광전력 변환에서 이미지 생성: 이미징 원칙의 본질적 차이
산업 자동화, 기계 비전 및 과학 연구의 많은 응용 시나리오에서 산업 카메라는 이미지 정보를 획득하는 핵심 장비로전체 시스템의 정확성과 신뢰성에 직접적으로 영향을 미칩니다.산업용 카메라의 성능을 결정하는 핵심 부품은 이미지 센서입니다.그 중 CCD (충전 결합 장치) 와 CMOS (보완 금속 산화 반도체) 는 두 가지 주요 기술 경로입니다.비록 둘 다 광전 변환의 같은 원리에 기반하고 있지만 광자를 전자로 변환하기 위해 반도체 물질의 광전 효과를 이용합니다.신호 처리 및 전송 방법에는 근본적인 차이가 있습니다..
CCD 센서의 설계 개념은 광전기 신호를 중앙에서 처리하는 것입니다. 빛이 픽셀 배열에 비춰지면 각 픽셀은 빛 강도에 비례한 전하 패킷을 생성합니다.이 전하 패킷은 복잡한 전송 과정을 필요로 합니다., 칩의 가장자리에 있는 단일 출력 노드 (또는 아주 적은 수의 출력 노드) 로 픽셀 전하가 줄에 줄로 옮겨집니다.전압으로 전하 변환 및 신호 증폭이 수행되는 경우이 설계는 모든 픽셀 신호가 동일한 신호 경로를 통과하도록 보장하며, 높은 수준의 신호 출력 일관성을 보장합니다.
반면 CMOS 센서는 분산 처리라는 혁신적인 구조를 채택합니다. CMOS 칩에서 각 픽셀은 광 다이오드뿐만 아니라하지만 독립적인 소형 증폭기와 아날로그-디지털 변환 회로를 통합합니다.이 설계는 각 픽셀이 현장에서 전하를 전압 신호로 변환하고 교차 줄과 기둥 케이블 네트워크를 통해 직접 읽도록합니다.이 구조가 읽기 속도를 크게 향상시키고 전력 소모를 줄이기는 하지만, 수백만 개의 미니어처 증폭기 간의 성능 차이는 필연적으로 신호 일관성 문제를 야기합니다.
신호 전송의 이 근본적인 차이점은 산업용 카메라 애플리케이션에서 두 기술 사이의 일련의 성능 차이로 이어졌습니다. 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.
소음, 전력 소비, 해상도, 민감성, 비용 등 5가지 핵심 성능 요인의 비교
2.1 노이즈 성능과 이미지 품질
CCD 센서는 중앙 집중식 신호 처리로 인해 노이즈 제어의 장점을 가지고 있습니다. 모든 픽셀이 동일한 (또는 매우 적은) 출력 증폭기를 공유하기 때문에픽셀 사이의 증폭 차이가 피됩니다이 설계는 성숙한 PN 접합 또는 실리콘 이산화소 격리 계층 기술과 결합하여 고정 패턴 소음 발생을 효과적으로 감소시킵니다.따라서 더 순수하고 일관성있는 이미지 품질 출력을 제공합니다.특히 오랜 노출 또는 낮은 빛 조건 하에서, CCD 센서는 여전히 낮은 노이즈 수준을 유지할 수 있으며, 정밀 측정 및 낮은 빛 이미징 응용 프로그램에서 매우 선호됩니다.
대조적으로, CMOS 센서의 각 픽셀은 독립적인 신호 증폭기로 장착되어 있습니다.수백만의 증폭기 사이의 작은 성능 차이로 인해 고정 패턴 소음이 발생합니다.이 잡음은 특히 균일하게 조명된 장면에서 이미지에 고정된 패턴 간섭으로 나타납니다. 그러나 CMOS 기술의 발전으로,현대 산업용 CMOS 카메라는 상관형 이중 샘플링 (CDS) 과 디지털 수정 알고리즘을 통해 이 문제를 크게 개선했습니다., 일부 고급 제품은 CCD의 이미지 품질 수준에 접근하거나 도달했습니다.
