مطالب سایت

تفاوت سنسور CMOS و سنسور CCD دوربین ها

هر CCD از میلیونها سلول بنام فتوسایت یا فتودیود تشکیل شده است. این نقاط در واقع سنسورهای حساس به نوری هستند که اطلاعات نوری را به یک شارژ الکتریکی تبدیل می‌نمایند. تکنولوژی مورد استفاده در ساخت CMOS همان تکنولوژی است که در سراسر جهان برای ساخت میلیونها ریزپردازنده و حافظه مورد استفاده قرار می گیرد.

سنسور CMOS و سنسور CCD

سنسور CMOS و سنسور CCD

 

سنسورهای CCD :

CCD قلب دوربین های نظارت تصویری است. Charged Coupled Device یا CCD یک تکنولو‍ژی آنالوگ است که تصاویری بسیار شفاف و با رزولوشن بالا را ارائه میدهد و در نور کم هم تصاویر بسیار خوبی نمایش می دهد و کمی بیشتر از سنسورهای CMOS برق مصرف می کند(در حدود ۹ تا ۱۲ ولت). در سال ۱۹۶۹، Willard Boyle و George Smith از CCD برای نگهداری اطلاعات استفاده کردند. اولین CCD مربوط به تصویر برداری به فرمت ۱۰۰ * ۱۰۰ پیکسل، در سال ۱۹۷۴ توسط شرکت Faichild Electronics تولید گردید. در سال‌ بعد این وسیله در دوربین های تلویزیونی برای رسانه های تجاری و بعدها در تلسکوپ ها و وسایل تصویر برداری پزشکی مورد استفاده قرار گرفت.

 

دوربینهای قدیمی

دوربینهای قدیمی

مدتها پس از این زمان بود که CCD در دوربین های دیجیتالی مورد استفاده عموم به فروشگاههای خیابانی راه پیدا نماید. هر CCD از میلیونها سلول بنام فتوسایت یا فتودیود تشکیل شده است. این نقاط در واقع سنسورهای حساس به نوری هستند که اطلاعات نوری را به یک شارژ الکتریکی تبدیل می‌نمایند.

سنسور CCD دوربین مداربسته

سنسور CCD دوربین مداربسته

سنسور CCD

وقتی اجزای نور که فتون نامیده می شود وارد بدنه سیلیکون فتوسایت می شود، انرژی کافی برای آزادسازی الکترونهایی که با بار منفی شارژ شده اند ایجاد می‌ گردد. هر چه نور بیشتری وارد فتوسایت شود، الکترونهای بیشتری آزاد می شود. هر فتوسایت دارای یک اتصال الکتریکی می باشد که وقتی ولتاژی به آن اعمال می شود، سیلیکون زیر آن پذیرای الکترونهای آزاد شده می شود و همانند یک خازن برای آن عمل می کند. بنابر این هر فتوسایت دارای یک شارژ ویژه خود می باشد که هر چه بیشتر باشد، پیکسل روشنتری را ایجاد می کند. مرحله بعدی در این فرآیند بازخوانی و ثبت اطلاعات موجود در این نقاط است. وقتی که شارژ به این نقاط وارد و خارج می شود، اطلاعات درون آنها حذف می شود و از آنجایی که شارژ هر ردیف با ردیف دیگر کوپل می شود، مثل اینست که اطلاعات هر ردیف پشت ردیف قبلی چیده شود.
سپس سیگنال ها در حد امکان بدون نویز وارد تقویت کننده شده و سپس وارد ADC می شوند. فتوسایت های روی یک CCD فقط به نور حساسیت نشان می دهند، نه به رنگ. رنگ با استفاده از فیلترهای قرمز – سبز و آبی که روی هر پیکسل گذارده شده است شناسایی می شود. برای اینکه CCD از چشم انسان تقلید کند، نسبت فیلترهای سبز دو برابر فیلترهای قرمز و آبی است. این بخاطر اینست که چشم انسان به رنگهای زرد و سبز حساس تر است. چون هر پیکسل تنها یک رنگ را شناسایی می کند، رنگ واقعی (True Color) با استفاده از متوسط گیری شدت نور اطراف پیکسل که به میان یابی رنگ مشهور است، ایجاد می شود.

