مقایسه CMOS و CCD در ماژول‌های دوربین: کدام یک برتری دارد؟

ساخته شده در 10.13

هر عکس خیره‌کننده یا ویدیوی روانی که از گوشی هوشمند، دوربین امنیتی یا دوربین دیجیتال خود می‌گیرید، با یک جزء کوچک اما قدرتمند آغاز می‌شود: حسگر تصویر. به عنوان "چشم" یکماژول دوربین، این نور را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کند و پایه‌گذار کیفیت تصویر است. دو فناوری غالب برای دهه‌ها چشم‌انداز حسگر تصویر را شکل داده‌اند: CMOS (نیمه‌هادی اکسید فلزی مکمل) و CCD (دستگاه جفت‌شده بار).

اگر شما یک علاقه‌مند به فناوری، یک تولیدکننده دوربین، یا به سادگی کسی هستید که در حال خرید یک دستگاه با دوربین عالی است، درک تفاوت‌های بین CMOS و CCD بسیار مهم است. این راهنما مکانیک‌های اصلی، نقاط قوت و ضعف کلیدی و موارد استفاده ایده‌آل آن‌ها را تجزیه و تحلیل می‌کند—به شما کمک می‌کند تا تصمیمات آگاهانه‌تری بگیرید یا دانش فنی خود را عمیق‌تر کنید.

CMOS و CCD حسگرهای تصویر چیستند؟

قبل از اینکه به مقایسه‌ها بپردازیم، بیایید روشن کنیم که هر حسگر چیست و چگونه کار می‌کند. هر دو CMOS و CCD به یک هدف می‌رسند—ضبط نور و تبدیل آن به داده‌های دیجیتال—اما طراحی‌ها و روندهای کاری آن‌ها به طور قابل توجهی متفاوت است.

1. CCD (دستگاه جفت‌شده بار)

توسعه یافته در دهه 1960، CCD برای دهه‌ها استاندارد طلایی حسگرهای تصویر بود، به ویژه در عکاسی حرفه‌ای و نجوم. در اینجا نحوه کار آن آمده است:

• گرفتن نور: زمانی که نور به حسگر CCD برخورد می‌کند، با لایه‌ای از فوتودیودها (نیمه‌هادی‌های حساس به نور) تعامل می‌کند. هر فوتودیود فوتون‌های نوری را به بارهای الکتریکی تبدیل می‌کند، به طوری که مقدار بار متناسب با شدت نور است (نور روشن‌تر = بار بیشتر).

• انتقال بار: بر خلاف سایر حسگرها، CCD از مکانیزم "انتقال بار" برای جابجایی این بارهای الکتریکی استفاده می‌کند. بارها به صورت متوالی و به شیوه‌ای مشابه به عبور سطل‌های آب در یک خط، به سمت یک تقویت‌کننده خروجی واحد جابجا می‌شوند.

• تبدیل سیگنال: تقویت‌کننده خروجی بار انباشته شده را به یک سیگنال ولتاژ تبدیل می‌کند، که سپس توسط یک مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) خارجی به داده‌های تصویری دیجیتالی تبدیل می‌شود.

این انتقال متوالی اطمینان حاصل می‌کند که در مدیریت شارژ ثبات وجود دارد، که به طور تاریخی به CCD برتری در کیفیت تصویر داده است—به ویژه در نور کم و دامنه دینامیکی.

2. CMOS (نیمه‌هادی اکسید فلزی مکمل)

تکنولوژی CMOS بعداً (در دهه 1990) ظهور کرد اما به سرعت به دلیل سازگاری آن با تولید نیمه‌هادی‌های مدرن مورد توجه قرار گرفت. اکنون این تکنولوژی رایج‌ترین حسگر در دستگاه‌های مصرفی مانند گوشی‌های هوشمند و دوربین‌های دیجیتال است. در اینجا روند کار آن آمده است:

• گرفتن نور: مشابه CCD، CMOS از فوتودیودها برای تبدیل نور به بارهای الکتریکی استفاده می‌کند.

• پردازش روی چیپ: تفاوت کلیدی در نحوه پردازش بارها نهفته است. هر پیکسل در یک حسگر CMOS دارای تقویت‌کننده کوچک خود (یک ترانزیستور) و اغلب یک مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) است. این بدان معناست که بارها به طور مستقیم در سطح پیکسل به ولتاژ تبدیل می‌شوند، به جای اینکه از طریق حسگر منتقل شوند.

• خوانش موازی: از آنجا که هر پیکسل سیگنال خود را به طور مستقل پردازش می‌کند، CMOS می‌تواند داده‌ها را به طور همزمان از چندین پیکسل بخواند (خوانش موازی). این امر سرعت ضبط تصویر را افزایش می‌دهد و مصرف انرژی را در مقایسه با انتقال متوالی CCD کاهش می‌دهد.

