اگر برای خرید دوربین‌ مداربسته به شرکتی مطمئن مراجعه کرده‌باشید، با عبارت CCD و CMOS آشنایی دارید. دو کلمه‌ای که برای معرفی یکی از ویژگی‌های دوربین‌ها استفاده می‌شود. خوب، به نظر شما واقعاً معنای خاصی می‌دهند یا فقط کلکی برای فروش اجناس. در ادامه با ما باشید تا به این مهم رسیدگی کنیم.

برای شروع باید با معنای این دو کلمه آشنا شویم.البته لازم به ذکر است که توضیحات ارائه شده به صورت جامع می‌باشد و دلیل آن هم استفاده از سنسور‌های CCD و CMOS در تمامی تجهیزات عکس‌برداری، فیلم‌برداری و دوربین‌های مداربسته است.

تکنولوژی CCD (Charge-Coupled Devices) به شرح زیر هست:

ccd

CCD از دهها هزار عنصر تصویر (pixel) تشکیل شده است که بر روی یک chip (تراشه) نازک ۱٫۲″, ۱٫۳″, ۱٫۴″ هستند. هر پیکسل به نوری که روی آن می افتد واکنش نشان می دهد به وسیله ذخیره کردن بار الکتریکی بر روی شبکه های دقیق و ثبت کردن امواج افقی و عمودی که به وسیله سیگنال ها به سمت جریان ویدئویی حمل  می شوند.  این انتقال سیگنال ها هر ۶۰ مرتبه در ثانیه ظاهر می شوند.

 ظهور این تکنولوژی به سال ۱۹۶۰، زمانی که تلاش برای تولید حافظه های ارزان و در مقیاس بالا در حال انجام بود بر می‌گردد. در ابتدا استفاده از این تکنولوژی برای گرفتن تصویر به مخیله دانشمندانی که بر روی آن کار می کردند نیز خطور نمی کرد.
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 بعدا در تلسکوپ ها و وسایل تصویر برداری پزشکی مورد استفاده قرار گرفت. مدتها پس از این زمان بود که CCD در دوربین های دیجیتالی مورد استفاده عموم به فروشگاههای خیابانی راه پیدا نماید.
این وسیله نظیر چشم انسان ولی بصورت الکترونیکی کار می‌نماید. 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. 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.

شاترهای الکنریکی ccd chip ها نقش مهمی را در داشتن یک تصویر واقعی و خوب ایفا می کنند.

CMOS را به این صورت تعریف می‌کنند؛

cmos

 CMOS  مخفف عبارت ( Complementary Metal Oxide Semiconducter ) بوده ,  یک روش ساخت تراشه های الکترونیکی (IC) میباشد .
این چیپ‌ها ساده، کوچک و ارزان‌تر هستند ولی تمام مزایای چیپ CCD را دارا هستند در چیپ‌های CMOS تمام مدارات الکترونیکی فقط در داخل یک چیپ قرار می‌گیرند.
در اینجا کلیه مدارات الکترونیکی مثل مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال و مولد پالس ساعت در کنار مبدل تصویر به صورت یک چیپ کامل ساخته می‌شوند. دوربین‌های CMOS از نقطه نظر دریافت و تبدیل تصویر کاملا شبیه مبدل‌های CCD هستند ولی پس از تبدیل کاملا متفاوت از آنها هستند، در چیپ‌های CMOS شارژ هر کدام از پیکسل‌های تصویر مستقیما به تقویت کننده‌هایی که از نوع ترانزیستور‌های CMOS هستند، داده می‌شود. در برخی از چیپ‌ها، تقویت کننده‌ها درست در زیر پیکسل‌ها قرار گرفته اند، به همین دلیل به آنها پیکسلهای فعال Active Pixel گفته می‌شود. یکی از مشکلات چیپهای CMOS هماهنگی و تنظیم اطلاعات خروجی از تقویت کننده‌ها است که باعث نویز پذیری و اختلال در تصویر می‌شود.
از آنجاییکه سطح سنسوری که نور و تصویر را دریافت می‌کند کوچکتر از دوربین‌های CCD است، حساسیت آنها کمتر از دوربین‌های CCD ولی حجم و قیمت آنها باعث کاربرد روز افزون آنها شده است.
در سال ۱۹۹۸ سنسورهای CMOS بعنوان تکنولوژی 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 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. 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 گرانقیمت بکار خواهد رفت. 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. سنسور Faveon با ۱۶٫۸ مگاپیکسل (یعنی قدرت ایجاد تصاویری با وضوح ۴۰۹۶*۴۰۹۶ پیکسل) اولین سنسوری است که با استفاده از تکنولوژی ۰٫۱۸ میکرون ساخته شده است و یک پرش بزرگ را در صنعت ساخت سنسور تصویر CMOS ینام خود ثبت نموده است. استفاده از تکنولوژی ۰٫۱۸ میکرون امکان استفاده از تعداد بیشتری از پیکسل ها را در فضای فیزیکی معین فراهم کرده و بنابر این سنسوری با وضوح بالاتر به دست می‌آید. ( لازم به ذکر است چون از لحاظ فیزیکی تصویر ایجاد شده توسط لنز تصویری پیوسته بوده و بدون هیچگونه نقطه و ناپیوستگی می باشد، هر چه بتوان پیکسلهای سنسور را کوچک تر نمود و تعداد بیشتری از آنها را در ناحیه تشکیل تصویر قرار داد، می توان عکسی با وضوح بالاتر و نزدیکتر به تصویرحقیقی گرفت – مولف) ترانزیستورهای ساخته شده با استفاده از تکنولوژی ۰٫۱۸ میکرون کوچکتر بوده و فضای زیادی از ناحیه سنسور را اشغال نمی کنند که می توان از این فضا برای تشخیص نور استفاده نمود. این فضا بطور کارآمدی، امکان طراحی سنسوری را که دارای پیکسل های هوشمندتری بوده، و در حین عکس برداری تواناییهای جدیدی را بدون قربانی کردن حساسیت نوری به دوربین می دهد، فراهم می کند.
با استفاده از این تکنولوژی ۷۰ میلیون ترانزیستور و ۴۰۹۶*۴۰۹۶ سنسور، فقط در فضایی برابر با ۲۲mm*22mm قرار داده می شود و سرعت ISO آن برابر با ۱۰۰ بوده و محدوده دینامیکی آن ۱۰ استپ است!! انتظار میرود، بعد از ۱۸ ماه از تولید این سنسور استفاده از آن در وسایل حرفه ای نظیر اسکنرها، وسایل تصویری پزشکی ، اسکن پرونده ه و آرشیو موزه ها شروع شود. در آینده ای طولانی تر، انتظار می رود که این تکنولوژی بطور وسیعی در وسایل معمولی موجود در بازار استفاده گردد.

