معماری Ccd و Cmos

[infinity]

نمایش پستهای ارسال شده در این تاپیک (مانند سایر پستهای این بخش) منوط به تایید یکی از مدیران خواهد بود و شرط تایید پست یکی از این شروط است:

1- سوالی علمی مطرح کرده باشیم.
2- نتیجه گیری علمی و منطقی از سایر مطالب ارسالی به دست داده باشیم.
3- مطلبی علمی با ذکر کاملا صریح و دقیق منبع آن ارائه کرده باشیم:
___3-1- اگر منبع سایتی اینترنتی است، ارائه لینک صفحه مربوطه.
___3-2- اگر منبع کتاب است، لینک آن در سایت آمازون.
___3-3- اگر منبعی است که اثری از آن در اینترنت نیست، تصویر اسکن شده صفحات آن.

بعید می دانم در اینجا شوخی یا کَل کَل Nikon و Canon پیش بیاید، اما اگر چنین شود نتیجه مشخص است: عدم نمایش پست ارسالی بدون ارائه توضیح و عذرخواهی از طریق پیام خصوصی.

پس:
در ابتدا از تمام بزرگان و سرورانی که پستهای آنها نمایش داده نشود پوزش میخواهم

هدف تاپیک:
یکبار برای همیشه با CCD و CMOS آشنا شویم. علمی، نه تخیلی! (؟) و تبعات مثبت و منفی معماری هر یک را بدانیم.

نهایت سعی را خواهم داشت تا از خطای خودم و دیگران بپرهیزم و مطلب ناصحیح منتشر نشود. اما اگر چنین شد بدلیل خطاکار بودن بالقوه همه ما است! هرگاه متوجه شدیم مطالب را اصلاح می کنیم.
روی کمک دوستان (بخصوص دوستانی که تحصیلات کامپیوتر یا الکترونیک دارند و دوستانی که تسلط کافی به زبان انگلیسی دارند، حساب می کنم)
مطالب خودم نیز در حال آماده سازی است که بزودی ارسال می کنم.
با سپاس

[infinity]

CCD و CMOS در اواخر دهه 60 و اوایل دهه 70 میلادی اختراع شده اند.
کارایی CMOS به تکنولوژی لیتوگرافی موجود محدود بود و اجازه داد تا CCD برای 25 سال حکمفرما باشد.
استدلال اصلی که باعث شد تا CMOS بعنوان رقیبی برای CCD مطرح شود از این قرار بود: قابلیت تکنولوژی CMOS در انجام اکثر عملیات در داخل سنسور. این مهم مزایای فراوانی دارد که بعدا بدقت به آنها اشاره می کنم. ضمنا CMOS توان مصرفی کمتری نیاز دارد و به دلیل تجمع و کوچک سازی بیشتر باعث کوچکتر شدن کل سیستم ثبت تصویر است.
در هر دو تکنولوژی در هر پیکسل فوتون به الکترون تبدیل می شود.

در CCD در نودِ (Node) خروجی، شارژ به ولتاژ تبدیل می شود.
اما در CMOS در خود هر پیکسل، شارژ به ولتاژ تبدیل می شود.

بنظرم (تا این لحظه و با اطلاعات موجود در ذهنم!) این اساسی ترین دلیل سادگی نسبی چالش نویز در CMOS در مقایسه با CCD است.

منبع:

http://www.dalsa.com/shared/content/pdfs/CCD_vs_CMOS_Litwiller_2005.pdf

=================

یکنواختی (uniformity) خروجی در CCD بیش از CMOS است. واژه ای که باید تعریف شود و من تعریف درستش را نمی دانم. فقط می دانم فاکتوری کلیدی در کیفیت تصویر حاصل است.

