----------------------------------- romh 27 Mar 2023 01:54 ----------------------------------- Am observat multi nori si multa ceata weekendul asta CCD vs CMOS Incerc sa fac o mica paralela parafrazand unele lucruri pe care le-am citit sau vazut sumar online, referinte sunt dedesubt. Incerc sa fac asta in special pentru mine. Luatul de notite, pe mine asta ma ajuta uneori, asa ca nu imi saritii in cap daca gresesc ceva ci corectati-ma. Principiul fundamental Principiul fundamental pare sa fie efectul fotoelectric. Fenomenul consta in emisie de electroni atunci cand fotonii bombardeaza un semiconductor. Explicatia este ca fotonul ajunge la orbitalul unui electron si il excita, iar acel electron paraseste atomul. Efectul Compton e un alt fenomen utilizat. In linii mari inseamna ca de la o anumita energie incolo, un electron bombardat de un foton, va emite la randul lui un alt foton cu alta energie. Istoric Termenul CCD a aparut prima data in niste experimente din anii 70… ca mai toata tehnologia noastra de azi. Inventatorii au primit premiul Nobel. Mare surpriza. CMOS a cunoscut aprecieri in anii 90 cand se doreau sensori low cost, cu randament mare, cu procesare pe chip, printre multe altele si pentru aplicatii spatiale. Aptina Imaging este una dintre companiile mentionate in istoria acestei tehnologii. Alti termeni intalniti in acelasi context: gropi de potential, fotodetectori MOS-C, fotodetectori cu jonctiuni p-n si transistori MOSFET. Nu am pregatire de electronist, as fi vrut, dar o sa incerc sa aprofundez acesti termeni. Momentan ma intereseaza doar cunostintele high-level. Zgomotul Studierea zgomotului a devenit importanta cand a fost introdusa nevoia de a prelua citiri repetate de la acesti sensori optici pentru a forma un film video. Raportul Signal-To-Noise sau SNR este raportul dintre semnalul dorit si nivelul de zgomot existent, definit prima data in “Fundamentals of Low-Noise Analog Circuit Design” de W. Marshall Leach. In aceasta lucrarea zgomotul e definit in special ca eroarea medie patratica. Sunt definite deasemenea mai multe tipuri de zgomot: termic, shot-noise, rts noise, flickering noise, burst noise. Zgomotul termic apare atunci cand energia termica determina electronii liberi sa se miste aleatoriu intr-un material rezistiv. Un astfel de zgomot este uniform distribuit, zgomot alb. Shot noise este generat atunci cand curentul trece printr-o bariera de potential atunci cand curentul fluctueaza aleatoriu peste valoarea medie. Apare in tuburi cu vacuum si semiconductori. In general se modeleaza cu o distibutie normala, zgomot alb. Flickering noise este generat de contactul imperfect dintre doua materiale conductive. Se mai numeste zgomot de contact si apare in switchuri, potentiometre, releuri, rezistori. Acest zgomot apare la frecvente mici. Burst noise e cauzat e o impuritate metalica, defect de productie in jonctiuni p-n. Cand acest zgomot e amplificat si reprodus seamana cu sunet de popcorn. Amplitudinea este de 2 pana la 100 ori mai mare decat zgomotul termic. Insumand toate aceste tipuri de zgomot lucrarea de mai sus defineste raportul SNR ca fiind o formula complexa care contine toate cele discutate mai sus. CCD Cel mai folosit tip de senzor in aplicatiile stiintifice si industriale din anii 80 incoace. Este o matrice formata din celule fotosenzitive. In timpul expunerii, avem un numar de electrozi in contact insulat cu un semiconductor. Sarcina pozitiva