 

ساختار داخلی سنسورهای CCD

ساختار داخلی سنسورهای CCD

جدیدا فوجی فیلم در طراحی CCD دست به ابداع جالبی زده است. این شرکت بجای استفاده از آرایش مربعی برای فتوسایت ها، از فتوسایت های کاملا متفاوت هشت ضلعی بزرگتری که در ردیفهایی با زاویه ۴۵ درجه مرتب شده اند استفاده کرده است. با این کار مشکل نویزهای سیگنال که برای فشردگی فتوسایتها بر روی CCD محدودیت ایجاد می کرد حل شده است. با این کار رنگهایی واقعی تر و محدوده دینامیکی وسیعتر و حساسیت به نور بالاتر به دست می آید که نتیجه آن عکسهای دیجیتالی شارپ تر و با رنگهای جذاب تر می باشد. از سنسورهای CCD بیشتر در دوربینهای Outdoor استفاده می شود .

 

سنسورهای CMOS :

Complementary Metal Oxide Semiconductor یا CMOS در سال ۱۹۹۸ بعنوان تکنولوژی دیجیتال ثبت تصویر جایگزین برای CCD ابداع گردید. تکنولوژی مورد استفاده در ساخت CMOS همان تکنولوژی است که در سراسر جهان برای ساخت میلیونها ریزپردازنده و حافظه مورد استفاده قرار می گیرد. از آنجا که روی این تکنولوژی کار زیادی صورت گرفته و تولید آن در حجم انبوه می باشد، ساخت چیپ های CMOS نسبت به CCD ارزانتر در می آید. دیگر مزیت این سنسورها نسبت به CCD اینست که توان مصرفی آنها پایینتر (۴ تا ۹ ولت) می باشد. بعلاوه، در حالی که CCD تنها برای ثبت شدت نوری که بر روی هر یک از صدها هزار نقاط نمونه برداری می افتد کاربرد دارد، می توان از CMOS برای منظورهای دیگر، نظیر تبدیل آنالوگ به دیجیتال، پردازش سیگنال های لود شده، تنظیم رنگ سفید (white Balance) و کنترل های دوربین و … استفاده نمود.

سنسورهای CMOS دوربین مداربسته

سنسورهای CMOS دوربین مداربسته

سنسور CMOS

همچنین می توان تراکم نقاط و عمق بیتی تصویر را به راحتی بدون افزایش بیش از اندازه قیمت، بالا برد. بخاطر این مزیتها و سایر مزایا، بسیاری از تحلیل گران صنایع اعتقاد دارند که نهایتا تمام دوربین های معمولی دیجیتال از CMOS استفاده خواهند نمود و CCD فقط در دوربینهای حرفه ای و گران قیمت بکار خواهد رفت و قیمت دوربین های CCD ارزان نیست. در این تکنولوژی مشکلاتی از قبیل تصاویر دارای نویز و عدم توانایی در گرفتن عکس از موضوعات متحرک وجود دارد که امروزه با رفع این مشکلات، CMOS در حال رسیدن به برابری با CCD می باشد. تا بحال سنسورهای تصویر CMOS با استفاده از تکنولوژی ۰٫۳۵ تا ۰٫۵ میکرونی ساخته شده اند و چشم انداز آینده آن استفاده از تکنولوژی ۰٫۲۵ میکرون می باشد. از سنسورهای CMOS بیشتر در دوربینهای indoor استفاده می شود .