نکته مهم: در اغلب سنسورهای CMOS ( آیا شامل سنسورهای Canon نیز می شود ؟ ) امپلی فایر، تصحیح کننده نویز و دیجیتایزر در خود سنسور هستند و در نتیجه خروجی سنسور، بیت های دیجیتال است. این فانکشن ها پیچیدگی طراحی را افزایش داده و فضای قابل دسترسی برای کپچر کردن نور را کاهش می دهند. توضیحات دقیق تر را در اینجا بخوانید:

http://www.dalsa.com/shared/content/Photonics_Spectra_CCDvsCMOS_Litwiller.pdf

[infinity]

این مصاحبه 7 صفحه ای را بخوانید، بسیار مفید است. بعدا بخشهایی از آن را برای دوستانی که حوصله خواندنش را ندارند یا با زبان انگلیسی مشکل دارند نقل قول می کنم.

http://www.canon.com/technology/interview/eos/eos_p1.html

[infinity]

30 صفحه White Paper (فارسیش چی میشه ؟) که Canon درباره تکنولوژی CMOS خودش منتشر کرده است.
دانلود کنید به سایز 1 مگابایت:

http://www.robgalbraith.com/public_files/Canon_Full-Frame_CMOS_White_Paper.pdf

مطلب فوق ارزشمند ترین مطلبی است که دیده ام از Canon منتشر شده است. اگر دوستان مطلبی مشابه از SONY یا Kodak یا هر کمپانی دیگر پیدا کردند، حتما معرفی کنند.

[infinity]

مقایسه ویژگی ها و کارایی دو تکنولوژی CCD و CMOS

1- سیگنال بیرون از پیکسل در CCD بصورت بسته (Packet) الکترون است و در CMOS ولتاژ است.
2- سیگنال بیرون از چیپ (مجموعه ای که تصویر آنرا دیده ایم و آنرا سنسور می نامیم) در CCD بصورت ولتاژ است و بنابراین هنوز در فضای آنالوگ است. اما در CMOS بصورت مجموعه ای از بیت ها است. (دیجیتال)
3- پیچیدگی مدارات دیجیتالی مورد نیاز CCD بیش از CMOS است.
4- پیچیدگی طراحی خود سنسور در CMOS بیش از CCD است.
5- واکنش سنسور در CMOS بهتر از CCD است.
6- دینامیک رنج CCD از CMOS بهتر است.

منبع:

www.dalsa.com

[infinity]

چه جالب !
مطالب تکان دهنده ای درباره نویز در صفحه 17 مقاله منتشر شده توسط Canon وجود دارد که بعضی ها ممکن است بعد ها بگویند: "ما خودمان از اول می دانستیم" ، ولی من که نمیدانستم! شاهدش هم پست دوم همین تاپیک. ویرایشش نمی کنم تا مدرکی بر بیسوادی ام باشد چون اصولا بیسوادی را عیب و عار نمی دانم، بلکه بیشتر دوست دارم تا بیسواد نمانم. البته اصل نتیجه گیری من در پست دوم صحیح است. عدم تجمع امپلی فایر و دیجیتایزر در داخل CCD و انتقال آنها به سیستم بیرون یکی از عوامل تولید نویز در سیستمهای مبتنی بر CCD است. بخشی که اشتباه بود این بود که فکر می کردم CMOS اساسا و بعبارتی از بیخ! کم نویز تر است که خواهیم دید چنین نیست.

خیلی حاشیه رفتم، ببخشید.

بله مطلبی که تکان دهنده بود از این قرار است:

یکی از اشکالات عمومی CMOS ها تولید نویز الکتریکی بیشتر در مقایسه با CCD است که می تواند کیفیت بد تصویر را نتیجه دهد. (جل الخالق!)

نوسانات الکتریکی اجتناب ناپذیری در کارکرد میلیون ها فتودیود و امپلی فایر مجتمع در یک سنسور CMOS وجود دارند و این نوسانات بسیار کوچولو در کارکرد این بخشها است که باعث ایجاد نویز در تصویر خروجی می شود.

