Camere Pentru Aplicatii Stiintifice

  • View
    33

  • Download
    0

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Proiect OE

Text of Camere Pentru Aplicatii Stiintifice

  • Universitatea Politehnica din Bucureti

    Facultatea de Electronic, Telecomunicaii i Tehnologia Informaiei

    Master Optoelectronica

    Proiect

    Camere pentru aplicaii tiinifice

    Conductor tiinific, Student,

    Prof. Marian VLADESCU Alexandra Ctlina CAPT

    Anul 2014-2015

  • Cuprins

    1. Introducere .............................................................................................................................................................. 3

    2. Senzorul camerei foto: CCD vs. CMOS ................................................................................................................... 4

    3. Tehnologia CCD ........................................................................................................................................................ 7

    3.1 Mod de functionare .................................................................................................................................. 9

    3.2 Exemple de CCD ..................................................................................................................................... 12

    4. Tehnologia CMOS .................................................................................................................................................. 14

    4.1 Exemple de camere CMOS .......................................................................................................................... 17

    5. Exemple de alte camere folosite in aplicatii stiintifice ........................................................................................ 20

    6. Concluzii ................................................................................................................................................................ 24

    7. Bibliografie ............................................................................................................................................................ 25

  • 3

    1. Introducere

    In ziua de astazi, camerele foto si video au numeroase aplicatii intr-o multitudine de domenii.

    Camerele sunt impartite dupa senzorii pe care ii detin: de tip CCD sau de tip CMOS. O data cu

    imbunatatirea tehnologiei, diferenta dintre acesti doi tipi de senzori a scazut, ei devenind tot mai

    perfomanti, redand imagini calitative.

    Utilizarea acestor camere performante se face in aplicatiile stiintifice din numeroase domenii:

    medicina, industrie, astrofotografie, holografie digitala, etc. In aceste domenii mai folosite sunt cele cu

    senzor de tip CMOS, deoarece redau mai bine imaginile necesare.

    Exista si alte tipuri de camere folosite in aplicatii stiintifice precum: sisteme

    termografice,camere de termoviziune, camere folosite in medicina: CT, PET, PET-CT si camere

    miscroscopice.

    Tehnologia din ziua de astazi avanseaza tot mai repede, iar camerele foto si video devin din ce

    in ce mai performante, redand imagini cat mai clare si precise, care sunt necesare avansarii domeniilor

    in care acestea sunt folosite.

  • 4

    2. Senzorul camerei: CCD vs. CMOS

    Toti utilizatorii folosesc camere foto, insa electronica din interiorul aparatului este un subiect

    mai putin cunoscut. Complexitatea modulului de focusare, a celui de masurare si a senzorului deseori

    sunt mai greu de inteles.

    Senzorul camerei foto este un dispozitiv electronic care transforma lumina in semnal electric.In

    principal, el poate fi de doua tipuri: CCD sau CMOS. Poate ati observat ca in ultimii ani, producatorii

    de camere foto au migrat de la productia in masa a senzorilor CCD la productia senzorilor CMOS.

    Mai jos, dupa ce veti citi diferentele dintre cei doi senzori, veti intelege motivul.

    In lume sunt doi mari producatori de senzori pentru aparate foto destinate publicului larg:

    Sony (care echipeaza atat camerele proprii cat si ale altor companii cum ar fi Nikon) si Canon (care

    echipeaza propriile camere compacte sau DSLR). Canon a luat decizia de a inlocui senzorii CCD

    acum multi ani si a investit sume mari de bani pentru dezvoltarea tehnologica a noilor senzori CMOS.

    Aceasta mutare inteleapta la vremea respectiva i-a permis ocuparea unui loc fruntas mai ales in gama

    DSLR-urilor, camerele foto Canon remarcandu-se prin imagini cu zgomot redus la sensibilitati mari

    ale ISO-ului. In prezent, cele doua tipuri de senzori se fabrica in paralel, senzorii CCD fiind utilizati

    cu precadere in camerele compacte, iar senzorii CMOS in aparatele foto DSLR.

    In viitorul apropiat se prevede o inlocuire a senzorilor CCD din camerele compacte avansate

    cu senzori CMOS pentru imagini de calitate la ISO mare. Dar se vedem care sunt diferentele dintre

    aceste doua tipuri de senzor.

    Desi viitorul pare a senzorilor CMOS, senzorul CCD are cateva avantaje incontestabile:

    1. Daca comparam exclusiv arhitectura interna a senzorilor, cei de tip CCD creaza imagini cu mai

    putin zgomot, iar vechimea acestora arata ca tehnologia realizarii lor este suficient de matura pentru a

    fi utilizati in aplicatii stiintifice importante.