تفاوت‌های کلیدی بین حسگرهای CMOS و CCD

برای درک اینکه کدام حسگر برای نیازهای شما بهتر است، بیایید آنها را در ۷ عامل حیاتی مقایسه کنیم: کیفیت تصویر، مصرف انرژی، هزینه، سرعت، اندازه، دوام و عملکرد در نور کم.

عامل	سنسور CMOS	سنسور CCD
کیفیت تصویر	خوب؛ به طور قابل توجهی بهبود یافته است (نویز کم، دامنه دینامیکی بالا) در مدل‌های مدرن. CMOS اولیه به دلیل تقویت‌کننده‌های روی پیکسل نویز بیشتری داشت.	عالی؛ از نظر تاریخی در دامنه دینامیکی و نویز پایین برتر است. انتقال بار بیشتر سازگار است و اعوجاج سیگنال را کاهش می‌دهد.
مصرف انرژی	پایین. پردازش روی تراشه و خواندن موازی انرژی کمتری مصرف می‌کنند. ایده‌آل برای دستگاه‌های باتری‌دار (مانند گوشی‌های هوشمند).	بالا. انتقال بار متوالی و ADCهای خارجی به قدرت بیشتری نیاز دارند. برای دستگاه‌های قابل حمل ایده‌آل نیست.
هزینه	قیمت مناسب. از فناوری تولید نیمه‌هادی استاندارد استفاده می‌کند (همانند تراشه‌های کامپیوتری)، که امکان تولید انبوه و ادغام با سایر اجزا (مانند پردازنده‌ها) را فراهم می‌آورد.	گران. نیاز به فرآیندهای تولید تخصصی دارد. ADCهای خارجی و سخت‌افزارهای پشتیبانی به هزینه‌ها اضافه می‌کنند.
سرعت	سریع. خواندن موازی اجازه می‌دهد تا نرخ فریم‌های بالا (به عنوان مثال، ویدیو 4K و عکاسی مداوم با سرعت بالا) داشته باشیم. مناسب برای دوربین‌های اکشن و گوشی‌های هوشمند.	آهسته. انتقال ترتیبی محدودیت‌هایی برای نرخ فریم ایجاد می‌کند. برای تصویربرداری با سرعت بالا ایده‌آل نیست.
اندازه	فشرده. ادغام روی تراشه (پیکسل‌ها + تقویت‌کننده‌ها + ADCها) اندازه کلی سنسور را کاهش می‌دهد. در دستگاه‌های کوچک جا می‌گیرد (به عنوان مثال، ساعت‌های هوشمند، پهپادها).	بزرگتر. به ADCهای خارجی و مدارهای اضافی نیاز دارد که اندازه ماژول دوربین را افزایش می‌دهد.
دوام	بالا. مصرف کمتر انرژی به معنای تولید حرارت کمتر است که باعث کاهش سایش بر روی اجزا می‌شود. عمر طولانی‌تر در استفاده روزمره.	پایین‌تر. مصرف بالاتر انرژی منجر به تولید گرمای بیشتر می‌شود که می‌تواند به مرور زمان عملکرد را کاهش دهد.
عملکرد در نور کم	مدرن (مدل‌های مدرن). فناوری‌های پیشرفته کاهش نویز (به عنوان مثال، CMOS/BSI-CMOS با نور پس‌زمینه) فاصله را با CCD کاهش داده‌اند.	عالی. بهتر در ضبط سیگنال‌های نور ضعیف با نویز کمتر. هنوز در نجوم و نظارت در نور کم ترجیح داده می‌شود.

برنامه‌ها: چه زمانی CMOS را به جای CCD انتخاب کنیم

هیچ‌یک از حسگرها "بهتر" نیستند—آن‌ها در سناریوهای مختلف برتری دارند. در اینجا نحوه تطبیق آن‌ها با موارد استفاده خاص آورده شده است:

1. CMOS: انتخاب اول برای دستگاه‌های مصرفی و قابل حمل

قدرت پایین، اندازه کوچک و سرعت بالا در CMOS آن را به انتخاب اول برای تبدیل کرده است:

• اسمارت‌فون‌ها و تبلت‌ها: عمر باتری و طراحی جمع و جور غیرقابل مذاکره هستند. حسگرهای CMOS مدرن (به عنوان مثال، Exmor RS سونی) عکس‌های با کیفیت استودیو و ویدیوهای 8K را در بسته‌های کوچک ارائه می‌دهند.

• دوربین‌های اکشن (مانند GoPro): نرخ فریم بالا (بیش از 60 فریم در ثانیه در 4K) و دوام بسیار مهم هستند. CMOS حرکت سریع را بدون تأخیر مدیریت می‌کند.