2.2 에너지 효율과 전력 소비의 차이
전력 소비 측면에서 CMOS는 중요한 장점을 나타냅니다. CMOS는 활성 이미지 획득 방법을 채택합니다.광감각 다이오드에서 생성된 전하가 직접 증폭되고 인접 트랜지스터로 출력되는 경우전체 센서는 단 하나의 전원 공급 장치만 필요하며 일반적인 전력 소비량은 유사한 CCD의 1/8에서 1/10에 불과합니다.이 특징은 CMOS를 휴대용 장치와 같은 에너지 민감한 응용 프로그램에서 선호되는 선택으로 만듭니다., 임베디드 시스템, 멀티 카메라 배열.
CCD의 높은 전력 소비는 수동 충전 전송 메커니즘으로 인해 발생합니다.그것은 다른 전압 (일반적으로 12-18V) 과 전하의 전환 전송을 운전하기 위해 복잡한 시계 제어 회로와 세 개의 전력 공급 장치 세트를 필요로이것은 전원 공급 장치 설계의 복잡성을 증가시킬뿐만 아니라 열 분산 문제를 야기합니다.CCD의 온도 상승은 열 소음을 더 증가시킬 것입니다.따라서 CCD 카메라를 사용하는 산업 시스템은 종종 추가 열 분산 장치가 필요합니다.
2.3 해상도 및 픽셀 디자인
동일한 크기의 센서를 비교할 때 CCD는 일반적으로 더 높은 해상도를 제공합니다. 이것은 CCD의 픽셀 구조가 상대적으로 간단하기 때문입니다.거의 전체 픽셀 영역은 광감각을 위해 사용할 수 있습니다CMOS의 각 픽셀에는 추가 트랜지스터와 회로 구성 요소가 통합되어야 합니다.이 "빛에 민감하지 않은 영역"에서 효과적인 광감각 영역을 감소시키는예를 들어, 1/1.8 인치 사양의 센서에서 CCD는 1628 × 1236 (4,40 μm 픽셀) 의 해상도를 달성 할 수 있으며, CMOS는 일반적으로 1280 × 1024 (5,2 μm 픽셀) 의 해상도를 가지고 있습니다.
그러나 CMOS 기술은 뒷등화 (BSI) 및 쌓인 디자인을 통해 점차적으로 이 격차를 좁혀가고 있습니다.뒷면으로 조명된 CMOS는 후면으로부터 광감각 영역에 빛을 지시하기 위해 플립 칩을 사용합니다, 전면에 있는 회로 층을 우회하고 충전 인수를 크게 향상시킵니다.쌓인 CMOS는 결합하기 전에 처리 회로 층에서 광감각층을 분리하고 제조합니다.이러한 혁신은 현대적인 고급 CMOS 산업 카메라가 2천만 화소 이상의 해상도를 제공할 수 있도록 합니다.산업 검사 필요의 대다수를 충족.
2.4 빛에 대한 민감성 및 낮은 빛 성능
감수성 측면에서 CCD 센서는 전통적인 장점을 유지합니다. 픽셀 내부의 더 큰 효과적인 광감각 영역으로 인해 CCD는 저조한 환경에서도 더 많은 광자를 캡처 할 수 있습니다.신호와 소음 비율을 향상시키는 성능테스트 데이터에 따르면 인간의 눈은 1Lux의 조명 아래에서 물체를 인식 할 수 있으며 CCD의 민감도 범위는 0.1-3Lux입니다.전통적인 CMOS는 효율적으로 작동하기 위해 6-15Lux의 조명을 필요로합니다. 이것은 10Lux 이하의 저조한 환경에서는, 전통적인 CMOS는 사용 가능한 이미지를 거의 캡처 할 수 없습니다.