Canon برای غلبه بر این مشکل دست به ابتکاری جالب زده است: نویز هر پیکسل را قبل از اکسپوژر ضیط می کند و بطور اتوماتیک از نویز ایجاد شده در تصویر کم می کند!
اتصال این سیستم درست در پشت هر پیکسل سیگنالی تقریبا عاری از نویز را نتیجه می دهد.
این مدار فقط می تواند به CMOS افزوده شود و نمی توان آنرا به CCD افزود! (اینجاست که CMOS کم نویزتر می شود) بدلیل تفاوتهایی که در معماری آن دو وجود دارد.
Canon همچنین معماری سه ترانزیستوری (یک فتودیود، یک امپلی فایر پیکسل MOSFET و یک سوییچ Reset برای آماده سازی فتودیود جهت شارژ اپتیکال) پیکسلهای CMOS را دگرگون کرده است و از پیکسلهایی با چهار ترانزیستور بهره می برد.

ادامه دارد...

[بهرنگ]

با تشکر کامل ازشما عزیز جناب استاد هادی هژیرآذر من تا حدودی که متوجه شدم در کل cmos حالا تا حدودی ترجیح اول است.ولی خواهشی از شما دارم ایا کمپانیها بسوی cmos می روند مانند d200 d3 a700 وتقریبا اکثر دوربینهای کانون یا باز هم در dslr های حرفه ای از ccd استفاده خواهد شد؟ و در این میان سوال اساسی من مطرح میشود. یعنی توضیحی در مورد سنسورهای جدید شرکت محبوب من ماسوشیتا که توسط 4 شرکت حمایت میشه یه چیزهایی میدونم ولی کامل نه ایا اینده ای برای این سنسورها متصورید .چون ترکیبی از محاسن دو تاست و یه توضیح در مورد معماری اونها بدید ممنون میشم.با تشکر دگر بار.

[infinity]

جناب پاشایی
من حتی شاگرد خوب هم نیستم. چه رسد به اینکه استاد باشم
اگر بخواهید از این القاب بکار ببرید، ارسال پست برای من سخت میشه

در این لحظه درباره سنسورهای ماتسوشیتا الکترونیک هیچی نمی دانم. مگر به لطف اینترنت یا دوستانی که در این باره از من آگاه ترند چیزی یاد بگیرم و برای اصلاح و تکمیلش در اینجا مطرح کنم.

در مورد Canon پیش بینی من این است که CMOS محوریت دارد چون بیشتر سرمایه گذاری علمی Canon تابحال روی CMOS بوده است. اما در دنیای علم و تکنولوژی و اختراعات اتفاقات پیش بینی نشده زیادی رخ داده. شاید مثلا سونی تحولی عظیم در CCD ایجاد کرد یا نیکون تحولی عظیم در طراحی مدارهایی که CCD در آنها بکار می رود ایجاد کرد و به نتیجه رسیدیم که CCD در دوربین های حرفه ای فراگیرتر خواهد شد.

هر دو تکنولوژی معایب و محاسنی دارند و هدف این تاپیک اول آشنایی با معماری آنها و بعد بررسی پارامترهای مثبت و منفی است. پس بحث ترجیح در این تاپیک مطرح نیست که بعنوان مثال در نهایت بخواهیم نتیجه بگیریم که چون سنسور x از y بهتر است پس دوربین a که از سنسور x استفاده کرده از دوربین b با سنسور y بهتر است.

پ.ن: فراموش کرده بودم بگم وقتی در این تاپیک پستی را ارسال می کنید، دیده نمی شود (تا زمانی که توسط یکی از مدیران تایید شود). پس لطفا پست را دوبار ارسال نکنید، مشکلی در کار نیست. ممنون.

