יום שלישי, 22 בינואר 2013

טכנולוגיית חיישני CMOS ו- CCD

חיישן תמונה - הקדמה

כאשר מצלמים במצלמה, אור עובר דרך העדשה ומוסת על חיישן תמונה. חיישן התמונה מורכב מרכיבי תמונה, הנקראים פיקסלים, ה"רושמים" את כמות האור שפוגע בהם. הם ממירים את כמות האור למספר מתאים של אלקטרונים. ככל שהאור חזק יותר, יותר אלקטרונים יווצרו. האלקטרונים מומרים למתח חשמלי, ולאחר מכן מקודדים למספרים (ביטים) באמצעות ממיר (Analog to Digital ( A / D. האות המיוצג על ידי מספרים שמעובדים על ידי מעגלים אלקטרוניים בתוך המצלמה.

כיום, ישנן שתי טכנולוגיות עיקריות המשמשות לחיישן התמונה במצלמה:
 CCD -  Charge-coupled Device
 CMOS - Complementary Metal-oxide Semiconductor
איור 1 - חיישן CMOS (ימין) וחיישן CCD (שמאל)
סינון צבע

צבעים: ציאן, מגנטה, צהוב, אדום, כחול, ירוק, שחור
חיישני תמונה רושמים את כמות האור הפוגעת בהם מבהיר לכהה ללא צבעים. מאחר וחיישני ה-CMOS
ו- CCD הם "עיוורי צבעים", מסנן בחזית החיישן מאפשר לחיישן להקצות גווני צבע לכל פיקסל.
 קיימות שתי שיטות נפוצות לרישום הצבע RGB (אדום, ירוק וכחול) ו- CMYG (ציאן, מגנטה, צהוב, וירוק).
 אדום, ירוק והכחול הם צבעי היסוד שבשילובים שונים יכולים לייצר את רוב הצבעים הנראים לעין האנושית.

במערך Bayer, יש לסירוגין שורות של מסננים אדומים ירוקים, וכחולים ירוקים, נפוץ יותר במסנן צבע
RGB. ראה איור 2 (משמאל). מכיוון שהעין האנושית רגישה יותר לצבע ירוק מאשר לשני הצבעים האחרים, במערך Bayer יש פי שניים מסנני צבע ירוקים. זה גם אומר שעם במערך Bayer, העין האנושית יכולה לזהות יותר פרטים מאשר אם שלושת הצבעים היו בשימוש שווה במסנן.

איור 2 - מסנן צבע מערך Bayer  (משמאל) ומסנן צבע מערך CMYG (מימין)


דרך נוספת לסינון או רישום צבע היא להשתמש בצבעים המשלימים, ציאן, מגנטה, וצהוב. מסנני צבע  משולבים לעתים קרובות עם מסננים ירוקים כדי ליצור מערך צבע CMYG.
ראה תרשים 2 (מימין).מערכת CMYG כלל מציעה אותות פיקסל חזקים יותר כתוצאת מהספקטרום הרחב שלה. עם זאת, האותות חייבים להיות מומרים ל RGB (אדום ירוק כחול) מאחר וזה נמצא בשימוש בתמונה הסופית, והמרה נוספת גוררת עיבוד ורעש נוספים. התוצאה היא שהרווח הראשוני באות לרעש מופחת,  ומערך CMYG לעתים קרובות אינו טובה בהצגת צבעים באופן מדויק.
מערך הצבע CMYG משמש לעתים קרובות בחיישני CCD interlaced תמונה, ואילו מערכת RGB משמש בעיקר לחיישני תמונת סריקה מתקדמות.

טכנולוגיית CCD

בחיישן CCD, האור (מטען) שפוגע בפיקסלים של החיישן מועבר מהשבב דרך צומת פלט אחת או יותר. נמטענים מומרים לרמות מתח, נאגרים ברגיסטרים, ונשלחים כאותות אנלוגיים. אז אותות אלו מוגברים ומומרים למספרים (ביטים) באמצעות A/D (ממיר אנלוג לדיגיטל) ממיר מחוץ לחיישן, ראה איור 3. טכנולוגיית CCD פותחה במיוחד לשימוש במצלמות, וחיישני CCD שמשו במשך יותר מ 30 שנים (נכון ל- 2011). באופן מסורתי, לחיישני CCD יש כמה יתרונות בהשוואה לחיישני CMOS, כגון רגישות לאור טובה יותר ופחות רעש. בשנים האחרונות, עם זאת, הבדלים אלה נעלמו.

