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Os sensores CMOS estão substituindo os CCD em muitas aplicações. Entretanto, ambas tecnologias tem as suas respectivas vantagens e inconvenientes. Afinal, que sensor é melhor dependerá do objetivo e das necessidades de cada aplicação.

Quando a Sony anunciou a descontinuidade dos seus sensores CCD gerou muitas dúvidas no mercado. No campo da inspeção industrial, o sensor CCD vem sendo utilizado amplamente devido a oferecer uma qualidade de imagem superior e também pela funcionalidade do Global Shutter. O fato da Sony, assim como muitos outros fabricantes de sensores, tenham focado os seus esforços no desenvolvimento da tecnologia do sensor CMOS poderia ser um indício de que chegou a um ponto em que a maioria das aplicações já podem ser resolvidas mediante sensores CMOS.

CCD e CMOS: Tecnologia de sensores para o espectro visível

Tanto os sensores CCD como os CMOS são sensores quânticos. Ambas as tecnologias estão baseadas no silício, um material semicondutor e são sensíveis no espectro visível, compreendido entre 300 e 1000nm.

Sensor ótico e o espectro eletromagnético

Sensor ótico e o espectro eletromagnético

 

Porem, qual a diferença das duas tecnologias? A principal diferença reside no elemento semicondutor em que a carga se converte em voltagem. No sensor CCD, primeiro o transporte da carga realiza-se de forma vertical e horizontal. A conversão da carga em voltagem de todos os píxeis ocorre fora do sensor, na parte eletrônica da câmara. A carga de todos os píxeis é convertida em voltagem fora do sensor. No caso do sensor CMOS a conversão da carga é executada em cada píxel, no mesmo sensor.

Correspondendo com a linha ativada, o sinal se amplia através do circuito de leitura, minimiza o ruído, digitaliza e finalmente é transmitida em paralelo através de um número de cabos LVDS configurável (Low Voltage Differential Signaling).

Princípio de transferência entrelinha dos sensores CCD e CMOS

Princípio de transferência entrelinha dos sensores CCD e CMOS

 

Vantagens e inconvenientes do sensor CCD

No sensor CCD, todos os píxeis carregados se convertem em voltagem analógica, amplificada e digitalizada. Desta forma consegue-se uma alta qualidade de imagem com alta homogeneidade de píxeis, baixo nível de ruído e baixo dark current.

Além disso, os CCDs conseguem uma alta sensibilidade e uma alta qualidade do sinal em condições de baixa luminosidade, devido ao fator de preenchimento dos píxeis (relação entre área fotossensível e a área total do pixel).

Outra vantagem reside no uso do Global Shutter, ou seja, a iluminação simultânea de todos os píxeis. Por esta razão, os CCDs são utilizados frequentemente em aplicações de visão artificial, especialmente naquelas que requerem tempos de exposição muito curtos.

Um dos inconvenientes dos sensores CCD reside na limitação na velocidade de leitura do fluxo de dados em série. Por isso os CCDs modernos de altíssima resolução são desenhados com tecnologia multi-tap, que consiste em dividir o sensor em diversas áreas para aumentar a velocidade de leitura em comparação com um sensor single-tap.

Entretanto, esta tecnologia requer um ajuste de sinal (correção de offset do gain) em cada tap devido a que o mínimo desvio provoca diferenças visíveis no limite entre taps.

Outro inconveniente dos sensores CCD esta relacionada com a carga que excede a capacidade de poço de elétrons de cada píxel que afeta os píxeis vizinhos. Este efeito é conhecido como “blooming”. A única forma de corrigir este blooming é reduzir a quantidade de luz que chega ao sensor. Além do mais, durante a leitura de uma carga transportada em série no registro de deslocamento vertical os fótons incidentes podem produzir carregadores de cargas adicionais, o que resulta num fenômeno conhecido como “smearing”. O smearing pode ser prevenido utilizando um shutter mecânico diante do sensor ou uma iluminação estroboscópica.