이 차이는 특히 산업용 내시경, 야간 시력 모니터링 및 천문학적 관측과 같은 특수 응용 분야에서 중요합니다.현대 CMOS는 큰 픽셀 디자인 (예를 들어 3μm 이상의 픽셀 크기) 및 고급 마이크로 렌즈 배열 기술을 통해 낮은 빛의 성능을 크게 향상 시켰습니다.일부 고급 CMOS 센서는 심지어 백 일루미네이션 기술을 통해 CCD를 넘어 양자 효율 (QE) 을 달성하여 특정 파장에서 95% 이상의 광자 변환 효율을 달성했습니다.
2.5 제조비용 및 경제적 고려사항
비용 구조의 측면에서 CMOS는 압도적인 이점을 가지고 있습니다.CMOS 센서는 표준 반도체 통합 회로와 동일한 제조 공정을 사용하며 컴퓨터 칩과 저장 장치를 생산하는 웨이퍼 공장에서 대량 생산 될 수 있습니다.이 프로세스 호환성은 유닛 비용을 크게 줄입니다. 동시에 CMOS의 높은 통합은 카메라 제조업체가 "칩 레벨 카메라"를 개발 할 수 있습니다.가공자, 하나의 칩에 인터페이스 회로, 추가로 조립 과정과 주변 회로 요구 사항을 단순화합니다.
반면 CCD의 제조 과정은 독특하고 복잡하며, 생산 능력이 있는 것은 Sony와 DALSA, Panasonic 및 몇몇 다른 제조업체들뿐입니다.전하 전달 메커니즘은 제조 결함에 매우 민감합니다.: 단일 픽셀 장애가 전체 데이터 행을 전송할 수 없도록 만들 수 있으며, 그 결과 출력률이 크게 감소할 수 있습니다.CCD 카메라는 추가 지원 회로 (시간 조절기 포함) 를 필요로 합니다., 아날로그-디지털 변환기 및 신호 프로세서) 를 사용하며, 최종 제품의 가격을 높여서 CCD 산업 카메라의 비용은 일반적으로 1달러입니다.같은 사양의 CMOS 카메라의 5 ~ 3 배.
광전력 변환에서 이미지 생성: 이미징 원칙의 본질적 차이
산업 자동화, 기계 비전 및 과학 연구의 많은 응용 시나리오에서 산업 카메라는 이미지 정보를 획득하는 핵심 장비로전체 시스템의 정확성과 신뢰성에 직접적으로 영향을 미칩니다.산업용 카메라의 성능을 결정하는 핵심 부품은 이미지 센서입니다.그 중 CCD (충전 결합 장치) 와 CMOS (보완 금속 산화 반도체) 는 두 가지 주요 기술 경로입니다.비록 둘 다 광전 변환의 같은 원리에 기반하고 있지만 광자를 전자로 변환하기 위해 반도체 물질의 광전 효과를 이용합니다.신호 처리 및 전송 방법에는 근본적인 차이가 있습니다..
CCD 센서의 설계 개념은 광전기 신호를 중앙에서 처리하는 것입니다. 빛이 픽셀 배열에 비춰지면 각 픽셀은 빛 강도에 비례한 전하 패킷을 생성합니다.이 전하 패킷은 복잡한 전송 과정을 필요로 합니다., 칩의 가장자리에 있는 단일 출력 노드 (또는 아주 적은 수의 출력 노드) 로 픽셀 전하가 줄에 줄로 옮겨집니다.전압으로 전하 변환 및 신호 증폭이 수행되는 경우이 설계는 모든 픽셀 신호가 동일한 신호 경로를 통과하도록 보장하며, 높은 수준의 신호 출력 일관성을 보장합니다.
반면 CMOS 센서는 분산 처리라는 혁신적인 구조를 채택합니다. CMOS 칩에서 각 픽셀은 광 다이오드뿐만 아니라하지만 독립적인 소형 증폭기와 아날로그-디지털 변환 회로를 통합합니다.이 설계는 각 픽셀이 현장에서 전하를 전압 신호로 변환하고 교차 줄과 기둥 케이블 네트워크를 통해 직접 읽도록합니다.이 구조가 읽기 속도를 크게 향상시키고 전력 소모를 줄이기는 하지만, 수백만 개의 미니어처 증폭기 간의 성능 차이는 필연적으로 신호 일관성 문제를 야기합니다.
