Razlika između CCD i CMOS matrica. Koja je matrica bolja - CCD ili CMOS

25.08.2019 Programi

U većini modernih digitalnih uređaja za fotografisanje i snimanje videa koriste se dvije vrste matrica - CCD i CMOS.

CCD - uređaj sa spregnutim punjenjem (ili CCD - uređaj za povratnu vezu sa punjenjem).

CMOS - komplementarni metal-oksid-poluprovodnik (ili - komplementarna logika na tranzistorima metal-oksid-poluprovodnik, CMOS).

U digitalnom fotoaparatu ili kamkorderu, matrica je analog fotografskog video filma. Ali za razliku od filmova, matrica nije za jednokratnu upotrebu, nije premazana posebnom emulzijom koja ulazi u kemijsku reakciju sa svjetlom i ne zadržava gotov okvir.

Matrica je visokotehnološki elektronički uređaj čija je glavna funkcija digitalizirati svjetlost koja preko sočiva pada na njenu površinu. Nakon toga, ovo digitalizirano svjetlo se pretvara u jedan od popularnih digitalnih formata i pohranjuje na hard disk, ili drugi uređaj dizajniran za to.

Matrice napravljene pomoću CCD tehnologije (ili CCD) razlikuju se od matrica napravljenih pomoću CMOS tehnologije (ili CMOS) na nekoliko ključnih načina. Prije svega, to je reprodukcija boja. Vjeruje se da je bolji na CCD matricama. Međutim, općenito je prihvaćeno da su CCD-matrice mnogo bučnije od svojih CMOS kolega, čak i pri srednjim ISO vrijednostima (ISO). Stoga je većina modernih digitalnih fotoaparata opremljena CMOS matricama. Osim toga, CCD matrice su skuplje za proizvodnju i troše mnogo više energije od CMOS-a.
Glavna razlika između tehnologija je princip površinskog odgovora na signal. Drugim riječima, CCD-matrica obrađuje svu svjetlost koja pada na nju kao cjelinu. CMOS-matrica - u dijelovima - svaki piksel posebno. Zahvaljujući inovativnoj tehnologiji Active Pixel Sensors (APS), gdje uz pomoć tranzistorskih pojačala povezanih na svaki piksel, kvalitet reprodukcije boja CMOS matrica je vrlo blizu nivou CCD matrica.

Tromatrična video kamera />

Za video snimanje poželjno je odabrati opremu na CCD-matricama. Ovaj tip senzora je mnogo bolji u snimanju pokretnih slika koje sporiji CMOS senzori ne mogu pratiti. Neke, uključujući i one za amatersku fotografiju, opremljene su sa tri CCD matrice odjednom - od kojih je svaka konfigurisana da uhvati posebnu boju od RGB modela. Ovi kamkorderi imaju poboljšanu reprodukciju boja i poboljšani kvalitet videa. Većina profesionalnih digitalnih video kamera opremljena je sa tačno tri CCD-matrice.

Za fotografiju, naprotiv, bolje su prikladne kamere koje rade na CMOS matricama.

1. Uvod u senzore slike

Kada se slika snimi objektivom video kamere, svjetlost prolazi kroz sočivo i pada na senzor slike. Senzor slike, ili matrica, sastoji se od mnogih elemenata, koji se nazivaju i pikseli, koji registruju količinu svjetlosti koja pada na njih. Rezultirajuća količina svjetlosti se pretvara od strane piksela u odgovarajuću količinu elektrona. Što više svjetlosti udari u piksel, to će više elektrona generirati. Elektroni se pretvaraju u napon, a zatim pretvaraju u brojeve prema vrijednostima ADC-a (analogno-digitalni pretvarač, A/D-konverter). Signal, sastavljen od takvih brojeva, obrađuje se elektronskim kolima unutar video kamere.

Trenutno postoje dvije glavne tehnologije koje se mogu koristiti za kreiranje senzora slike u kameri, a to su CCD (Charge-Coupled Device, CCD – uređaj sa nabojom) i CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS – komplementarni metalni oksid). poluprovodnik). Njihove karakteristike, prednosti i nedostaci će biti razmotreni u ovom članku. Slika ispod prikazuje CCD (gornji) i CMOS (donji) senzor slike.

filtriranje boja. Kao što je već gore opisano, slikovni senzori registruju količinu svjetlosti koja pada na njih, od svijetlog do tamnog, ali bez informacija o boji. Budući da CMOS i CCD senzori slike "ne mogu vidjeti boju", svakom senzoru prethodi filter koji dodjeljuje ton boje svakom pikselu u senzoru. Dvije glavne metode registracije boja su RGB (crvena-greed-plava, crvena-zelena-plava) i CMYG (cijan-magenta-žuto-zelena, cijan-magenta-žuto-zelena). Crvena, zelena i plava su primarne boje, čije različite kombinacije mogu činiti većinu boja koje percipira ljudsko oko.

