Nederlands
Menu

CMOS-beeldsensor versus CCD: uitlezing, snelheid en toepassingen vergeleken

Beide sensoren zetten licht in elk pixel om in lading, maar de lading wordt op een andere manier uitgelezen. Een CCD verschuift de lading van pixel naar pixel tot aan één uitgangsversterker. Een CMOS-sensor zet de lading in elk pixel om in spanning en leest veel pixels parallel uit. CMOS-sensoren zijn goedkoper, sneller en zuiniger, en ADC en beeldverwerking kunnen op dezelfde chip worden geplaatst, waardoor ze de CCD in de meeste consumentenproducten hebben vervangen.

KenmerkCMOS-beeldsensorCCD-beeldsensor
UitlezingElk pixel heeft een versterker en de signalen worden parallel uitgelezen (vaak met een ADC per kolom)De lading wordt van pixel naar pixel verschoven naar één of enkele uitgangsversterkers
FabricageStandaard CMOS-achtig proces, te maken in gangbare halfgeleiderfabriekenSpeciaal proces voor ladingstransport
Functies op de chipADC, timingschakelingen en beeldverwerking kunnen worden geïntegreerd. Bij gestapelde sensoren ook logica en geheugenVrijwel alleen de sensor. De randschakelingen zitten op aparte chips
VermogensverbruikLaagHoog. Voor ladingstransport zijn snelle kloksignalen en meerdere voedingsspanningen nodig
Snelheid (framerate)Hoog. Parallelle uitlezing is mogelijkLager. Beperkt door serieel transport
Ruis en uniformiteitVroeger slechter, maar met pinned photodiodes en correlated double sampling nu gelijkwaardig of beterVan oudsher weinig ruis en kleine pixelvariatie
SluiterRolling shutter is gebruikelijk (snelle objecten lijken vervormd). Varianten met global shutter vereisen extra schakelingen in het pixelBij veel typen is global shutter vanzelfsprekend mogelijk
Blooming en smearTreedt minder snel opTreedt sneller op. Overtollige lading loopt over naar naburige pixels
KostenLaag. Geschikt voor massaproductieHoger
Belangrijkste toepassingenSmartphones, digitale camera's, auto-camera's, webcamsWetenschappelijke en astronomische camera's, sommige industriële, medische en ruimtevaarttoepassingen

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

CMOS
Tegenwoordig vrijwel alle toepassingen: smartphones, camera's, auto's, beveiligings- en industriële camera's. Goedkoop, snel en flexibel, en backside-illuminated en gestapelde sensoren verhogen gevoeligheid en snelheid.
CCD
Speciale situaties waarin de lange staat van dienst met weinig ruis en hoge uniformiteit telt, zoals bepaalde wetenschappelijke, astronomische en ruimtevaartinstrumenten.

Veelgestelde vragen

Waarom heeft CMOS de CCD vervangen?

CMOS-sensoren zijn goedkoper, sneller en zuiniger, en ADC en beeldverwerking kunnen op dezelfde chip worden geplaatst. Doordat ruis en gevoeligheid zijn verbeterd, is het grootste voordeel van de CCD verdwenen.

Wat is een rolling shutter?

Bij een rolling shutter worden de rijen van een CMOS-sensor na elkaar uitgelezen, waardoor snel bewegende objecten vervormd lijken. Bij een global shutter worden alle pixels tegelijk belicht, maar dan moet elk pixel extra schakelingen hebben.

Worden CCD's nog gebruikt?

Ja. Ze worden gebruikt in sommige wetenschappelijke, astronomische, industriële en ruimtevaartopnamen, waar de lange staat van dienst met weinig ruis en hoge uniformiteit telt.

Wat is blooming?

Verschijnsel waarbij de lading van een heldere pixel overloopt naar naburige pixels. Het komt bij CCD's vaker voor dan bij CMOS-sensoren.

Test uw begrip

Welke uitspraak over een algemeen kenmerk van CMOS-beeldsensoren ten opzichte van CCD-beeldsensoren is juist?