 مقایسه  و تفاوت ساختاری سنسورهای CCD و سنسورهای CMOS :

تفاوت سنسور های CMOS و CCD

تفاوت سنسور های CMOS و CCD

سنسورهای CMOS نوعی از سنسورهای به کار رفته در دوربین های مداربسته هستند که معمولا حساسیت ۱۰ برابر کمتر از سنسورهای CCD دارند. چشم انسان توانایی دیدن در نوری کمتر از ۱ لوکس را دارد. سنسورهای CCD معمولا دیدی به خوبی انسان یا حتا بهتر از آن در نور کم دارند (۰٫۱ ~۳ lux)اما دوربین هایCMOS به ده برابر نور بیشتر برای ساخت تصویر نیاز دارند.

 

حساسیت سنسورهای CMOS عموما در بازه ۶ تا ۱۵ لوکس می باشد. این سنسورها همچنین نویز تصویر ۱۰ برابر بیشتر از سنسورهای CCD دارند. از آنجایی که این سنسورها عملکرد خیلی ضعیفی در نور کم دارند عموما در دوربین های حرفه ای مورد استفاده قرار نمی گیرند و کاربرد آنها به وسایل ارزان و غیر ضروری مثل اسباب بازی ها محدود می شود.
البته سنسورهای CMOS دارای محاسنی هم هستند. مهمترین حسن آنها سرعت قابل ملاحظه آنهاست. سرعت سنسورهای CMOS ۱۰ تا ۱۰۰ برابر بیشتر از سنسورهای CCD است و از این جهت در دوربین های با سرعت فریم بسیار بالا استفاده می شوند.

 

این سنسورها همچنین امکان ساخت تمامی کنترل ها و مدارات منطقی بر روی یک چیپ ار فراهم می کنند که باعث کوچک شدن حجم این دوربین ها می شود. تفاوت دیگر این دو سنسور ولتاژ و مصرف آنهاست. برای بیشتر سنسورهایCCD میزان تغذیه ۱۲ولت ۱۵۰-۳۰۰ میلی آمپر است در حالی که برای سنسورهای CMOS تغذیه ۵ یا ۱۲ ولت و ۳۵-۷۰ میلی آمپر است.

مقایسه کیفیت تصویرهای دو سنسور CCD و CMOS :

تصویر سنسور CCD ‌در روز

تصویر سنسور CCD ‌در روز

 

تصویر سنسور CMOS ‌در روز

تصویر سنسور CMOS ‌در روز

 

 

چرا کیفیت عکس های گرفته شده با دوربین موبایل حتی در انواع پیشرفته آن قابل مقایسه با دوربین های دیجیتال نیست ؟
علت را میبایست در نوع ساختمان این نوع دوربین ها و نوع حسگر مورد استفاده در آنها جستجو کرد . جائیکه حسگر مورد استفاده در موبایل ها از نوع CMOS و سنسور مورد استفاده در دوربین های دیجیتال پیشرفته از نوع CCD می باشد .

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 ، پک های 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)
3سرعت :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 به روی 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… که البته در تصاویر دوربینهای مداربسته چنانچه کیفیت بالا مد نظر است بایستی از سنسورهای CCD بهره گرفت.
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 می بایست انتخابی متناسب با کاربرد نمود .

خلاصه
عنوان
تفاوت سنسور CMOS و سنسور CCD دوربین ها
نویسنده
توضیحات
در این قسمت به تفاوت ها و ساختار سنسور CMOS و سنسورهای CCD که در دوربینها بکار می روند میپردازیم و اینکه چرا قیمت دوربین مدار بسته CCD ارزان نیست
Share Button

موضوعات: آموزش ها, مقاله

یک نظر بگذارید (۱۷) ↓

16 نظرات

  1. مهدی آبان ۲۸, ۱۳۹۳

    سلام خیلی عالی بود کاملا بدردم خورد. ۱۰م شما گرم

    پاسخ
  2. عطیه آذر ۲۱, ۱۳۹۳

    من یک مقاله ۲۰۱۴ خوندم در مورد سنسور های cmos که از تکنولوژی ۱۳۰ نانو متر استفاده کرده بود ممنون

    پاسخ
  3. Milad دی ۳, ۱۳۹۳

    سلام ، عالی بود ، دستتون درد نکنه . . .