Bayer filter (ili Bayer niz), koji se sastoji od naizmjeničnih redova crveno-zelenih i plavo-zelenih filtera, najčešći je RGB filter boja (vidi sliku 2). Bayer filter sadrži dvostruko veći broj zelenih "ćelija", jer ljudsko oko je osjetljivije na zelenu nego na crvenu ili plavu. To također znači da će s ovim omjerom boja u filteru ljudsko oko vidjeti više detalja nego da su tri boje korištene u jednakim omjerima u filteru.

Drugi način filtriranja (ili registracije) boja je korištenje komplementarnih boja cijan, magenta i žuta. Filter komplementarne boje obično se kombinuje sa filterom zelene boje u obliku filtera CMYG boja (CMYG-boja niz), kao što je prikazano na slici 2 (desno). CMYG filter u boji obično nudi veći signal piksela jer ima širi spektralni opseg. Međutim, signal se mora pretvoriti u RGB da bi se koristio u konačnoj slici, a to podrazumijeva dodatnu obradu i unosi šum. Posljedica ovoga je smanjenje odnosa signal-šum, zbog čega CMYG sistemi obično nisu tako dobri u prikazivanju boja.

CMYG filter u boji se obično koristi u senzorima s isprepletenim slikama, dok se RGB sistemi prvenstveno koriste u progresivnim senzorima slike.

2. CCD tehnologija

U CCD senzoru, svjetlost (naboj) koja pada na piksel senzora prenosi se sa čipa kroz jedan izlazni čvor ili kroz samo nekoliko izlaznih čvorova. Naboji se pretvaraju u nivo napona, akumuliraju i šalju kao analogni signal. Ovaj signal se zatim zbraja i pretvara u brojeve pomoću A/D pretvarača izvan senzora (vidi sliku 3).

CCD tehnologija je izmišljena posebno za upotrebu u video kamerama, a CCD senzori su u upotrebi više od 30 godina. Tradicionalno, CCD senzori imaju niz prednosti u odnosu na CMOS senzore, kao što su bolja osjetljivost na svjetlo i niska razina šuma. U posljednje vrijeme, međutim, razlike su jedva primjetne.

Nedostaci CCD senzora su to što su analogne komponente, zahtijevaju više elektronike "u blizini" senzora, skuplji su za proizvodnju i mogu potrošiti do 100 puta više energije od CMOS senzora. Povećana potrošnja energije takođe može povećati temperaturu u samoj kameri, što ne utiče samo na kvalitet slike i povećava cenu finalnog proizvoda, već i na uticaj na životnu sredinu.

CCD senzori takođe zahtevaju brži prenos podataka jer svi podaci prolaze kroz samo jedno ili nekoliko izlaznih pojačala. Uporedite slike 4 i 6 koje prikazuju ploče sa CCD senzorom i CMOS senzorom, respektivno.

3. CMOS tehnologija

U ranoj fazi, konvencionalni CMOS čipovi su korišteni za prikaz, ali je kvalitet slike bio loš zbog niske osjetljivosti CMOS elemenata na svjetlo. Moderni CMOS senzori se proizvode korištenjem specijalizovanije tehnologije, što je dovelo do brzog povećanja kvaliteta slike i osjetljivosti na svjetlost posljednjih godina.

CMOS čipovi imaju niz prednosti. Za razliku od CCD senzora, CMOS senzori sadrže pojačala i analogno-digitalne pretvarače, što značajno smanjuje cijenu finalnog proizvoda. već sadrži sve potrebne elemente za dobijanje slike. Svaki CMOS piksel sadrži elektronske pretvarače. U poređenju sa CCD senzorima, CMOS senzori nude više funkcionalnosti i veće mogućnosti integracije. Ostale prednosti uključuju brže očitavanje, manju potrošnju energije, visoku otpornost na buku i manju veličinu sistema.

Međutim, prisustvo elektronskih kola unutar čipa dovodi do rizika od više strukturisanog šuma kao što je banding. Kalibracija CMOS senzora tokom proizvodnje je takođe složenija nego kod CCD senzora. Srećom, moderna tehnologija omogućava proizvodnju samokalibrirajućih CMOS senzora.