a unui electrod determina acumulare de sarcini negative pe semiconductor. Daca electrozii vecini devin pozitivi, aceasta sarcina electrica a celulei poate fi transferata mai departe. Acesta este principiul unui ccd shift register in care fiecare electrod conecteaza un rand de celule/pixeli fotosensitive. Sarcina electrica de la fiecare fotocelula e transferata la capatul randului catre un registru. Sarcina e transferata mai intai vertical apoi orizontal in cazul CCD interline, dar in cazul CCD ortogonal, sarcinile pot fi transferate in ambele directii. Acest registru transfera mai departe sarcina la un convertor ADC. Acest tip de sensori are nevoie de un shutter, obturator care sa se inchida cat timp are loc transferul sarcinilor catre adc. Cred ca mosul din filmuletele youtube explica mult mai bine asta. O celula CCD contine nu doar elementul fotosensitiv dar si orice element de circuit necesar pentru a transfera sarcina mai departe. Prin urmare suprafata sensitiva (alba in poza) e doar o fractiune din suprafata celulei. Raportul suprafata sensitiva / suprafata totala este numit fill factor. Mosul spune ca pt interline CCD acest raport este 30% doar. In alte surse am gasit ca pt alte tipuri de CCD acest raport este 100% . Poate ca lucrurile sunt mai complicate cand iei fiecare tip de ccd in parte. Acestea sunt probabil lucruri scrise in fisa tehnica a senzorului. https://drive.google.com/file/d/1Ofo_cyS58QsEVLIkb9ZgO6Q7ZCjTR0jw/view?usp=share_link Pentru a compensa fill factor, deasupra fiecarei celule este lipita o microlentila care sa stranga mai multa lumina. Dupa tipul iluminarii se impart in CCD iluminate front-side sau back-side in functie de incidenta luminii de la scena observata. Sensori back side se folosesc cand se doreste observarea anumitor lungimi de unda(<400 nm), adica lumina trece prin niste filtre mai intai. Eficienta cuantica, am tot auzit pe aici acest termen. QE = nr fotoni absorbiti/ nr fotoni incidenti si am gasit pe net ca QE = (1-R) * e ^CMOS Format deasemenea dintr-o matrice de celule fotosensibile cu niste microlentile deasupra si o lentila mare deasupra sensorului. Folosit initial in aplicatii low cost, low performance a fost impins de cererea de piata sa imbunatateasca treptat rezolutia si fps. Rezolutia a fost imbunatatita pe seama dimensiunii pixelilor. Pixelii au ajuns la dimensiuni comparabile cu dimensiunea minima, ceva legat de lentila mare si airy pattern si rezolutia minima. Pentru o lentila a camerei cu focala de 2.8mm am avea o limita optica cu pixeli de cel putin 3 micrometri. Nu inteleg de unde s-a luat formula aia dar nici nu imi este necesar acum. Pixelii la unele camere mobile au ajuns la dimensiunea unui micrometru. Pierderea in contrast din cauza dimensiunilor ofera oportunitati pt oversampling si alti algoritmi. Ca si ceilalti sensori sunt front side illuminated si back side din aproape aceleasi motive. Contine 3 transistori per celula cel putin. Din cauza ca se transfera tensiune si nu sarcina, performanta este mai buna. Din cauza ca avem circuite cu intrerupatoare si reset, intrerupatoarele se inchid/deschid, nu mai este nevoie de un shutter global, ci fiecare rand este citit consecutiv, dand efectul de rolling shutter, corectat prin filtre si alte artificii. Fiecare celula contine mai mult material insulant intre microlentila si fotosenzor decat ccd, prin urmare, doar liniile normale la senzor vor pierde lumina minima. La capatul