    پاسخ
  4. علی بهمن ۶, ۱۳۹۳

    خیلی پر محتوا و باحال بود واقعا خوشم اومد و همچنین از لحاظ سادگی متن و رساندن منظور به مخاطب بسیار عالی کلر کردید

    پاسخ
  5. mehrdad خرداد ۲۷, ۱۳۹۴

    دسستون درد نکنه واقعا عالی بود

    پاسخ
  6. Mahsa مرداد ۳۱, ۱۳۹۴

    حرفاتون درست پس چرا هرچی دوربین حرفه ای و گران قیمت تو بازار هست (منظورم قیمت ۱ تا ۹ میلیونه) حسگراشون CMOS و بالعکس یعنی اکثر دوربین های رده پایین و ارزان حسگرشون CCDیه؟؟!!!!

    پاسخ
    • Mostafa Maleki
      Mostafa Maleki مهر ۷, ۱۳۹۴

      با سلام،دوست عزیز در دوربین های دیجیتال (یا همان گرانقیمت به زعم شما) به لحاظ تکنولوژی فقط از سنسورهای Cmos استفاده می شود.در دوربین های آنالوگ ccd سنسور بهتری تلقی می گردد.

      پاسخ
  7. سینا مهر ۲۴, ۱۳۹۴

    سلام دوستان یه راهنمایی برای خرید دوربین می خواستم؟ به نظر شما دوربین canon x65 مدل خوبی که من بخرم؟ فروشنده دوربین برعکس نوشته سایت شما می گفت : این دوربین چون از نوع cmos هست خیلی عالی؟ می خواهم تا۱۲۰۰/۰۰۰ هزینه کنم؟

    پاسخ
    • Mostafa Maleki
      Mostafa Maleki آبان ۵, ۱۳۹۴

      سلام دوست عزیز.سنسور Cmos در دوربین های دیجیتال بهترین سنسور محسوب می گردد ولی در آنالوگ خیر

      پاسخ
  8. عادل عیدانی آذر ۲۷, ۱۳۹۴

    باتشکر۰فراوان۰اطلاعات خوبی بود

    پاسخ
  9. علی . بهمن ۲۹, ۱۳۹۴

    نخست : از نیت آموزش برای دیگران قدر دان هستم . اما باید به عرض آن عزیز برسانم : به نظر این کوچکترین باید در تدوین و شکل گیری این متن تجدید نظر و بازنگری شود . این متن برای کسانی که این مقوله را می شناسند ؛ شاید ثقیل نباشد ؛ اما برای دیگرانی همچون من ؛ پیچیده و ناکوک است . مورد دیگر فقدان شکل گرافیکی هشت ضلعی یاد شده مورد استفاده در ساز و کار شرکت فوجی است . دوست گرامی نادیده ؛ من باز هم به رسم ادب از نیت آموزش به دیگران ؛ ازشما سپاسگزار هستم .

    پاسخ
  10. مریم فروردین ۲۱, ۱۳۹۵

    ممنون از مطالبتون خیلی به کارم اومد.

    پاسخ
  11. فروش دوربین مداربسته فروردین ۲۲, ۱۳۹۵

    ممنونم از سایت خوبی که دارید موفق باشید

    پاسخ
  12. ناشناس شهریور ۲۷, ۱۳۹۵

    عالی بود

    پاسخ
  13. محسن مهر ۱۳, ۱۳۹۵

    جالب بود

    پاسخ
  14. فروغ آبان ۱۱, ۱۳۹۵

    سلام. مطالبتون مفید بود. ممنون

    پاسخ

یک نظر بگذارید