CMOS vs CCD: as diferenças entre os sensores de imagem para câmeras

CMOS vs CCD: as diferenças entre os sensores de imagem para câmeras

Sensores CMOS e CCD são componentes usados em câmeras para converter a luz em fotos. Eles podem afetar diretamente quesitos como resolução, sensibilidade à luz, reprodução de cores e consumo de energia. Entenda, a seguir, quais são as principais vantagens e desvantagens de cada tipo de sensor de imagem.

Sensor CCD de webcam (Imagem: Ethan R / Flickr)

ÍndiceEntendendo as siglasComparando as tecnologiasResoluçãoCoresSensibilidadeVelocidadeConsumo de energiaCusto de fabricaçãoRecursos adicionaisCCD ou CMOS: qual escolher?

Entendendo as siglas

CCD significa “dispositivo de carga acoplada” e tem um circuito composto por capacitores conectados (acoplados) uns aos outros. CMOS significa “semicondutor de óxido metálico complementar”, em uma referência ao seu processo de fabricação.

Os sensores de imagem CCD e CMOS usam o mesmo princípio para tirar fotos: ambos capturam a luz que vem da lente através de fotodiodos (ou pixels) e armazenam a luz como um sinal elétrico.

Sensores CMOS e CCD usam essa carga elétrica de formas diferentes. Em um dispositivo CCD, o sinal elétrico é transportado para fora do sensor, é amplificado, e passa por um conversor analógico-digital. Assim, a carga de cada fotodiodo vira um valor digital.

Em câmeras CMOS, os pixels vêm com amplificadores para o sinal elétrico, e esta carga já passa por um conversor analógico-digital antes de sair – assim, o sensor emite valores digitais.

Como funciona o sensor CCD (imagem: Vitor Pádua / Tecnoblog)

Como funciona o sensor CMOS de uma câmera (Imagem: Vitor Pádua / Tecnoblog)

Comparando as tecnologias

CaracterísticaCCDCMOSResoluçãoAté 3.200 megapixelsChega a 200 megapixelsCoresMaior fidelidadeMenor fidelidadeSensibilidade à luzMaiorMenorVelocidade de capturaMenor, limitada a 11 fpsMaior, pode passar dos 45 fpsConsumo de energiaMaior, até 100x a mais que CMOSMenorCusto de fabricaçãoMais caroMais barato

Resolução

Sensores CCD permitem chegar a resoluções altíssimas: o recordista tem 3.200 megapixels, segundo o Guinness Book. Por sua vez, sensores CMOS atingem 200 megapixels, caso do Samsung Isocell HP2.

A qualidade de imagem no CCD é maior. Graças a seu processo de fabricação, o sensor transporta cargas elétricas sem distorções através do chip, levando a um sinal mais uniforme e ruído menor.

O CCD oferece qualidade melhor em cenários exigentes, como em câmeras TDI para cenários com pouca luz e muito movimento; e para capturar imagens no espectro NIR (próximo ao infravermelho).

No entanto, a qualidade do CMOS já se aproxima do CCDs em alguns casos, graças a avanços nessa tecnologia, segundo a fabricante Teledyne. Por exemplo, sensores CMOS são usados em vez de CCDs para obter imagens ultravioleta, graças a sua alta velocidade de leitura.

Galaxy S23 Ultra, celular com sensor CMOS de 200 megapixels (Imagem: Paulo Higa/Tecnoblog)

Cores

Sensores CCD reproduzem cores com maior precisão que o CMOS, segundo a fabricante de câmeras industriais Adimec. Os CCDs produzem imagens com maior alcance dinâmico e menos ruído, conforme explica a Olympus.

No entanto, a diferença entre CMOS e CCD vem diminuindo. Em testes com câmeras da Nikon, o especialista Enrico Scaramelli não encontrou diferenças significativas na reprodução de cores.