    2. Senzorii CCD sunt mai eficienti in convertirea luminii(fotonilor) in semnal electric

    Problema cu acesti senzori consta in faptul ca se incalzesc extrem de usor. Incalzirea se

    produce in cazul unei expuneri prelungite (exemplu imagini de noapte in care senzorul este expus la

    lumina timp de 30 secunde sau chiar cateva minute). Aceasta incalzire conduce la aparitia

    zgomotului. Bazandu-se pe raportul bun de conversie a luminii in electroni, pe care senzorii CCD il

    au, in aplicatii stiintifice in care precizia si acuratetea rezultatelor este esentiala, s-au folosit si inca se

    folosesc senzori CCD, care, pentru micsorarea zgomotului si pentru imbunatatirea senzitivitatii la

    niveluri scazute de lumina, sunt raciti in camere speciale cu azot lichid.

    De exemplu, in astronomie exista camere dedicate care folosesc senzori CCD raciti cu azot

    lichid si care au o sensibilitate mult crescuta fata de cei mai buni senzori actuali din camerele foto

    DSLR profesionale. Cu ajutorul unor astfel de senzori s-au creat cele mai performante camere

    astronomice existente. Este vorba de cele montate pe telescopul spatial HUBBLE, care, dupa ce au

    fotografiat prin expuneri extrem de lungi(zile) mici zone din univers ce pareau complet negre(si fara

    materie) , au creat uimire in comunitatea stiintifica, aratand ca, de fapt, respectivul colt de univers era

    plin de galaxii aflate in plina evolutie.

  • 5

    De asemenea si camerele profesionale de format mare folosesc senzori CCD de inalta calitate,

    ajungand sa depaseasca 50 MP, insa sensibilitatea ISO este, de obicei, limitata la 800. Calitatea

    imaginilor acestor senzori pofesionali CCD, la iso mic, este net superioara chiar si senzorilor

    FullFrame CMOS atat prin acuratetea culorilor si multitudinea detaliior dar mai ales prin gama

    dinamica de nuante prezenta in imagine(Dynamic range). Dar daca senzorul CCD are atatea avantaje

    si este folosit in aplicatii stiintifice sau in cele militare (vedere nocturna), de ce marile companii,

    totusi, inlocuiesc acesti senzori cu cei CMOS ?

    Desi senzorul CMOS este mai zgomotos decat cel CCD, designul acestui tip de senzor permite

    implementarea in senzor a unor circuite de control al zgomotului mai performante. In final, datorita

    acestor mici "siretlicuri" electronice, raportul semnal/zgomot final ajunge sa fie similar cu raportul

    semnal/zgomot al unui senzor CCD de inalta calitate. In plus senzorul CMOS consuma mai putina

    electricitate decat cel CCD, si se incalzeste mai putin in cazul expunerilor prelungite. Consumand mai

    putin curent, inseamna ca se pot realiza mai multe imagini cu aceasi baterie.

    Un alt avantaj este ca, desi arhitectura unui senzor CMOS este complicata si necesita un cost

    ridicat de productie, in cazul realizarii automatizate a unui numar foarte mare de astfel de senzori,

    pretul ajunge sa fie rezonabil.

    Evident, cu cat creste dimensiunea senzorului, cu atat si pretul este mai ridicat. Din acest

    motiv, un senzor fullframe este mai scump (dar si mai performant) decat unul de tip APS-C(cu factor

    de crop 1.6 Canon sau unul cu crop 1.5-Nikon).

    In zilele noastre senzorul nu mai este suficient pentru realizarea unor imagini de calitate. Asa

    cum am aratat mai sus, senzorul este doar unul din elementele necesare obtinerii unui raport

    semnal/zgomot eficient. Cel putin teoretic, cu cat un senzor este mai mare si are o densitate mai mica

    de puncte, cu atat inseamna ca punctul (pixelul) din senzor care capteaza lumina este mai mare si deci

    pe el exista o cantitate mai mare de lumina pe care acesta o preia si o transforma in semnal

    electric...deci este mai sensibil la lumina.

    In ultimii ani, Canon a reusit sa elimine spatiul care apare intre aceste puncte si astfel a

    "ingramadit" pe aceasi suprafata mai multi pixeli, astfel ajungand la rezolutii record: 15 MP in Canon

    50D si 18 MP in Canon 7D. Desi densitatea acestor senzori este foarte mare zgomotul a fost mentinut

    in limite acceptabile.

    Alti parametrii care influenteaza calitatea imaginii sunt: modul de implementare a circuitelor de

    filtrare a zgomotului, calitatea microlentilelor si circuitelor electro