U CMOS senzorima je moguće čitanje slike iz pojedinačnih piksela, što vam omogućava da „prozorite“ sliku, tj. očitati očitavanje ne cijelog senzora, već samo njegovog određenog područja. Tako je moguće dobiti veću brzinu kadrova sa senzorskog dijela za naknadnu digitalnu PTZ (pan/tilt/zoom, pan/tilt/zoom) obradu. Osim toga, ovo omogućava prijenos višestrukih video tokova sa jednog CMOS senzora, simulirajući nekoliko "virtuelnih kamera"

4. HDTV i megapikselne kamere

Megapikselni senzori i televizija visoke definicije omogućavaju digitalnim IP kamerama da daju veću rezoluciju slike od analognih CCTV kamera, tj. daju veću sposobnost uočavanja detalja i identifikacije ljudi i objekata – ključni faktor u video nadzoru. Megapikselna IP kamera ima najmanje dvostruko veću rezoluciju od analogne CCTV kamere. Megapikselni senzori su ključni za HDTV, megapikselne i multi-megapikselne kamere. I može se koristiti za pružanje izuzetno visokih detalja slike i višestrukog video zapisa.

Megapikselni CMOS senzori su dostupniji i mnogo jeftiniji od megapikselnih CCD senzora, iako postoje i prilično skupi CMOS senzori.

Teško je proizvesti brzi megapikselni CCD senzor, što je naravno nedostatak, pa je stoga teško proizvesti multi-megapikselnu kameru koristeći CCD tehnologiju.

Većina senzora u megapikselnim kamerama općenito je slične veličine slike VGA senzorima, s rezolucijom od 640x480 piksela. Međutim, megapikselni senzor sadrži više piksela od VGA senzora, tako da je veličina svakog piksela u megapikselnom senzoru manja od veličine piksela u VGA senzoru. Posljedica ovoga je niža osjetljivost na svjetlo svakog piksela u megapikselnom senzoru.

Na ovaj ili onaj način, napredak ne miruje. Dolazi do brzog razvoja megapikselnih senzora, a njihova osjetljivost na svjetlost se stalno povećava.

5. Glavne razlike

CMOS senzori sadrže pojačala, A/D pretvarače i često dodatne čipove za obradu, dok se kod CCD senzorske kamere većina funkcija obrade signala obavlja izvan senzora. CMOS senzori troše manje energije od CCD senzora, što znači da se temperatura unutar kamere može održavati nižom. Povišena temperatura CCD senzora može povećati smetnje. S druge strane, CMOS senzori mogu patiti od strukturiranih šuma (crte, itd.).

CMOS senzori podržavaju "prozor" slike i višestruki video, što nije moguće sa CCD senzorima. CCD senzori obično imaju jedan A/D pretvarač, dok kod CMOS senzora svaki piksel ima jedan. Brže očitavanje u CMOS senzorima omogućava im da se koriste u proizvodnji multi-megapikselnih kamera.

Savremeni tehnološki napredak zamagljuje razliku u osjetljivosti na svjetlost između CCD i CMOS senzora.

6. Zaključak

CCD i CMOS senzori imaju različite prednosti i nedostatke, ali tehnologija se brzo razvija i situacija se stalno mijenja. Pitanje da li odabrati kameru sa CCD senzorom ili CMOS senzorom postaje irelevantno. Ovaj izbor zavisi samo od zahteva klijenta za kvalitetom slike sistema video nadzora.

CCD je uređaj sa spregnutim punjenjem (CCD - charge feedback device). Ova vrsta matrica u početku se smatrala kvalitetnijom, ali i skupljom i energetski intenzivnijom. Ako ukratko predstavimo osnovni princip CCD matrice, onda će cijelu sliku prikupiti u analognoj verziji, a tek onda je digitalizirati.

Za razliku od CCD matrica, CMOS matrice (komplementarni metal-oksid-poluprovodnik, komplementarna logika na tranzistorima metal-oksid-poluprovodnik, CMOS) digitalizuju svaki piksel na mestu. CMOS matrice su u početku bile manje trošile energiju i jeftinije, posebno u proizvodnji velikih matrica, ali su bile inferiorne u odnosu na CCD matrice u pogledu kvaliteta.

Prednosti CCD matrica uključuju:

Nizak nivo buke.
Visok faktor popunjavanja piksela (oko 100%).
Visoka efikasnost (omjer broja registrovanih fotona i njihovog ukupnog broja koji su pogodili područje osjetljivo na svjetlost matrice za CCD je 95%).
Visok dinamički opseg (osjetljivost).

Nedostaci CCD matrica uključuju:

Kompleksan princip očitavanja signala, a samim tim i tehnologija.
Visok nivo potrošnje energije (do 2-5W).
Skuplji za proizvodnju.