איור 3 - עבודת חיישן CCD
איור 3 - עבודת חיישן CCD
חסרונות חיישני CCD

חיישני CCD הם רכיבים אנלוגיים שדורשים יותר מעגלים אלקטרוניים מחוץ לחיישן, הם יקרים יותר לייצור, ויכולים לצרוך עד 100 פעמים יותר הספק מחיישני CMOS.צריכת החשמל המוגברת יכולה להוביל לתופעת  חום במצלמה,שמשפיעה לרעה על איכות תמונה, וגם מגדילה את העלות וההשפעה סביבתית של המוצר.

חיישני CCD דורשים גם קצב נתונים גבוה יותר, משום שכל הנתונים עוברים רק אחד מגבר פלט אחד,
או כמה מגברי פלט.
השווה בין האיור 4 מראה חיישן CCD על PCB (מעגל מודפס - Printed Circuit Board) עם איור 5 המראה חיישןCMOS על PCB.
חיישן CCD על מעגל מודפס (PCB)
חיישן CCD על מעגל מודפס (PCB)
טכנולוגיית CMOS 

בתחילה חיישני CMOS רגילים שמשו למטרות הדמיה, איכות התמונה הייתה ירודה עקב הרגישות לאור הנחותה שלהם. חיישני CMOS מודרניים משתמשים בטכנולוגיה מקצועית יותר ואיכות ורגישות לאור של החיישנים גדלה במהירות בשנים האחרונות. 
לחיישני CMOS מספר יתרונות. בניגוד לחיישן CCD, חיישני CMOS משולבים מגברים וממירי A/D שמפחית את עלות המצלמה שכן החיישן מכיל את כל הלוגיקה הנדרשת ליצירת התמונה.

 
כל פיקסל CMOS מכיל אלקטרוניקת המרה. לעומת חיישני CCD, לחיישני CMOS יש אפשרויות טובות יותר לאינטגרציה ועוד פונקציות. עם זאת, תוספת זו של מעגלים בתוך השבב עלולה להוביל לסיכון של רעש מובנה יותר. לחיישני CMOS יש גם צריכת חשמל נמוכה, הם מהירים יותר, חסינות לרעש גבוהה יותר, ומימדים קטנים יותר.


אחור 5 - חיישן CMOS

איור 6 - חיישן CMOS במעגל מודפס
כיול חיישן CMOS בייצור, במידת הצורך, יכול להיות קשה יותר מכיול חיישן CCD. אולם התפתחות טכנולוגיה הפכה חיישני CMOS קלים יותר לכיול, וחלקם בימינו אף בכיול עצמי.

 אפשר לדגום פיקסלים בודדים ("חלון פיקסלים") מחיישן CMOS.
חלקים מאזור החיישן ניתן לדגימה, במקום חיישן האזור כולו בבת אחת. בדרך זו קצב דגימת הפריימים גבוה יותר ומועבר מחלק מצומצם של החיישן, וךזה מספר שימושים.







הבדלים עיקריים

חיישן CMOS משלב מגבר, וממיר A / D ולעתים קרובות מעגלים לעיבוד נוסף, ואילו במצלמה עם חיישן CCD, פונקציות רבות עיבוד אותות מבוצעות מחוץ לחיישן. לחיישני CMOS צריכת חשמל נמוכה יותר מאשר תמונת חיישני CCD, מה שאומר שהטמפרטורה בתוך המצלמה יכולה להישמר נמוכה. בעיות חום בחיישני CCD יכולות להגדיל את ההפרעה, אבל מצד השני, חיישני CMOS יכולים לסבול יותר מרעש מובנה.

חיישן CMOS מאפשר 'חלון פיקסלים' והזרמת ביטים (תמונת החלון) מהירה, שלא ניתן לבצע עם חיישן CD. בחיישן CCD בדרך כלל יש ממיר מתח (A/D) אחד לכל חיישן, ואילו חיישן CMOS יש אחד לכל פיקסל. דגימת התמונה בחיישן CMOS מהירה יותר והופכת אותו קל יותר לשימוש במגה פיקסלים רבים במצלמה.
התקדמות הטכנולוגיה האחרונה הקטינה משמעותית את ההבדל ברגישות לאור בין חיישן CCD וחיישן CMOS עבור מחיר נתון.

אין תגובות:

הוסף רשומת תגובה