CCD vs. CMOS
Quale tecnologia è più adatta alle telecamere industriali?
I sensori CCD sono stati a lungo i sensori di immagine più diffusi sul mercato. Tuttavia, il settore ha continuato a evolversi e i sensori CMOS hanno gradualmente conquistato il mercato. In questo testo vogliamo esaminare più da vicino le differenze tra i sensori CMOS e CCD ed esplorare il sensore del futuro.
Le moderne telecamere CMOS come sostituto delle telecamere CCD
Nel nostro White Paper spieghiamo i vantaggi dei nuovi sensori CMOS rispetto ai sensori CCD:
Quando è opportuno pensare di cambiare la tecnologia della propria telecamera?
Come scegliere la telecamera giusta per sostituire quella attuale?
Qual è lo sforzo di integrazione richiesto?
I moderni sensori CMOS sono spesso superiori ai sensori CCD
Nel marzo 2015, Sony ha annunciato la cessazione della produzione dell'intera serie di sensori CCD. Ciò ha segnato la fine dei nuovi sviluppi basati sulla tecnologia CCD a favore dei sensori CMOS, che all'epoca erano inferiori alla tecnologia CCD solo sotto alcuni aspetti. Negli ultimi anni, i nuovi sviluppi hanno permesso di eliminare anche quei pochi svantaggi, consentendoci ora di godere dei numerosi vantaggi dei sensori CMOS.
Naturalmente, il confronto tra sensori CCD e CMOS non è del tutto accurato, poiché il CMOS ha ormai più di otto anni di vantaggio in termini di sviluppo. Ai tempi in cui entrambi i tipi di sensori erano competitivi, la decisione di utilizzare CCD o CMOS era basata sull'applicazione di destinazione. Oggi la questione CCD vs CMOS non si pone più, poiché i sensori CCD non vengono più sviluppati. I sensori CMOS hanno trovato applicazione in settori precedentemente riservati ai sensori CCD grazie alla loro elevata velocità e risoluzione, al basso consumo energetico, nonché alle caratteristiche di rumore migliorate, all'efficienza quantica e ai concetti di colore.
CCD vs CMOS: i dettagli tecnici
I miglioramenti apportati alla tecnologia CMOS e l'ottimo rapporto prezzo/prestazioni di questi sensori rendono i sensori CMOS sempre più interessanti per la visione artificiale industriale. In particolare, le frequenze di fotogrammi molto elevate che è possibile ottenere, quasi senza alcun compromesso in termini di qualità dell'immagine, sono una delle caratteristiche principali dell'attuale generazione di CMOS.
Cosa fa il sensore di una telecamera?
Sia i sensori CCD (Charge Coupled Device) che quelli CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) convertono la luce (fotoni) in segnali elettrici (elettroni). La differenza principale tra i due tipi di sensori risiede nella loro struttura tecnica. Nel sensore CCD, la carica viene spostata per pixel. Nel sensore CMOS, invece, ogni pixel viene letto direttamente.
Maggiore efficienza
In passato, i sensori CMOS erano significativamente meno efficienti nella conversione della luce incidente. Ora le cose sono cambiate. Ulteriori sviluppi, come gli array di microlenti (applicati al chip), garantiscono che i sensori CMOS raggiungano ora sensibilità pari o addirittura superiori a quelle dei sensori CCD.
Frequenza dei fotogrammi più elevata
Con i sensori CCD, la velocità di lettura è limitata dalla lettura riga per riga o colonna per colonna. I sensori CMOS, invece, consentono una frequenza dei fotogrammi significativamente più elevata grazie alla loro architettura. Ogni pixel viene letto individualmente, senza la necessità di spostare la carica come nei sensori CCD. Ciò significa che le informazioni dell'immagine vengono lette molto più velocemente. Di conseguenza, è possibile aumentare le prestazioni, consentendo, ad esempio, di ispezionare più parti al secondo o di rilevare meglio le violazioni del codice stradale.
Maggiore gamma dinamica
La gamma dinamica di una telecamera descrive il rapporto tra il segnale più forte e quello più debole che può essere riconosciuto al di sopra del rumore in un'immagine, ovvero il rapporto tra la capacità di saturazione e la soglia di sensibilità. I sensori CMOS hanno spesso una maggiore capacità di saturazione (ovvero il numero massimo di elettroni per pixel è più alto), ma sono generalmente meno sensibili. Ciò significa che la gamma dinamica dei sensori CMOS spesso corrisponde a quella dei sensori CCD. Detto questo, i sensori CMOS di ultima generazione, come il Sony IMX174, sono superiori a tutti i modelli CCD comparabili in termini di gamma dinamica.
Nessun effetto “blooming” e ‘smearing’
La tecnologia CMOS presenta un chiaro vantaggio in condizioni di luce intensa. Se un pixel CCD è sovraesposto, gli elettroni in eccesso generati “si riversano” nei pixel adiacenti. Le strutture dell'immagine molto luminose sembrano quindi riversarsi in quelle più scure o “sbocciare”, da cui il nome di questo effetto: “blooming”. Se le cariche nel sensore CCD vengono trasportate in condizioni di luce molto intensa dopo l'esposizione, nell'immagine del sensore CCD possono comparire strisce luminose.
Le aree bianche appaiono quindi sbavate in linee nell'immagine. Questo effetto è visibile, ad esempio, quando un'auto con i fari accesi si avvicina alla telecamera di notte. Questo effetto è chiamato “sbavatura”. Il CMOS presenta un vantaggio significativo in questo caso: nessuno dei due effetti si verifica con i sensori CMOS.
Nessun difetto grazie al Global Shutter
Le telecamere più recenti con tecnologia CMOS sono oggi telecamere CMOS con otturatore globale, come i nostri modelli ace 2 con la linea di sensori Pregius S di Sony o la PYTHON di onsemi. Con queste telecamere non si è più esposti ai difetti che si verificano nelle telecamere con rolling shutters. Tuttavia, non si dovrebbe escludere categoricamente una telecamere CMOS con rolling shutters, poiché questa potrebbe essere più adatta per determinate applicazioni rispetto a una telecamera con otturatore globale.
Le moderne telecamere CMOS al posto delle telecamere CCD
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Questions that we answer in detail in the White Paper
When should you think about changing your camera technology?
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