Prednosti CMOS matrica:

Visoke performanse (do 500 fps).
Mala potrošnja energije (skoro 100 puta u poređenju sa CCD).
Jeftinije i lakše za proizvodnju.
Perspektive tehnologije (na istom čipu, u principu, ništa ne košta implementacija svih potrebnih dodatnih kola: analogno-digitalnih pretvarača, procesora, memorije, čime se dobija kompletna digitalna kamera na jednom čipu. Naprotiv, od 2002. stvaraju takav uređaj zajedno Samsung Electronics i Mitsubishi Electric).

Nedostaci CMOS matrica su

Nizak faktor popunjavanja piksela, što smanjuje osjetljivost (efikasna površina piksela ~ 75%, ostatak zauzimaju tranzistori).
Visok nivo buke (nastaje zbog takozvanih temperaturnih struja - čak i u nedostatku osvjetljenja, prilično značajna struja teče kroz fotodiodu), borba protiv koje komplicira i povećava cijenu tehnologije.
Nizak dinamički opseg.

Uvod u senzore slike

Kada se slika snimi objektivom video kamere, svjetlost prolazi kroz sočivo i pada na senzor slike. Senzor slike, ili matrica, sastoji se od mnogih elemenata, koji se nazivaju i pikseli, koji registruju količinu svjetlosti koja pada na njih. Rezultirajuća količina svjetlosti se pretvara od strane piksela u odgovarajuću količinu elektrona. Što više svjetlosti padne na piksel, to će više elektrona generirati. Elektroni se pretvaraju u napon, a zatim pretvaraju u brojeve prema vrijednostima ADC-a (analogno-digitalni pretvarač, A/D-konverter). Signal, sastavljen od takvih brojeva, obrađuje se elektronskim kolima unutar video kamere.

Trenutno postoje dvije glavne tehnologije koje se mogu koristiti za kreiranje senzora slike u kameri, a to su CCD (Charge-Coupled Device, CCD - uređaj sa nabojom) i CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS - Complementary Metal Oxide). Poluprovodnik). Njihove karakteristike, prednosti i nedostaci će biti razmotreni u ovom članku. Slika ispod prikazuje CCD (gornji) i CMOS (donji) senzor slike.

Drugi način filtriranja (ili registracije) boja je korištenje komplementarnih boja cijan, magenta i žuta. Filter komplementarne boje obično se kombinuje sa filterom zelene boje u obliku CMYG niza boja, kao što je prikazano na slici 2 (desno). CMYG filter u boji obično nudi veći signal piksela jer ima širi spektralni opseg. Međutim, signal se mora pretvoriti u RGB da bi se koristio u konačnoj slici, a to podrazumijeva dodatnu obradu i unosi šum. Posljedica toga je smanjenje odnosa signal-šum, pa CMYG sistemi po pravilu nisu tako dobri u prikazivanju boja.

CMYG filter boja se obično koristi u senzorima slike s isprepletenim slikama, dok se RGB sistemi prvenstveno koriste u progresivnim senzorima slike.

Fotoosjetljiva matrica je najvažniji element kamere. Ona je ta koja pretvara svjetlost koja u nju ulazi kroz sočivo u električne signale. Matrica se sastoji od piksela - zasebnih elemenata osjetljivih na svjetlost. Na modernim matricama ukupan broj fotoosjetljivih elemenata dostiže 10 miliona za amaterske uređaje i 17 miliona za profesionalne. Matrica od N megapiksela sadrži N miliona piksela. Što je više piksela na matrici, to je fotografija detaljnija.

Svaki fotoosjetljivi element je kondenzator koji se puni izlaganjem svjetlosti. Kondenzator je napunjen što je jači, što je svjetlost koja pada na njega jače, ili što je duže izložen svjetlu. Problem je u tome što se naboj kondenzatora može promijeniti ne samo pod utjecajem svjetlosti, već i zbog toplinskog kretanja elektrona u materijalu matrice. Više termalnih elektrona ulazi u neke piksele, a manje u druge. Rezultat je digitalni šum. Ako snimite plavo nebo, na primjer, na slici može izgledati kao da se sastoji od piksela malo različitih boja, a slika snimljena zatvorenim objektivom sastojat će se od više od crnih tačaka. Što je manja geometrijska veličina matrice sa jednakim brojem megapiksela, veći je njen šum, lošiji je kvalitet slike.

Za kompaktne digitalne uređaje, veličina matrice se obično označava kao razlomak i mjeri se u inčima. Zanimljivo je da ako pokušate izračunati ovaj razlomak i pretvoriti ga iz inča u milimetre, rezultirajuća vrijednost neće odgovarati stvarnim dimenzijama matrice. Ova kontradikcija je istorijski nastala kada je na sličan način naznačena veličina predajnog televizijskog uređaja (vidicon). Za digitalne SLR kamere, veličina matrice je ili direktno naznačena u milimetrima, ili naznačena kao faktor izrezivanja - broj koji pokazuje koliko je puta ova veličina manja od okvira standardnog filma od 24x36 mm.