신호 전송의 이 근본적인 차이점은 산업용 카메라 애플리케이션에서 두 기술 사이의 일련의 성능 차이로 이어졌습니다. 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.
소음, 전력 소비, 해상도, 민감성, 비용 등 5가지 핵심 성능 요인의 비교
2.1 노이즈 성능과 이미지 품질
CCD 센서는 중앙 집중식 신호 처리로 인해 노이즈 제어의 장점을 가지고 있습니다. 모든 픽셀이 동일한 (또는 매우 적은) 출력 증폭기를 공유하기 때문에픽셀 사이의 증폭 차이가 피됩니다이 설계는 성숙한 PN 접합 또는 실리콘 이산화소 격리 계층 기술과 결합하여 고정 패턴 소음 발생을 효과적으로 감소시킵니다.따라서 더 순수하고 일관성있는 이미지 품질 출력을 제공합니다.특히 오랜 노출 또는 낮은 빛 조건 하에서, CCD 센서는 여전히 낮은 노이즈 수준을 유지할 수 있으며, 정밀 측정 및 낮은 빛 이미징 응용 프로그램에서 매우 선호됩니다.
대조적으로, CMOS 센서의 각 픽셀은 독립적인 신호 증폭기로 장착되어 있습니다.수백만의 증폭기 사이의 작은 성능 차이로 인해 고정 패턴 소음이 발생합니다.이 잡음은 특히 균일하게 조명된 장면에서 이미지에 고정된 패턴 간섭으로 나타납니다. 그러나 CMOS 기술의 발전으로,현대 산업용 CMOS 카메라는 상관형 이중 샘플링 (CDS) 과 디지털 수정 알고리즘을 통해 이 문제를 크게 개선했습니다., 일부 고급 제품은 CCD의 이미지 품질 수준에 접근하거나 도달했습니다.
2.2 에너지 효율과 전력 소비의 차이
전력 소비 측면에서 CMOS는 중요한 장점을 나타냅니다. CMOS는 활성 이미지 획득 방법을 채택합니다.광감각 다이오드에서 생성된 전하가 직접 증폭되고 인접 트랜지스터로 출력되는 경우전체 센서는 단 하나의 전원 공급 장치만 필요하며 일반적인 전력 소비량은 유사한 CCD의 1/8에서 1/10에 불과합니다.이 특징은 CMOS를 휴대용 장치와 같은 에너지 민감한 응용 프로그램에서 선호되는 선택으로 만듭니다., 임베디드 시스템, 멀티 카메라 배열.
CCD의 높은 전력 소비는 수동 충전 전송 메커니즘으로 인해 발생합니다.그것은 다른 전압 (일반적으로 12-18V) 과 전하의 전환 전송을 운전하기 위해 복잡한 시계 제어 회로와 세 개의 전력 공급 장치 세트를 필요로이것은 전원 공급 장치 설계의 복잡성을 증가시킬뿐만 아니라 열 분산 문제를 야기합니다.CCD의 온도 상승은 열 소음을 더 증가시킬 것입니다.따라서 CCD 카메라를 사용하는 산업 시스템은 종종 추가 열 분산 장치가 필요합니다.
2.3 해상도 및 픽셀 디자인
동일한 크기의 센서를 비교할 때 CCD는 일반적으로 더 높은 해상도를 제공합니다. 이것은 CCD의 픽셀 구조가 상대적으로 간단하기 때문입니다.거의 전체 픽셀 영역은 광감각을 위해 사용할 수 있습니다CMOS의 각 픽셀에는 추가 트랜지스터와 회로 구성 요소가 통합되어야 합니다.이 "빛에 민감하지 않은 영역"에서 효과적인 광감각 영역을 감소시키는예를 들어, 1/1.8 인치 사양의 센서에서 CCD는 1628 × 1236 (4,40 μm 픽셀) 의 해상도를 달성 할 수 있으며, CMOS는 일반적으로 1280 × 1024 (5,2 μm 픽셀) 의 해상도를 가지고 있습니다.