[bf]

یا کمپانیها بسوی cmos می روند مانند d200 d3 a700 وتقریبا اکثر دوربینهای کانون یا باز هم در dslr های حرفه ای از ccd استفاده خواهد شد؟

در مورد Canon پیش بینی من این است که CMOS محوریت دارد چون بیشتر سرمایه گذاری علمی Canon تابحال روی CMOS بوده است. اما در دنیای علم و تکنولوژی و اختراعات اتفاقات پیش بینی نشده زیادی رخ داده. شاید مثلا سونی تحولی عظیم در CCD ایجاد کرد یا نیکون تحولی عظیم در طراحی مدارهایی که CCD در آنها بکار می رود ایجاد کردو به نتیجه رسیدیم که CCD در دوربین های حرفه ای فراگیرتر خواهد شد.

خوب اگر میخواهید این تکنولوزی ها را بشناسید در واقع باید از تکنولوزی ساخت شروع کنید نه یک محصول خاص
سپس با توجه به خصوصیات هر محصول میتوانید پیشبینی های لازم را به عمل بیاورید

سنسور dslr بزرگ است
تولید با تیراز کم صورت میگیرد
نیاز به تکنولوزی ساخت مدرن ندارد
جواب میشود old retired cmos process!

اگر موفق به درک مهندسی این سه جمله شدید آنوقت ابزار لازم را کسب کرده اید

[infinity]

توان مصرفی برای کارکرد سنسور CCD در سایز 1.8/1 اینچ 1.5 برابر و در سایز APS-C بیش از دو برابر و در سایز فول فریم در حدود 3 برابر توان مصرفی سنسور معادل با تکنولوژی CMOS است.
نکته مهم اتخاذ تمهیدات لازم برای تامین این توان (باتری مناسب دوربین) نیست؛ بلکه توان بیشتر گرما و نویز بیشتر می آفریند.
CCD در زمانهای طولانی شاتر مصرف افزوده دارد (دلیلش در مقاله ذکر نشده) که نتیجه گرما و نویز افزوده است.
در دوربین هایی با سنسور CCD و کاربرد تخصصی در علوم، تمام این مشکلات از طریق تامین منبع تغذیه مناسب و خنک کردن بوسیله مایعات یا تکنولوژی Thermoelectric (؟) با تامین هزینه مناسب و قبول پیچیدگی طراحی و افزایش وزن مجموعه حل شده است.
در دوربین های مورد استفاده عموم مردم، بکارگیری سنسور CMOS یعنی باتری کوچکتر و سبکتر با زمان شارژ کوتاهتر و زمان کارکرد طولانی تر.

چون سنسورهای CMOS برای هر فتودیود یک مبدل جهت تبدیل شارژ الکتریکی به ولتاژ دارند، اطلاعات هر سطر از فتو دیودها می توانند بطور جداگانه خوانده شوند و چندین کانال دیتا همزمان اطلاعات سنسور را خوانده و به بافر سیستم می فرستند.

در دو پست قبل تر عرض کردم CMOS اصولا نویزی تر است و البته Canon راه حلی قابل قبول برای کنترل نویزش پیدا کرده و اشاره شد که نویز را قبل از اکسپوژر اندازه می گیرید و سپس از حاصل نهایی کم (تفریق منطقی دو ماتریس) می کند. این تمام داستان نیست و همین هم به این سادگی نیست و تمام منشا ایجاد نویز کنترل نشده است. در پست بعدی ام، Canon دقیقا متد این کار را شرح می دهد. (صفحات 17 و 18 و 19 مقاله)


منبع:

http://www.robgalbraith.com/public_files/Canon_Full-Frame_CMOS_White_Paper.pdf

پ.ن: من در آنچه که فیلد تخصصی ام هست، مدعی نیستم. وای به آنچه که در تخصصم نیست. بنابراین فقط در حد توانم دارم سعی می کنم. دوستان متخصص اگر مایل به همکاری هستند خیلی لطف می کنند تا موضوع را به هر شکل و از هر جا که صلاح می دانند تشریح کنند (با زبانی قابل فهم برای همه)