Na imagem da esquerda, blooming e smearing em um sensor CCD, na direita um sensor CMOS sem estes fenômenos.

Na imagem da esquerda, blooming e smearing em um sensor CCD, na direita um sensor CMOS sem estes fenômenos.

 

Vantagens e inconvenientes do sensor CMOS

Num sensor CMOS, a conversão da carga em voltagem acontece em cada píxel e a imagem se transforma em informação digital no mesmo sensor. Este funcionamento requer um desenho com elevado grau de complexidade. Existem CMOS de desenho mais complexo com global shutter e CDS (Correlated Double Sampling) para reduzir o padrão de ruído fixo que se baseia em píxeis de 5 a 8 transistores, o que diminui a área sensível à luz em cada píxel. Cada coluna de píxel tem um amplificador que funciona de forma independente dos demais. Devido os desvios causados pela tecnologia que utiliza, aparecem disparidades na uniformidade dos pixeis das diversas colunas o que produz novamente um incremento no padrão de ruído fixo. Para aplicações de objetos em movimento a função Global Shutter é necessária. Para isso se requer que o sensor CMOS contenha uma zona de armazenamento em cada píxel que esteja protegida o máximo possível da luz. Na pratica isto não funciona assim nos antigos sensores CMOS, a zona é mais ou menos sensível à luz e mostra sensibilidade à luz parasitária durante a leitura da informação do píxel. Especialmente em tempos de iluminação curto da ordem de microssegundos, isto resulta claramente visível como um valor de cinzento vertical.

Entretanto a leitura em paralelo da informação nos sensores CMOS oferece a vantagem de conseguir elevadas taxas de captura em comparação com um sensor CCD com a mesma resolução, de acordo com o número de cabos LVDS. Além do mais, é possível alcançar uma leitura mais rápida e flexível mediante o direcionamento de píxeis através de várias regiões de interesse. Como as cargas nos sensores CMOS não podem alternar vertical nem horizontalmente pois são convertidas em voltagem diretamente no píxel, nestes sensores nunca ocorrem nem blooming nem smearing. Assim, os sensores CMOS podem trabalhar em situações de sobre-exposição. Mediante um modo de trabalho de alto intervalo dinâmico, é possível obter um grande contraste e visualizar tanto objetos extremamente luminosos como zonas escuras.

Outra vantagem adicional na tecnologia dos sensores CMOS é a integração dos circuitos de controlo (geração do relógio interno, amplificador, conversor A/D) no mesmo sensor.

Todos estes fatores fazem com que a fabricação de câmaras CMOS tenham um custo inferior e um menor consumo de energia em comparação com a fabricação de câmaras CCD.

Na imagem a direita o modo HDR ativado na câmara Mako G-030 com sensor CMOS CMV300

Na imagem a direita o modo HDR ativado na câmara Mako G-030 com sensor CMOS CMV300

 

Aplicações para sensores CMOS

Se as aplicações industriais precisam altas taxas de transferência e alta resolução os sensores CMOS serão a nossa primeira opção. Um bom exemplo de aplicação neste caso seria a triangulação laser para medições 3D, na qual uma câmara com um sensor CMOS de alta velocidade captura com 2320×128 píxeis de resolução a uma velocidade de 5200 imagens por segundo. Para este tipo de uso resulta crucial que além de uma elevada taxa de transferência, o sensor CMOS funcione bem com uma alta intensidade de luz, especialmente quando estão envolvidas superfícies altamente refletivas.