fiecarui rand exista un convertor analog-digital (adc). Folosirea multor elemente/rezistoare/adc aduc zgomot in circuit. Din cauza ca se foloseste cate un adc per randi, este posibil ca intensitatea unor pixeli sa nu fie conforma cu realitatea din cauza diferentelor de calitate. Amp glow in imagini este un efect caracteristic camerelor cmos. Pixel 6a Dupa aceasta mica introducere, nu e de mirare ca telefonul meu are un sensor cmos IMX378, ca de fapt toate aplicatiile mobile comerciale cred. Din ce citesc pe net din foarte putine surse, acest sensor este de tip Stacked BSI cmos. BSI inseamna backside illuminated. Stacked este reprezentat cel mai bine in poza urmatoare https://drive.google.com/file/d/1WjIZcD-DbsYDGGPkCF155a6SXsoPWXCX/view?usp=sharing Adica Sony a reusit tehnologic sa mute circuitele pe un substrat inferior astfel incat sa obtina probabil 100% fill rate. Familia asta de camere a numit-o Exmor si nu e de mirare ca reuseste sa fotografieze stele in 4 minute. Diferentele intre outputul la adc-uri plus sumedenia de filtre ar putea sa explice unele diferente de pixeli din pozele mele. Si acest tip de ADC daca citesc corect din specificatii are 10 biti :( . Dar per total pare un sensor foarte ok. Din ce am vazut pe net, nu am cum sa imi cumpar camera ccd pentru ca sunt foarte scumpe. Camerele foto cu dslr la fel sunt cel putin 200 euro si au un overhead de mentenanta si grija de care nu vreau sa imi bat capul acum. Am cumparat, mai mult din curiozitate, o camera IMX 415. A costat 40 euro pe aliexpress, inca nu a ajuns, asta daca nu o sa-mi traga tzeapa cineva din china. M-am gandit ca daca este un numar mai mare trebuie sa fie mai buna :) . Se pare ca face parte dintr-o serie de camere pe care sony o numeste Starvis si face parte din familia Exmor adica Stacked BSI Cmos. Din nestiinta am selectat 16mm la dimensiunea lentilei. Daca nu o sa fie utila la astro, sunt sigur ca o sa fie utila la alte proiecte. As putea sa am probleme la drivere si interfete… Mai jos niste poze cu camera esp32 model ov2640 produsa de Omnivision, pozele luate cu microscopul 1000x optic... Nu am reusit sa ajung la nenorocitii de pixeli. Patratelele din ultima poza sunt grilajul de pe pelicula de calibrare de dimensiune 0.1 mm x 0.1mm https://drive.google.com/file/d/1ednbZYmFfH7dHxNT-wg0E3hfQq1Nn-_Q/view?usp=drivesdk https://drive.google.com/file/d/1enK0Q3ceyQxL8iCaI21ebovArCIakXz4/view?usp=drivesdk https://drive.google.com/file/d/1ebc4fn-QgwfQ62i7_Y5rAmePl2az6BlJ/view?usp=drivesdk https://drive.google.com/file/d/1eHDcwakZOsQ1OxpupYNcP0UiAd1aYSNG/view?usp=drivesdk https://drive.google.com/file/d/1eFaSBV7DE1ABcgvZthzPV0FfPElPKcR7/view?usp=drivesdk https://drive.google.com/file/d/1et9UbxR8itApn-XTX-rTdtuJiC2fSF1v/view?usp=drivesdk https://drive.google.com/file/d/1eh-toiSAvqv5nh-3G1_LNR0q4he5j0ci/view?usp=drivesdk https://drive.google.com/file/d/1eeXe8545ATn1DYgnwuck0c__jv4OH0EO/view?usp=drivesdk Surse: High Performance Silicon Imaging, Daniel Durini Janesick J. Scientific Charge-Coupled Devices SPIE Press Monograph PM83 2001 Fundamentals of Low-Noise Analog Circuit Design W. Marshall Leach IEEE 1994 https://youtu.be/nxUDHcZl1uo https://www.youtube.com/watch?v=vpybs-LxmyA https://www.youtube.com/watch?v=nzR8Y8BCLns&feature=youtu.be https://www.xda-developers.com/sony-imx378-comprehensive-breakdown-of-the-google-pixels-sensor-and-its-features/ https://www.sony-semicon.com/en/feature/2022092101.html