Još jedna važna karakteristika matrica je da matrica sa N megapiksela zapravo sadrži N megapiksela, a štaviše, slika iz ove matrice se sastoji i od N megapiksela. Kažete šta je tu čudno? I evo čudne stvari - na slici je svaki piksel sastavljen od tri boje, crvene, zelene i plave. Čini se da bi se svaki piksel na matrici trebao sastojati i od tri elementa osjetljiva na svjetlost, odnosno crvenog, zelenog i plavog. Međutim, u stvarnosti to nije slučaj. Svaki piksel se sastoji od samo jednog elementa. Odakle onda dolazi boja? Zapravo, svjetlosni filter se primjenjuje na svaki piksel na takav način da svaki piksel percipira samo jednu od boja. Svjetlosni filteri se izmjenjuju - prvi piksel percipira samo crvenu boju, drugi - samo zelenu, treći - samo plavu. Nakon čitanja informacija iz matrice, boja za svaki piksel se izračunava iz boja ovog piksela i njegovih susjeda. Naravno, ova metoda donekle iskrivljuje sliku, ali algoritam izračuna boja je dizajniran na način da se boja malih detalja može izobličiti, ali ne i njihova svjetlina. A za ljudsko oko koje posmatra sliku važnija je svjetlina, a ne boja ovih detalja, pa su ta izobličenja gotovo neprimjetna. Ovaj uzorak se zove Bayer uzorak po Kodak inženjeru koji je patentirao obrazac filtera.

Većina modernih fotoosjetljivih matrica koje se koriste u kompaktnim digitalnim fotoaparatima imaju dva ili tri načina rada. Glavni režim se koristi za fotografisanje i omogućava čitanje slike maksimalne rezolucije sa matrice. Ovaj način rada zahtijeva odsustvo bilo kakvog osvjetljenja matrice tokom očitavanja okvira, što zauzvrat zahtijeva obavezno prisustvo mehaničkog zatvarača. Drugi način rada velike brzine omogućava čitanje cijele slike s matrice frekvencijom od 30 puta u sekundi, ali u smanjenoj rezoluciji. Ovaj način rada ne zahtijeva mehanički zatvarač i koristi se za pregled i video snimanje. Treći način vam omogućava da čitate sliku dvostruko brže, ali ne iz cijelog područja matrice. Ovaj način rada se koristi za rad autofokusa. Matrice koje se koriste u SLR digitalnim fotoaparatima nemaju režime velike brzine.

Ali nisu sve matrice osjetljive na svjetlost dizajnirane na ovaj način. Sigma proizvodi Foveon matrice, u kojima se svaki piksel zaista sastoji od tri elementa osjetljiva na svjetlost. Ove matrice imaju znatno manje megapiksela od svojih konkurenata, ali kvalitet slike sa ovih matrica praktički nije inferioran u odnosu na njihove konkurente s više megapiksela.

Fujijeve SuperCCD matrice imaju još jednu zanimljivu karakteristiku. Pikseli u ovim matricama su heksagonalnog oblika i raspoređeni poput saća. S jedne strane, u ovom slučaju se osjetljivost povećava zbog veće površine piksela, a s druge strane, korištenjem posebnog interpolacionog algoritma možete dobiti bolji detalj slike.

U ovom slučaju, interpolacija zaista poboljšava detalje slike, za razliku od uređaja drugih proizvođača, gdje se slika interpolira iz matrice koja ima normalan raspored piksela. Osnovna razlika između ovih matrica je u tome što je razmak između piksela upola manji od samih piksela. Ovo vam omogućava da povećate detalje slike duž vertikalnih i horizontalnih linija. U isto vrijeme, konvencionalne matrice imaju bolje dijagonalne detalje, ali na stvarnim slikama dijagonalne linije su obično manje od vertikalnih ili horizontalnih.

Interpolacija– algoritam za izračunavanje nedostajućih vrednosti iz susednih vrednosti. Ako znamo da je u 8 ujutro temperatura napolju bila +16 stepeni, a u 10 porasla na +20, nećemo se mnogo pogriješiti ako pretpostavimo da je u 9 ujutro temperatura bila oko +18.