  1. ADe lading van pixels wordt achtereenvolgens overgedragen en op één uitleesplaats uitgelezen
  2. BRandschakelingen zijn gemakkelijk op dezelfde chip te integreren en het vermogensverbruik is laag
  3. CHet CMOS-proces kan niet voor de productie worden gebruikt
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Randschakelingen zijn gemakkelijk op dezelfde chip te integreren en het vermogensverbruik is laag

Een CMOS-beeldsensor heeft per pixel een versterkertransistor en kan met een gangbaar CMOS-proces worden gemaakt, dus AD-omzetters en beeldverwerkingsschakelingen zijn gemakkelijk op dezelfde of een gestapelde chip te integreren, de spanning en het vermogen zijn laag en het uitlezen is snel. Een CCD leest de lading uit door deze achtereenvolgens over te dragen en op één uitleesplaats uit te lezen; het ruisniveau is laag, maar er zijn een hoge aandrijfspanning en een speciaal proces nodig, en tegenwoordig is CMOS de hoofdstroom.

Welke uitspraak over de uitleesmethode voor signalen van CCD-beeldsensoren is juist?

  1. ADe lading van pixels wordt als in een emmerketen achtereenvolgens overgedragen en bij de uitgang omgezet in spanning
  2. BElke pixel wordt met een eigen versterker in spanning omgezet en rij voor rij uitgelezen
  3. CLicht wordt rechtstreeks omgezet in een digitaal signaal
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. De lading van pixels wordt als in een emmerketen achtereenvolgens overgedragen en bij de uitgang omgezet in spanning

Bij een CCD wordt de in pixels opgeslagen lading als in een emmerketen overgedragen door de spanningen van de elektroden achtereenvolgens om te schakelen, en wordt hij door één versterker bij de uitgang omgezet in spanning. De overdrachtsefficiëntie is met 99,999% of meer zeer hoog en er is één uitgangsversterker, dus de spreiding tussen pixels is klein en de ruis laag. Er zijn echter een aandrijfspanning van 10 V of meer en een speciaal proces nodig, het vermogensverbruik is hoog en het uitlezen is langzaam, dus CCD is op enkele uitzonderingen zoals astronomische waarneming na vervangen door CMOS.

Waarom worden snel bewegende onderwerpen vervormd weergegeven bij de rolling-shuttermethode van CMOS-beeldsensoren?

  1. AOmdat de timing van belichting en uitlezen per rij verschilt
  2. BOmdat alle pixels tegelijk worden belicht
  3. CVanwege het patroon van de kleurenfilters
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Omdat de timing van belichting en uitlezen per rij verschilt

Bij de rolling-shuttermethode worden pixels rij voor rij achtereenvolgens belicht en uitgelezen, dus de opnametijd van de bovenste en de onderste rij verschilt enkele ms tot enkele tientallen ms. Daardoor worden snel bewegende onderwerpen schuin vervormd en wordt het flikkeren van tl-licht strepen. Bij de global-shuttermethode, waarbij alle pixels tegelijk worden belicht, ontstaat geen vervorming en wordt die gebruikt in inspectiecamera's voor de industrie en in voertuigen, maar er is een schakeling in de pixel nodig om de lading tijdelijk vast te houden, waardoor de pixel groter wordt.

  1. Wat is het doel van correlated double sampling (CDS), dat bij het uitlezen van CMOS-beeldsensoren wordt gebruikt?
  2. Welke uitspraak over een gestapelde CMOS-beeldsensor is juist?
  3. Welk voordeel van een CMOS-beeldsensor met achterzijdebelichting (BSI) is juist?

Oefenvragen over Beeldsensoren en optische componenten

Belangrijke termen uitgelegd

CMOS-beeldsensor
Beeldsensor met een versterkerschakeling per pixel, vervaardigd in een CMOS-proces. Verbruikt weinig stroom en laat integratie van randschakelingen toe; de standaard in onder meer smartphonecamera's.
CCD-beeldsensor
Beeldsensor die de lading van de pixels als in een emmerketting achtereenvolgens doorgeeft en bij de uitgang in spanning omzet. Had weinig ruis en een hoge beeldkwaliteit, maar verbruikt veel stroom en is voor veel toepassingen vervangen door CMOS.
Gestapelde CMOS-beeldsensor (stacked)
Beeldsensor waarbij het pixelgedeelte en de signaalverwerkingsschakeling op afzonderlijke chips worden gemaakt en op elkaar worden gebonden. Elk kan een eigen geschikt proces gebruiken, zodat de chip kleiner en de verwerking sneller wordt.

Verwante vergelijkingen