• پهپادها و ساعت‌های هوشمند: فضای محدود و ظرفیت باتری نیاز به حسگرهای فشرده و با کارایی انرژی دارند. CMOS به طور کامل مناسب است.

• وب‌کم‌ها و لپ‌تاپ‌ها: تماس‌های ویدیویی در زمان واقعی به سرعت‌های خواندن بالا نیاز دارند. CMOS پخش روان و بدون تأخیر را تضمین می‌کند.

2. CCD: هنوز پادشاه در تصویربرداری با کیفیت بالا و تخصصی

با وجود تسلط CMOS، CCD در زمینه‌هایی که کیفیت تصویر (به ویژه در نور کم و دامنه دینامیکی) از اهمیت بالایی برخوردار است، غیرقابل جایگزینی باقی مانده است:

• نجوم‌شناسی: تلسکوپ‌ها به حسگرهایی نیاز دارند که نور ستاره‌های کم‌نور را با حداقل نویز ضبط کنند. حساسیت نوری بالای CCD آن را به استانداردی برای تصویربرداری نجومی تبدیل کرده است.

• تصویربرداری پزشکی (به عنوان مثال، اشعه ایکس، آندوسکوپ‌ها): وضوح و دقت بالا برای تشخیص حیاتی است. انتقال بار مداوم CCD باعث کاهش اعوجاج تصویر می‌شود.

• نظارت در نور کم: دوربین‌های امنیتی در محیط‌های تاریک (مانند پارکینگ‌ها، دید در شب) به توانایی CCD در دریافت سیگنال‌های نور ضعیف بدون نویز تکیه دارند.

• دوربین‌های فیلم حرفه‌ای (استفاده‌های قدیمی): برخی از دوربین‌های فیلم و تجهیزات فیلم‌برداری با کیفیت بالا هنوز از CCD به خاطر بازتولید رنگ طبیعی و دامنه دینامیکی آن استفاده می‌کنند، هرچند که CMOS اکنون در حال پیشرفت است.

افسانه‌های رایج درباره CMOS در مقابل CCD

بیایید ۳ تصور غلط پایدار را برای جلوگیری از سردرگمی روشن کنیم:

افسانه ۱: "CCD همیشه کیفیت تصویر بهتری دارد"

در حالی که CCD زمانی پیشرو در کیفیت تصویر بود، CMOS مدرن فاصله را کاهش داده است—به لطف فناوری‌هایی مانند BSI-CMOS (CMOS با نور پس‌زمینه) و CMOS لایه‌ای. BSI-CMOS طراحی سنسور را معکوس می‌کند و فوتودیودها را نزدیک‌تر به منبع نور قرار می‌دهد، که باعث افزایش جذب نور و کاهش نویز می‌شود. CMOS لایه‌ای لایه‌های اضافی برای پردازش سریع‌تر اضافه می‌کند. امروزه، گوشی‌های هوشمند سطح بالا (مانند iPhone 15 Pro، Samsung Galaxy S24 Ultra) از سنسورهای CMOS استفاده می‌کنند که در بیشتر سناریوها از مدل‌های قدیمی CCD بهتر عمل می‌کنند.

افسانه ۲: "CMOS فقط برای دستگاه‌های ارزان است"

سنسورهای CMOS اولیه با دوربین‌های کم‌هزینه و کم‌کیفیت مرتبط بودند، اما این دیگر درست نیست. دوربین‌های حرفه‌ای مانند سونی آلفا 1 و کانن EOS R5 از سنسورهای CMOS با کیفیت بالا استفاده می‌کنند که وضوح 50MP+، ویدیو 8K و دامنه دینامیکی حرفه‌ای را ارائه می‌دهند. مقیاس‌پذیری CMOS—از گوشی‌های هوشمند با بودجه محدود تا دوربین‌های 10,000 دلاری—آن را چندمنظوره می‌کند، نه "ارزان."

افسانه ۳: "CCD منسوخ شده است"

CCD منسوخ نشده است—فقط تخصصی شده است. در زمینه‌هایی مانند نجوم و تصویربرداری پزشکی، جایی که وفاداری تصویر بیشتر از هزینه یا قدرت اهمیت دارد، CCD همچنان انتخاب ترجیحی باقی می‌ماند. به عنوان مثال، تلسکوپ فضایی هابل ناسا از حسگرهای CCD برای ثبت تصاویر نمادین خود از فضاهای عمیق استفاده می‌کند. CCD به رشد خود در کاربردهای خاص ادامه خواهد داد جایی که CMOS هنوز نتوانسته است عملکرد آن را تطبیق دهد.

