده ای به روزنه لنز و زاویه برخورد فوتون بستگی داشته باشد.

.

پیچیدگی رنگ

یکی از عوامل پیچیدگی رنگ، این حقیقت است که حسگر های الکتریکی تک رنگ هستند. سیلیکون نمی تواند بین نور قرمز و آبی تمایز قائل شود و الکترون های تولید شده برای تمام طول موجهای نور شبیه به هم هستند. برای گرفتن رنگ، حسگرهای سیلیکونی باید به طور پی در پی از فنونی مانند ذخیره عکسها با سه تفاوت را بکار گیرند (که برای شیء متحرک غیر عملی است) از این رو از فیلتر رنگی آرایه ای (color filter array) بر روی سنسور سیگنال یا تجزیه نور تابشی با استفاده از منشور استفاده میشود.

فیلتر موزاییکی (CFA) مانند الگوی Bayer استفاده از حسگر سیگنال را مهیا می سازد هر پیکسل با فیلتر منحصر به فردی پوشیده شده است یا بین پوشش شیشه ای بر روی بسته چیپ قرار دارد ( فیلتر هایبرید ) یا مستقیماً بر روی سیلیکون قرار دارد (فیلتر یکپارچه). هر پیکسل یک رنگ را دریافت می کند که معمولاً قرمز، سبز یا آبی است. ( از ترکیب سه رنگ قرمز سبز و آبی رنگهای مختلفی به وجود می آید)

دوربین ccd

دوربین ccd

فیلتر های موزاییکی حدوداً 30% کیفیت تصویر را کاهش می دهند و نیاز به محاسبات مکانی برای ساخت مجدد مقدار رنگ هر پیکسل دارد بهترین فیلترهای موزاییکی، پهنای باند بسیار خوبی فراهم می کنند و جداسازی رنگها را با بیشترین درجه دقت انجام می دهند و رنگی ثابت در تمام زمانها و حداقل تداخل را ایجاد می کنند. البته استفاده از حسگر نامرغوب، فیلتر های نامرغوب، و الگوریتم های پردازشی نامرغوب تصاویر نامرغوب را می دهد.

سیستمهای دارای منشور چند تراشه ای، تصاویر را با رنگهای مجزا به طور مستقیم تولید می کنند. تراز کردن و ثابت کردن حسگرها با منشور به دقت بالا احتیاج دارد. تغییر یا تنظیم نادرست منشور می تواند منجر به حاشیه دار کردن رنگ و خطای رنگی شود. به طور فرض برای پیکسل های هم سایز، در شرایط کم نور، منشور باید دارای حساسیت بیشتری باشد، از این رو فیلتر باید نور کمتری را از دست بدهد که این مزیت در عمل همیشه فراهم نیست.

.

.

گرداوری توسط اسکای داک

.



افزودن نظر:



فروشگاه دی وی دی اسکای داک
مهندس +1 یادت نره !
 دانلود پروژه و پایان نامه