Tanto o CMOS como o CCD são monocromáticos, mas possuem um filtro de cor na frente dos pixels, que deixa passar só determinados tons. Filtros RGB, por exemplo, recebem só as cores vermelho, verde e azul. Estes tons são usados para calcular as cores reais da cena.

Sensibilidade

Sensores CCD têm maior sensibilidade à luz, porque cada pixel é quase que totalmente dedicado a receber o sinal luminoso. Isso permite atingir valores ISO mais altos. Em sensores CMOS, parte da luz atinge os transistores que acompanham cada pixel.

No CMOS, cada pixel tem componentes adicionais, como amplificadores e conversores de sinal, que reduzem a área disponível para captação de luz. Além disso, o sinal elétrico sofre distorções ao ser transportado pelo chip.

Ajuste de ISO na câmera (Imagem: Felipe Ventura / Tecnoblog)

Velocidade

Sensores CMOS atingem maior velocidade: cada pixel tem transistores para amplificar o sinal elétrico e convertê-lo, antes de transportá-lo para fora do chip. Isso garante um processamento paralelo que agiliza a captura de imagens.

Sensores CMOS podem passar dos 45 fps (quadros por segundo), enquanto sensores CCD ficam limitados a 11 fps, segundo a especialista Christina Pyrgaki.

No entanto, sensores CMOS podem gerar imagens distorcidas de objetos em movimento devido ao método rolling shutter, que consiste em capturar a imagem linha por linha. O CCD, por sua vez, lê todos os pixels de uma vez.

Consumo de energia

Sensores CMOS consomem até 100 vezes menos energia que um sensor CCD equivalente, segundo a Teledyne FLIR. Os sensores CMOS são bastante usados em celulares, maior segmento de câmeras do mundo, porque são menores, geram menos calor e gastam menos bateria.

Custo de fabricação

Os sensores CMOS são muito mais baratos de fabricar do que os sensores CCD, como afirma a Edge AI and Vision Alliance. Os dispositivos CMOS têm menor complexidade e podem ser fabricados na maioria das linhas de produção de memória e componentes lógicos.

Os sensores CCD ainda podem ser necessários para equipamentos profissionais. Mas, dado que as fabricantes de sensores se afastaram da tecnologia CCD, haverá menos opções de fornecedores, elevando o preço.

Recursos adicionais

A maioria das câmeras CMOS possui sensor com iluminação frontal: os transistores ficam ao lado dos pixels, e reduzem a área sensível à luz.

O CMOS retroiluminado (BSI, na sigla em inglês) coloca os transistores abaixo da superfície que recebe a luz. O BSI CMOS tem sensibilidade maior à luz, atingindo eficiência de 95%, segundo a Teledyne Photometrics. O CMOS comum tem eficiência de até 80%.

O CMOS empilhado (stacked CMOS) possui uma superfície sensível à luz acima dos transistores, assim como o BSI CMOS. Além disso, o processador de imagem (ISP) fica empilhado com a memória DRAM rápida, acelerando a captura de fotos.

Algumas câmeras CMOS vêm com estabilização de imagem no corpo (IBIS). A tecnologia, também conhecida como sensor shift, move o sensor acompanhando o movimento da câmera, usando giroscópio e acelerômetro.

CCD ou CMOS: qual escolher?

Sensores CCD são recomendados para aplicações que exigem maior precisão nas cores, melhor desempenho em pouca luz e menos ruído. Isso vale para áreas como astronomia e biomedicina.

Sensores CMOS são indicados para dispositivos compactos, como smartphones, ou que não requerem uma qualidade de imagem tão alta, como câmeras de segurança. Vale lembrar que câmeras DSLR e mirrorless mais recentes também costumam usar sensores CMOS.
CMOS vs CCD: as diferenças entre os sensores de imagem para câmeras

CMOS vs CCD: as diferenças entre os sensores de imagem para câmeras
Fonte: Tecnoblog