 Triangulação laser para medição 3D com luz estruturada


Triangulação laser para medição 3D com luz estruturada

 

Nos últimos anos a tecnologia CMOS mostrou claros avanços na qualidade da imagem junto com a vantagem de proporcionar elevadas taxas de captura. Fabricantes como Sony, CMOSIS, e2V, On Semi entre outros, foram capazes de melhorar claramente os seus desenhos. Os sensores CMOS modernos com Global Shutter estão disponíveis em diferentes resoluções e elevadas taxas de transferência como 500fps com uma resolução VGA. Reduzindo a corrente escura, o padrão de ruído fixo e aumentando a eficiência quântica, estes sensores proporcionam uma boa qualidade de imagem, inclusive em condições de baixa luminosidade. A sensibilidade à luz parasitaria durante a leitura foi reduzida consideravelmente. O resultado é uma eficiência melhorada do Global Shutter, com valores no intervalo de 10000:1 ou inclusive melhor. Os CMOS modernos são adequado para aplicações com objetos em movimento.

O Exmor e o Exmor R da Sony, com as arquiteturas de píxel CMOS Pregius e Starvis lideram o processo. Pregius foi otimizado segundo as exigências da tecnologia Global Shutter, na qual baseada na tecnologia de píxel CCD da Sony, tem uma memória analógica blindada que protege as cargas geradas da luz parasitária não desejada e garante um Global Shutter perfeito. Uma capa CDS analógica antes, assim como uma capa CDS adicional depois da conversão analógico/digital leva a cabo uma dupla supressão de ruído devido à leitura e o padrão de ruído fixo se reduzem ao mínimo. Desta forma resulta possível obter imagens de objetos em movimento rápido com um aspecto menos difuso utilizando tempos de iluminação curtos.

O Sony IMX 174 é representativo desta tecnologia com um poço de elétrons de mais de 30.000e- e um intervalo dinâmico por cima dos 70dB, assim como valores de ruído de leitura muito baixos.

O desenvolvimento da tecnologia Pregius, com uma maior redução no desenho do píxel, mostra um ruído de leitura mínimo. Além do mais, uma capa epitaxial de silício mais grossa no fotodiodo consegue uma maior sensibilidade na banda espectral do infravermelho próximo. Assim, os CMOS modernos resultam adequados para aplicações industriais e para aplicações em exteriores, incluídas a segurança e os sistemas de transporte inteligentes.

 

Aplicações em que o sensor CCD ainda são utilizados

Graças a sua homogênea qualidade de imagem com um padrão de ruído fixo baixo, os sensores CCD tem algumas vantagens em aplicações médicas e científicas, particularmente em microscopía de fluorescência e microscopía de alta resolução. Também é útil em aplicações de campo que requerem alta resolução, como a imagem aérea. Assim mesmo oferecem vantagens em aplicações com longos tempos de exposição, como em astronomia, devido a terem uma corrente escura mínima.

Fabricantes com OnSemi, Sharp e e2V, por exemplo, continuam desenvolvendo a tecnologia CCD e oferecendo sensores especiais com resoluções superiores, por exemplo, de 50Mp e com alta sensibilidade, para aplicações exigentes no campo da ciência, especialmente em metrologia, na que se necessita uma alta homogeneidade em alta resolução.

Os sensores especiais CCD, como os EMCCD (Electron Multiplication CCD) com um intervalo dinâmico muito elevado, estão pensados para capturar imagens durante o dia e a noite e também em condições de muito baixa luminosidade ou aplicações como a inspeção de células e moléculas.

Aplicações utilizando câmaras CCD (microscopía de fluorescência, microscopía de alta resolução, astronomia e mapeamento aéreo)

Aplicações utilizando câmaras CCD (microscopía de fluorescência, microscopía de alta resolução, astronomia e mapeamento aéreo)

 

Conclusão

Junto à resolução, velocidade de captura e qualidade de imagem, o preço joga um papel muito importante na eleição do sensor. Como resultado das vantagens existentes em relação a alta velocidade de captura e as melhorias na qualidade de imagem mencionados anteriormente, combinados com uma eficiência melhorada do Global Shutter, podemos constatar que a tendência a implementar sensores CMOS é cada vez mais frequente como alternativa aos CCDs em aplicações industriais.

Porem existem algumas aplicações especiais, citada anteriormente, em que o sensor CCD ainda tem vantagens em comparação com os sensores CMOS.

 

Fonte: Allied Vision Technologies