Nedostaci CCD senzora su to što su analogne komponente, zahtijevaju više elektronike "u blizini" senzora, skuplji su za proizvodnju i mogu potrošiti do 100 puta više energije od CMOS senzora. Povećana potrošnja energije takođe može dovesti do povećanja temperature u samoj kameri, što negativno utiče ne samo na kvalitet slike i povećava cenu finalnog proizvoda, već i na stepen uticaja na životnu sredinu.

CCD senzori takođe zahtevaju brži prenos podataka jer svi podaci prolaze kroz samo jedno ili više izlaznih pojačala. Uporedite slike 4 i 6 koje prikazuju ploče sa CCD senzorom i CMOS senzorom, respektivno.

CMOS čipovi imaju niz prednosti. Za razliku od CCD senzora, CMOS senzori sadrže pojačala i analogno-digitalne pretvarače, što značajno umanjuje cijenu finalnog proizvoda, jer. već sadrži sve potrebne elemente za dobijanje slike. Svaki CMOS piksel sadrži elektronske pretvarače. U poređenju sa CCD senzorima, CMOS senzori nude više funkcionalnosti i veće mogućnosti integracije. Ostale prednosti uključuju brže očitavanje, manju potrošnju energije, visoku otpornost na buku i manju veličinu sistema.

U CMOS senzorima je moguće čitanje slike iz pojedinačnih piksela, što vam omogućava da „prozorite“ sliku, tj. očitati očitavanje ne cijelog senzora, već samo njegovog određenog područja. Tako možete dobiti veću brzinu kadrova od senzorskog dijela za naknadnu digitalnu PTZ (pan/tilt/zoom, pan/tilt/zoom) obradu. Osim toga, ovo omogućava prijenos nekoliko video tokova s jednog CMOS senzora, simulirajući nekoliko "virtuelnih kamera"

HDTV i megapikselne kamere

Megapikselni senzori i televizija visoke definicije omogućavaju digitalnim IP kamerama da daju veću rezoluciju slike od analognih CCTV kamera, tj. oni pružaju veću sposobnost uočavanja detalja i identifikacije ljudi i objekata – ključni faktor u video nadzoru. Megapikselna IP kamera ima najmanje dvostruko veću rezoluciju od analogne CCTV kamere. Megapikselni senzori su ključni za HDTV, megapikselne i multi-megapikselne kamere. I može se koristiti za pružanje izuzetno visokih detalja slike i višestrukog video zapisa.

Megapikselni CMOS senzori su dostupniji i mnogo jeftiniji od megapikselnih CCD senzora, iako postoje i prilično skupi CMOS senzori.

Teško je proizvesti brzi megapikselni CCD senzor, što je naravno nedostatak, pa je stoga teško proizvesti multi-megapikselnu kameru koristeći CCD tehnologiju.

Na ovaj ili onaj način, napredak ne miruje. Dolazi do brzog razvoja megapikselnih senzora, a njihova osjetljivost na svjetlost se stalno povećava.

Glavne razlike između CMOS-a i CCD-a

CMOS senzori sadrže pojačala, A/D pretvarače i često dodatne čipove za obradu, dok se u CCD kameri većina funkcija obrade signala obavlja izvan senzora. CMOS senzori troše manje energije od CCD senzora, što znači da se temperatura unutar kamere može održavati nižom. Povišena temperatura CCD senzora može povećati smetnje. S druge strane, CMOS senzori mogu patiti od strukturiranih šuma (crte, itd.).

CMOS senzori podržavaju "prozor" slike i višestruki video, što nije moguće sa CCD senzorima. CCD senzori obično imaju jedan A/D konvertor, dok ga kod CMOS senzora ima svaki piksel. Brže očitavanje u CMOS senzorima omogućava im da se koriste u proizvodnji multi-megapikselnih kamera.

Savremeni tehnološki napredak zamagljuje razliku u osjetljivosti na svjetlost između CCD i CMOS senzora.

Zaključak

Senzor je glavni strukturni element kamere i jedan od ključnih parametara koje korisnik uzima u obzir pri odabiru kamere. Matrice modernih digitalnih fotoaparata mogu se klasificirati prema nekoliko predznaka, ali glavna i najčešća je podjela matrica prema metoda očitavanja punjenja, na: matrice CCD tip i CMOS matrice. U ovom članku ćemo razmotriti principe rada, kao i prednosti i nedostatke ove dvije vrste matrica, budući da se naširoko koriste u modernoj foto i video opremi.

