Cảm biến CCD và CMOS đi kèm với những lợi ích riêng của chúng. Sự khác biệt chính nằm ở việc tái tạo hình ảnh từ tín hiệu điện. Xem lý do tại sao CMOS lại đi trước CCD - và tương lai sẽ ra sao đối với cả hai loại cảm biến trong tầm nhìn nhúng.
Việc phát minh ra cảm biến hình ảnh có từ những năm 1960. Một hành trình bắt đầu từ việc thiết kế kiến trúc cảm biến MOS (Metal Oxide Semiconductor) vào đầu những năm 1960 và phát triển camera kỹ thuật số đầu tiên vào năm 1969 cho đến kỹ thuật SPAD (Đi-ốt thác một photon) mới nhất của Canon, công nghệ cảm biến đã trải qua một chặng đường dài. Bất chấp những phát triển này, cảm biến CCD và CMOS vẫn là hai trong số những công nghệ cảm biến phổ biến nhất trong lĩnh vực hình ảnh trong nhiều thập kỷ.
Khi cả hai loại cảm biến đều có những ưu điểm riêng, cảm biến CMOS đã bắt đầu trở nên phổ biến hơn trong những năm gần đây, đặc biệt là trong không gian tầm nhìn nhúng. Trong khi phần lớn các cuộc thảo luận xung quanh việc so sánh hai công nghệ này xoay quanh camera điện thoại di động và hệ thống thị giác máy, không có nhiều điều được nói về chủ đề này dưới góc độ tầm nhìn nhúng.
Trong bài viết này, chúng tôi xem xét ngắn gọn một số điểm khác biệt chính giữa cảm biến CMOS và CCD, tại sao CMOS đang phát triển – hoặc đã đánh bại – CCD trong tầm nhìn nhúng và tương lai sẽ ra sao đối với cả hai trong thế giới hình ảnh.
Cả hai công nghệ CCD và CMOS đều sử dụng hiệu ứng quang điện để chuyển đổi các gói ánh sáng (hoặc photon) thành tín hiệu điện. Ngoài ra, hai cảm biến này được tạo thành từ các giếng pixel thu thập các photon tới này. Sự khác biệt cơ bản giữa hai loại nằm ở việc tái tạo hình ảnh từ các tín hiệu điện.
Bây giờ chúng ta hãy xem xét chi tiết từng công nghệ này để tìm hiểu thêm về những điểm giống và khác nhau của chúng.
Cảm biến CCD là một thiết bị tương tự. Bên dưới lớp CCD là SSR (Thanh ghi dịch chuyển nối tiếp) được kết nối với bộ khuếch đại ở một đầu và đầu kia là ADC (Bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số). Điện tích trong lớp CCD được chuyển đến SSR, sau đó đến bộ khuếch đại và ADC. Khoản phí này được đọc từ mỗi trang web pixel để tạo lại hình ảnh. Hãy xem sơ đồ dưới đây để hiểu toàn bộ quá trình hoạt động như thế nào:
Hình 1: Quá trình truyền điện tích trong cảm biến CCD
Trong cảm biến CCD, khi các photon được chuyển đổi thành tín hiệu điện, điện tích được chuyển đổi thành điện áp sẽ được truyền qua một số nút giới hạn. Điều này có nghĩa là chỉ có một vài bộ khuếch đại và ADC đang hoạt động, do đó dẫn đến hình ảnh đầu ra ít nhiễu hơn.
CMOS là viết tắt của 'Chất bán dẫn oxit kim loại bổ sung'. Sự khác biệt chính giữa cảm biến CMOS và cảm biến CCD là cảm biến trước đây có bộ khuếch đại trong mỗi pixel. Trong một số cấu hình cảm biến CMOS, mỗi pixel cũng có một ADC. Điều này dẫn đến nhiễu cao hơn so với cảm biến CCD. Tuy nhiên, thiết lập này cho phép đọc đồng thời nhiều pixel cảm biến. Trong phần sau, chúng ta cũng sẽ xem cảm biến CMOS phù hợp với hiệu suất của CCD như thế nào mặc dù có nhược điểm này.
Để hiểu kiến trúc của cảm biến CMOS, vui lòng xem hình ảnh bên dưới:
Hình 2: Kiến trúc cảm biến CMOS
Có thể thực hiện so sánh trực tiếp giữa cảm biến CCD và CMOS theo 5 thông số khác nhau:
Độ nhạy : Cho đến gần đây, CCD có lợi thế hơn CMOS khi chụp ảnh trong điều kiện ánh sáng yếu cũng như trong vùng NIR (Gần hồng ngoại) (chúng ta sẽ nói nhiều hơn về chụp ảnh ánh sáng yếu và NIR trong phần sắp tới). Tuy nhiên, những tiến bộ trong công nghệ cảm biến CMOS đang giúp nó tiến gần đến cảm biến CCD.
Chất lượng nhiễu và hình ảnh : Việc có số lượng ADC và bộ khuếch đại thấp hơn giúp cảm biến CCD mang lại hình ảnh ít nhiễu hơn so với cảm biến CMOS. Tuy nhiên, các nhà sản xuất cảm biến liên tục đưa ra các kỹ thuật cải tiến để nâng cao chất lượng hình ảnh của cảm biến CMOS.