그러나 CMOS 기술은 뒷등화 (BSI) 및 쌓인 디자인을 통해 점차적으로 이 격차를 좁혀가고 있습니다.뒷면으로 조명된 CMOS는 후면으로부터 광감각 영역에 빛을 지시하기 위해 플립 칩을 사용합니다, 전면에 있는 회로 층을 우회하고 충전 인수를 크게 향상시킵니다.쌓인 CMOS는 결합하기 전에 처리 회로 층에서 광감각층을 분리하고 제조합니다.이러한 혁신은 현대적인 고급 CMOS 산업 카메라가 2천만 화소 이상의 해상도를 제공할 수 있도록 합니다.산업 검사 필요의 대다수를 충족.
2.4 빛에 대한 민감성 및 낮은 빛 성능
감수성 측면에서 CCD 센서는 전통적인 장점을 유지합니다. 픽셀 내부의 더 큰 효과적인 광감각 영역으로 인해 CCD는 저조한 환경에서도 더 많은 광자를 캡처 할 수 있습니다.신호와 소음 비율을 향상시키는 성능테스트 데이터에 따르면 인간의 눈은 1Lux의 조명 아래에서 물체를 인식 할 수 있으며 CCD의 민감도 범위는 0.1-3Lux입니다.전통적인 CMOS는 효율적으로 작동하기 위해 6-15Lux의 조명을 필요로합니다. 이것은 10Lux 이하의 저조한 환경에서는, 전통적인 CMOS는 사용 가능한 이미지를 거의 캡처 할 수 없습니다.
이 차이는 특히 산업용 내시경, 야간 시력 모니터링 및 천문학적 관측과 같은 특수 응용 분야에서 중요합니다.현대 CMOS는 큰 픽셀 디자인 (예를 들어 3μm 이상의 픽셀 크기) 및 고급 마이크로 렌즈 배열 기술을 통해 낮은 빛의 성능을 크게 향상 시켰습니다.일부 고급 CMOS 센서는 심지어 백 일루미네이션 기술을 통해 CCD를 넘어 양자 효율 (QE) 을 달성하여 특정 파장에서 95% 이상의 광자 변환 효율을 달성했습니다.
2.5 제조비용 및 경제적 고려사항
비용 구조의 측면에서 CMOS는 압도적인 이점을 가지고 있습니다.CMOS 센서는 표준 반도체 통합 회로와 동일한 제조 공정을 사용하며 컴퓨터 칩과 저장 장치를 생산하는 웨이퍼 공장에서 대량 생산 될 수 있습니다.이 프로세스 호환성은 유닛 비용을 크게 줄입니다. 동시에 CMOS의 높은 통합은 카메라 제조업체가 "칩 레벨 카메라"를 개발 할 수 있습니다.가공자, 하나의 칩에 인터페이스 회로, 추가로 조립 과정과 주변 회로 요구 사항을 단순화합니다.
반면 CCD의 제조 과정은 독특하고 복잡하며, 생산 능력이 있는 것은 Sony와 DALSA, Panasonic 및 몇몇 다른 제조업체들뿐입니다.전하 전달 메커니즘은 제조 결함에 매우 민감합니다.: 단일 픽셀 장애가 전체 데이터 행을 전송할 수 없도록 만들 수 있으며, 그 결과 출력률이 크게 감소할 수 있습니다.CCD 카메라는 추가 지원 회로 (시간 조절기 포함) 를 필요로 합니다., 아날로그-디지털 변환기 및 신호 프로세서) 를 사용하며, 최종 제품의 가격을 높여서 CCD 산업 카메라의 비용은 일반적으로 1달러입니다.같은 사양의 CMOS 카메라의 5 ~ 3 배.