CCD matrica

Matrix CCD takođe pozvan CCD(Uređaji spojeni na punjenje). CCD matrica je pravokutna ploča od elemenata osjetljivih na svjetlost (fotodiode) smještena na silikonskom poluvodičkom kristalu. Princip njegovog rada zasniva se na kretanju linija po liniju naboja koji su se nakupili u prazninama koje su formirali fotoni u atomima silicija. Odnosno, prilikom sudara sa fotodiodom, foton svjetlosti se apsorbira i elektron se oslobađa (nastaje unutrašnji fotoelektrični efekat). Kao rezultat, formira se naboj, koji se nekako mora pohraniti za dalju obradu. U tu svrhu u silicijumsku podlogu matrice ugrađen je poluprovodnik, iznad kojeg se nalazi prozirna elektroda od polikristalnog silicijuma. A kao rezultat primjene električnog potencijala na ovu elektrodu u osiromašenoj zoni ispod poluvodiča, formira se takozvana potencijalna bušotina u kojoj se pohranjuje naboj primljen od fotona. Prilikom očitavanja električnog naboja iz matrice, naboji (pohranjeni u potencijalnim jama) se prenose duž elektroda za prijenos do ruba matrice (serijski pomak registra) i prema pojačavaču, koji pojačava signal i prenosi ga na analogni- u digitalni pretvarač (ADC), odakle se konvertovani signal šalje procesoru koji obrađuje signal i pohranjuje rezultirajuću sliku na memorijsku karticu .

Polisilikonske fotodiode se koriste za proizvodnju CCD matrica. Takve matrice su male veličine i omogućuju vam da dobijete prilično kvalitetne fotografije pri snimanju uz normalno osvjetljenje.

Prednosti CCD-a:

Dizajn matrice obezbeđuje visoku gustinu fotoćelija (piksela) na podlozi;
Visoka efikasnost (odnos registrovanih fotona prema njihovom ukupnom broju je oko 95%);
Visoka osjetljivost;
Dobra reprodukcija boja (pod dovoljnim osvjetljenjem).

Nedostaci CCD matrica:

Visok šum pri visokom ISO (pri niskom ISO, nivo buke je umeren);
Mala brzina u poređenju sa CMOS matricama;
Velika potrošnja energije;
Složenija tehnologija očitavanja signala, budući da su potrebna mnoga upravljačka mikrokola;
Proizvodnja je skuplja od CMOS matrica.

CMOS matrica

Matrica CMOS, ili CMOS senzor(Complementary Metal Oxide Semiconductors) koristi senzore aktivne tačke. Za razliku od CCD-a, CMOS senzori sadrže poseban tranzistor u svakom fotoosjetljivom elementu (pikselu), što rezultira konverzijom naboja koja se izvodi direktno u pikselu. Rezultirajući naboj se može očitati iz svakog piksela pojedinačno, tako da nema potrebe za prijenosom naboja (kao što je slučaj sa CCD-ovima). CMOS pikseli su integrisani direktno sa analogno-digitalnim pretvaračem ili čak sa procesorom. Ova pametna tehnologija rezultira uštedom energije zbog kraćih lanaca operacija u odnosu na CCD matrice, kao i nižom cijenom uređaja zbog jednostavnijeg dizajna.

Kratak princip rada CMOS senzora: 1) Prije snimanja, signal za resetiranje se primjenjuje na reset tranzistor. 2) Tokom ekspozicije, svetlost prodire kroz sočivo i filter do fotodiode, a kao rezultat fotosinteze, naelektrisanje se akumulira u potencijalnoj bušotini. 3) Čita se vrijednost primljenog napona. 4) Obrada podataka i čuvanje slike.

Prednosti CMOS senzora:

Niska potrošnja energije (posebno u standby modovima);
Visoke performanse;
Zahtijeva manje proizvodnih troškova, zbog sličnosti tehnologije sa proizvodnjom mikro krugova;
Jedinstvo tehnologije sa ostalim digitalnim elementima, koje vam omogućava da kombinujete analogne, digitalne i procesne delove na jednom kristalu (odnosno, osim hvatanja svetlosti u pikselu, možete pretvoriti, obraditi i očistiti signal od šuma).
Mogućnost nasumičnog pristupa svakom pikselu ili grupi piksela, što može smanjiti veličinu snimljene slike i povećati brzinu čitanja.

Nedostaci CMOS matrica:

Fotodioda zauzima malu površinu piksela, što rezultira niskom svjetlosnom osjetljivošću matrice, ali u modernim CMOS matricama ovaj minus je praktički eliminiran;
Prisustvo toplotnog šuma od grejanja tranzistora unutar piksela tokom procesa čitanja.
Relativno velikih dimenzija, fluoroopremu sa ovom vrstom matrica karakteriše velika težina i dimenzije.