Tiêu thụ điện năng : So với cảm biến CCD, cảm biến CMOS tiêu thụ ít điện năng hơn, điều này đặc biệt hữu ích trong các hệ thống hình ảnh nhúng có các thành phần ngốn điện khác bên trong.
Chuỗi cung ứng và tính khả dụng : Với việc ngày càng có nhiều nhà sản xuất cảm biến rời bỏ công nghệ CCD, tính khả dụng của các cảm biến này đã giảm mạnh trong vài năm qua. Ngoài ra, nếu bạn đang tìm kiếm một nhà cung cấp CCD, bạn có thể sẽ có ít tùy chọn hơn so với vô số nhà cung cấp cảm biến CMOS.
Chi phí : CMOS dễ dàng giành chiến thắng trong cuộc đua về chi phí.
Cảm biến CCD vẫn là lựa chọn tự nhiên của nhiều nhà phát triển sản phẩm trong một thời gian rất dài khi xây dựng các thiết bị dựa trên camera cần hoạt động trong điều kiện ánh sáng yếu hoặc nguồn sáng IR/NIR. Điều này đặc biệt đúng ở các phạm vi nhiệt độ cao hơn, nơi các cảm biến CMOS cần một bộ làm mát bổ sung để duy trì mức QE cần thiết (Hiệu suất lượng tử – thước đo biểu thị độ nhạy của cảm biến). Điều này cũng là do các cảm biến CCD mang lại sự linh hoạt khi có lớp chất nền dày hơn để hấp thụ các photon trong phổ NIR. Nhưng những phát triển gần đây trong công nghệ cảm biến CMOS đã cho ra đời những cảm biến có độ nhạy tốt hơn so với cảm biến CCD truyền thống. Ví dụ,
Như đã thảo luận trước đây, camera CMOS đang bắt kịp camera CCD về hầu hết các thông số hình ảnh. Giảm chi phí với hiệu suất phù hợp đang khuyến khích ngày càng nhiều nhà phát triển sản phẩm chọn cảm biến CMOS thay vì cảm biến CCD. Ngoài ra, vì lý do tương tự, các nhà sản xuất cảm biến cũng đang dần tránh xa việc phát triển các cảm biến CCD mới. Do đó, không có nhiều nghiên cứu hoặc tiến bộ đang diễn ra trong không gian. Điều này dẫn đến hiệu ứng xếp tầng làm giảm mức độ phổ biến của cảm biến CCD theo thời gian.
Hơn nữa, nhiều ứng dụng hình ảnh như kính hiển vi y tế tồn tại với CCD lâu hơn nhiều so với các ứng dụng hình ảnh nhúng khác cũng đã tham gia 'làn sóng CMOS'. Hơn nữa, ngoài lợi thế về mức tiêu thụ điện năng, cảm biến CMOS cũng có xu hướng cung cấp tốc độ khung hình cao hơn và dải động tốt hơn. Điều này cũng đã khiến các công ty camera nhúng đưa ra các giải pháp camera tiên tiến sử dụng cảm biến CMOS. Ví dụ: danh mục camera CMOS đa dạng của Hệ thống e-con bao gồm camera USB lấy nét tự động 16MP , camera 4K HDR , mô-đun camera màn trập toàn cầu , mô-đun camera Full HD GMSL2 HDR được xếp hạng IP67 , camera thông minh AI được xếp hạng IP66, và hơn thế nữa (Để có cái nhìn đầy đủ về danh mục camera CMOS của Hệ thống e-con, vui lòng truy cập Bộ chọn camera của chúng tôi ).
Xem xét tất cả những điều này, không có gì ngạc nhiên khi camera CMOS đang thống trị vương quốc tầm nhìn nhúng.
Với sự phát triển tiếp theo bị đình trệ, chúng ta sẽ sớm thấy cái chết của cảm biến CCD. Trên thực tế, nhiều nhà sản xuất cảm biến đã ngừng sản xuất cảm biến CCD từ nhiều năm trước, mà chỉ tiếp tục hỗ trợ khách hàng hiện tại của họ sử dụng chúng.
Trong khi mọi thứ còn mờ mịt về phía CCD, thì tương lai có vẻ sáng sủa đối với cảm biến CMOS. Từ màn trập toàn cầu đến camera ánh sáng cực thấp đến camera có độ phân giải cao, những tiến bộ đang phát triển nhanh chóng trong công nghệ CMOS. Với việc các nhà sản xuất cảm biến hàng đầu như Sony, Onsemi, Omnivision, v.v. tập trung nhiều hơn vào việc nâng cao độ nhạy, độ phân giải, dải động, hiệu suất năng lượng, v.v. của cảm biến CMOS, những đổi mới trong lĩnh vực này đang diễn ra với tốc độ cực nhanh.
Hy vọng bạn đã có thể hiểu rõ về công nghệ CMOS và CCD cũng như sự khác biệt chính giữa hai loại cảm biến
Bạn cần báo giá nhanh?
Bạn đã lựa chọn được một vài model cho dự án của mình và đang cần chúng tôi báo giá nhanh? Hãy click vào đây để điền và gửi cho chúng tôi.