سوالات متداول: سوالات شما درباره CMOS در مقابل CCD پاسخ داده شد

Q1: آیا حسگرهای CMOS می‌توانند با عملکرد کم‌نور CCD مطابقت داشته باشند؟

A1: CMOS مدرن (به عنوان مثال، BSI-CMOS، CMOS با فریم کامل) می‌تواند با سنسورهای CCD قدیمی در نور کم مطابقت داشته باشد یا حتی از آن‌ها پیشی بگیرد. با این حال، سنسورهای CCD با کیفیت بالا هنوز در شرایط نور بسیار کم (به عنوان مثال، عکاسی نجومی) کمی برتری دارند. برای بیشتر استفاده‌های مصرف‌کننده (به عنوان مثال، عکس‌های شب با یک گوشی هوشمند)، CMOS بیشتر از حد کافی است.

Q2: چرا گوشی‌های هوشمند هرگز از حسگرهای CCD استفاده نمی‌کنند؟

A2: گوشی‌های هوشمند به عمر باتری، اندازه و سرعت اولویت می‌دهند—همه زمینه‌هایی که CMOS در آن‌ها برتری دارد. مصرف بالای انرژی CCD و اندازه بزرگ‌تر آن، آن را برای دستگاه‌های نازک و قابل حمل غیرعملی می‌سازد. علاوه بر این، قابلیت CMOS برای ادغام با سایر تراشه‌ها (مانند پردازنده‌های AI برای عکاسی محاسباتی) با نوآوری گوشی‌های هوشمند هم‌راستا است.

Q3: کدام حسگر برای ضبط ویدئو بهتر است؟

A3: CMOS برای ویدئو بهتر است. خواندن موازی آن نرخ فریم بالایی را امکان‌پذیر می‌سازد (به عنوان مثال، 120fps در 4K) و "شاتر رولینگ" (یک اعوجاج که در آن اشیاء با حرکت سریع به صورت کج ظاهر می‌شوند) را کاهش می‌دهد. انتقال تدریجی کند CCD اغلب باعث شاتر رولینگ می‌شود و نرخ فریم ویدئو را محدود می‌کند.

Q4: آیا حسگرهای CCD گران‌تر از CMOS هستند؟

A4: بله، در بیشتر موارد. CCD نیاز به تولید تخصصی دارد و ADCهای خارجی هزینه اضافی ایجاد می‌کنند. یک سنسور CCD با کیفیت بالا می‌تواند ۲ تا ۳ برابر بیشتر از یک سنسور CMOS قابل مقایسه هزینه داشته باشد. به همین دلیل است که CCD محدود به کاربردهای خاص و با بودجه بالا است.

نتیجه‌گیری: انتخاب حسگر مناسب برای ماژول دوربین شما

بحث CMOS در مقابل CCD درباره "برنده همه چیز را می‌برد" نیست—بلکه درباره تطبیق فناوری با هدف است.

• CMOS را انتخاب کنید اگر: به یک سنسور جمع و جور و با کارایی انرژی برای دستگاه‌های قابل حمل (اسمارت‌فون‌ها، پهپادها)، تصویربرداری با سرعت بالا (دوربین‌های اکشن، وب‌کم‌ها) یا تولید انبوه مقرون به صرفه نیاز دارید. CMOS مدرن کیفیت تصویر عالی را برای 99% از موارد استفاده مصرف‌کننده و تجاری ارائه می‌دهد.

• اگر در زمینه‌های تخصصی (نجوم، تصویربرداری پزشکی، نظارت در نور کم) کار می‌کنید که دامنه دینامیکی حداکثر، نویز کم و حساسیت به نور غیرقابل مذاکره است، CCD را انتخاب کنید—حتی اگر به معنای هزینه‌ها و مصرف انرژی بالاتر باشد.

با پیشرفت مداوم فناوری CMOS (به عنوان مثال، کاهش نویز بهتر، پردازش سریع‌تر)، احتمالاً به حوزه‌های خاص‌تری گسترش خواهد یافت. اما CCD همچنان ابزاری حیاتی برای کاربردهایی خواهد بود که در آن‌ها کمال تصویر ارزش هزینه‌های مربوطه را دارد.

چه شما در حال طراحی یک ماژول دوربین باشید یا خرید یک دستگاه، درک این تفاوت‌ها به شما کمک می‌کند تا اولویت‌های خود را مشخص کنید—تا بتوانید بهترین تصاویر ممکن را هر بار ثبت کنید.

تماس

اطلاعات خود را وارد کنید و ما با شما تماس خواهیم گرفت.

درباره ما

محصولات

درباره ما

پشتیبانی

+8618520876676

+8613603070842

اخبار

leo@aiusbcam.com

vicky@aiusbcam.com

WeChat