Pored navedenih tipova, postoje i troslojne matrice, od kojih je svaki sloj CCD. Razlika je u tome što ćelije mogu istovremeno percipirati tri boje, koje nastaju dikroičnim prizmama kada ih udari snop svjetlosti. Zatim se svaki snop usmjerava na zasebnu matricu. Kao rezultat, na fotoćeliji se odjednom određuje svjetlina plave, crvene i zelene boje. Troslojne matrice se koriste u video kamerama visokog nivoa, koje imaju posebnu oznaku - 3CCD.

Sumirajući, želio bih napomenuti da se razvojem tehnologija za proizvodnju CCD i CMOS matrica mijenjaju i njihove karakteristike, pa je sve teže reći koja je od matrica definitivno bolja, ali u isto vrijeme , CMOS matrice su postale sve popularnije u proizvodnji SLR fotoaparata. Na osnovu karakteristika različitih tipova matrica može se dobiti jasna ideja zašto je profesionalna fotografska oprema koja omogućava kvalitetno snimanje prilično glomazna i teška. Ove informacije treba imati na umu pri odabiru kamere - to jest, uzeti u obzir fizičke dimenzije matrice, a ne broj piksela.

Matrica je osnova svakog foto ili video uređaja. Određuje kvalitetu i veličinu rezultirajuće slike. Do danas se u proizvodnji matrica koriste dva različita tehnološka principa - CCD i CMOS. Vrlo često možete čuti pitanje: "Koju matricu odabrati: CCD ili CMOS?" Među ljubiteljima foto i video opreme vode se žestoke rasprave o tome. U ovom članku ćemo pregledati ove dvije vrste i pokušati shvatiti koja je matrica bolja - CCD ili CMOS.

opće informacije

Matrice su dizajnirane da digitaliziraju parametre svjetlosnih zraka na njihovoj površini. Ne može se govoriti o jasnoj prednosti jedne od tehnologija. Možete napraviti poređenja po određenim parametrima i identificirati lidera u jednom ili drugom aspektu. Što se tiče preferencija korisnika, glavni kriterij za njih često je cijena proizvoda, čak i ako je lošiji u kvaliteti ili tehničkim karakteristikama od svog konkurenta.

Dakle, da vidimo šta su oba tipa uređaja. CCD-matrica je mikrokolo koje se sastoji od fotodioda osjetljivih na svjetlost; baziran je na silicijumu. Posebnost njegovog rada leži u principu rada uređaja s nabojom. CMOS-matrica je uređaj stvoren na bazi poluvodičkih uređaja koji imaju izoliranu kapiju s kanalima različite vodljivosti.

Princip rada

Pređimo na identifikaciju razlika koje će vam pomoći da napravite izbor: što je bolje - CMOS ili CCD matrica? Glavna razlika između ove dvije tehnologije je način na koji rade. CCD uređaji pretvaraju naboj iz piksela u električni potencijal, koji se pojačava izvan fotoosjetljivih senzora. Rezultat je analogna slika. Nakon toga se cijela slika digitalizira u ADC-u. Odnosno, uređaj se sastoji od dva dijela - same matrice i pretvarača. CMOS tehnologiju odlikuje činjenica da digitalizuje svaki piksel pojedinačno. Izlaz je gotova digitalna slika. Odnosno, električni naboj u matričnom pikselu se akumulira u kondenzatoru iz kojeg se uklanja električni potencijal. Prenosi se na analogno pojačalo (ugrađeno direktno u piksel), nakon čega se digitalizira u pretvaraču.

Šta odabrati: CCD ili CMOS?

Jedan od važnih parametara koji određuju izbor između ovih tehnologija je broj matričnih pojačala. CMOS uređaji imaju veći broj ovih uređaja (u svakoj tački), pa je kvalitet slike blago smanjen tokom prenosa signala. Stoga se CCD matrice koriste za kreiranje slika s visokim stupnjem detalja, na primjer, u medicinske, istraživačke i industrijske svrhe. Ali CMOS tehnologije se uglavnom koriste u kućanskim aparatima: web kamerama, pametnim telefonima, tabletima, laptopima itd.

Sljedeći parametar koji određuje koji je tip bolji - CCD ili CMOS - je gustoća fotodioda. Što je veći, to će manje fotona „propasti“, odnosno slika će biti bolja. Po ovom parametru, CCD matrice nadmašuju svoje konkurente, jer nude raspored koji nema takve praznine, dok ih CMOS ima (u njima su tranzistori).

Ipak, kada se korisnik nađe pred izborom: koji - CMOS ili CCD - da kupi, pojavljuje se glavni parametar - cijena uređaja. CCD-tehnologija je mnogo skuplja od svog konkurenta i energetski intenzivnija. Stoga ih je nepraktično instalirati tamo gdje je dovoljna slika srednjeg kvaliteta.