ویژگی‌ها و معایب

اگر نوشته بالا را به صورت کامل خوانده باشید، می‌توانید گوشه‌ای از ویژگی‌های هر کدام از این سنسورها را بشناسید، اما برای تجمیع، آنها را به صورت موردی می‌توانید ببینید؛

•    حساسیت CCD به نور بشتر از CMOS است . بنابراین عکس ها در شب (Night)  و داخل خانه (indoor) در دوربینهای CCD بهتر از CMOS   است

•    CCD نویزپذیری بسیار کمی دارد اما CMOS به نویز تصویر (اختلال تصویر) بسیار حساس است , که باعث شده یک پردازنده کامپیوتری مخصوص , جهت کاهش یا حذف نویز در دوربینهای CMOS تعبیه شود بنابر این زمان پردازش هر تصویر , طولانی تر از دوربین CCD خواهد بود

•    CMOS در مقایسه باCCD مصرف انرژی کمتری دارد که این یک ویژگی مهم برای کاربران دوربین های دیجیتال است . این دوربین ها در حدود ۳/۱ تا ۱۰/۱ دوربینهای معادل CCD انرژی مصرف می کنند .

•    تجهیزات الکترونیکی جانبی که برای یک دوربین لازم است میتواند به صورت مجتمع روی خود تراشه CMOS قرار داده شود . اما در مورد CCD به این صورت نیست و اضافه کردن تجهیزات برای کنترل نوردهی و تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال به صورت جداگانه صورت میگیرد . این عامل باعث میشود تا دوربین های مبتنی بر CMOS ارزانتر,  کوچکتر و سبک تر ساخته شوند.

•    به علت تفاوت در ساختار الکترونیکی دوربین های CMOS  , مشکل نورگیری بیش از حد تصویر (Over exposure) کمتر به وجود می آید .

در بحث تخصصی دوربین‌های مداربسته، مدل‌های که با سنسور CCD ساخته و پرداخته‌شده‌اند، نسبت به مشابه CMOS خود، قیمت گرانتری دارند.  در دوربین‌های آنالوگ، به دلیل کیفیت پایین تصاویر (حتی در مدل‌های به اصطلاح ۷۰۰ تی‌وی‌لاین) مدل CCD کارایی بالاتری دارد. تصاویر روشن‌تر و قابل‌قبول تر می‌باشند. و معمولاً مدل پیشنهادی ما هم از همین مدل می‌باشد.

برای مشاوره، طراحی و اجرای سیستم‌های امنیتی-نظارتی خود

با کارشناسان مجرب ما مشورت کنید.

شرکت فنی‌مهندسی بینا