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

25.08.2019 Programi

Većina modernih digitalnih uređaja za fotografiju i video koristi dvije vrste matrica - CCD i CMOS.

CCD - uređaj s spregnutim nabojem (ili CCD - uređaj s povratnim punjenjem).

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

U digitalnom fotoaparatu ili video kameri, matrica je analogna fotografskom i video filmu. Ali za razliku od filmova, matrica nije za jednokratnu upotrebu, nije obložena posebnom emulzijom koja kemijski reagira sa svjetlom i ne zadržava gotov okvir.

Matrica je elektronički uređaj visoke tehnologije, čija je glavna funkcija digitalizacija svjetlosti koja pada na njegovu površinu kroz leću. Nakon čega se to digitalizirano svjetlo pretvara u jedan od popularnih digitalnih formata i pohranjuje na tvrdi disk ili neki drugi za to namijenjen uređaj.

Matrice izrađene pomoću CCD (ili CCD) tehnologije razlikuju se od matrica izrađenih pomoću CMOS (ili CMOS) tehnologije u nekoliko ključnih parametara. Prije svega, ovo je reprodukcija boja. Vjeruje se da je bolje na CCD matricama. Međutim, opće je prihvaćeno da su CCD senzori puno bučniji od svojih CMOS parnjaka, čak i pri srednjim ISO vrijednostima. Stoga je većina modernih digitalnih fotoaparata opremljena CMOS matricama. Osim toga, CCD matrice su skuplje za proizvodnju i troše puno više energije od CMOS-a.
Glavna razlika između tehnologija je princip površinskog odgovora na signal. Drugim riječima, CCD matrica u cijelosti obrađuje svu svjetlost koja na nju pada. I CMOS matrica se radi u dijelovima - svaki piksel zasebno. Zahvaljujući inovativnoj tehnologiji Active Pixel Sensors (APS), korištenjem tranzistorskih pojačala spojenih na svaki piksel, kvaliteta prikaza boja CMOS matrica približna je razini CCD matrica.

Video kamera s tri matrice />

Za video snimanje poželjno je odabrati opremu koja se temelji na CCD matricama. Ova vrsta matrice puno je bolja u snimanju pokretnih slika, što tehnološki sporije CMOS matrice ne mogu pratiti. Neki, uključujući i one za amatersku fotografiju, opremljeni su s tri CCD matrice odjednom – od kojih je svaka konfigurirana za snimanje zasebne boje iz RGB modela. Takve video kamere karakteriziraju poboljšana reprodukcija boja i poboljšana kvaliteta videa. Većina profesionalnih digitalnih video kamera opremljena je s tri CCD matrice.

Naprotiv, fotoaparati koji koriste CMOS matrice su prikladniji za fotografiranje.

1. Uvod u senzore slike

Kada je slika snimljena objektivom video kamere, svjetlost prolazi kroz objektiv i udara u senzor slike. Senzor slike, ili senzor, sastoji se od mnogih elemenata, koji se nazivaju i pikseli, koji bilježe količinu svjetlosti koja ih pada. Pikseli pretvaraju rezultirajuću količinu svjetlosti u odgovarajući broj elektrona. Što više svjetla pogodi piksel, to će on generirati više elektrona. Elektroni se pretvaraju u napon i zatim pretvaraju u brojeve prema vrijednostima ADC (analogno-digitalni pretvarač, A/D-pretvornik). Signal sastavljen od takvih brojeva obrađuju elektronički sklopovi unutar video kamere.

Trenutno postoje dvije glavne tehnologije koje se mogu koristiti za stvaranje senzora slike u fotoaparatu, a to su CCD (uređaj s nabojem) i CMOS (komplementarni metal-oksidni poluvodič). O njihovim značajkama, prednostima i nedostacima raspravljat ćemo u ovom članku. Slika ispod prikazuje CCD (gore) i CMOS (dolje) senzore slike.

Filtriranje boja. Kao što je gore opisano, senzori slike bilježe količinu svjetlosti koja pada na njih, od svijetle do tamne, ali bez informacija o boji. Budući da su CMOS i CCD senzori slike "slijepi za boje", filtar se postavlja ispred svakog senzora kako bi se dodijelio ton boje svakom pikselu u senzoru. Dvije glavne metode registracije boja su RGB (crvena-pohlepna-plava) i CMYG (cijan-magenta-žuta-zelena). Crvena, zelena i plava su primarne boje, čije različite kombinacije mogu činiti većinu boja koje percipira ljudsko oko.

Bayerov filtar (ili Bayerov niz), koji se sastoji od izmjeničnih redova crveno-zelenih i plavo-zelenih filtara, najčešći je RGB filtar u boji (vidi sliku 2). Bayerov filtar sadrži dvostruko veći broj zelenih "stanica" jer Ljudsko oko je osjetljivije na zelenu nego na crvenu ili plavu. To također znači da će s ovakvim omjerom boja u filtru ljudsko oko vidjeti više detalja nego da se u filtru koriste tri boje u jednakom omjeru.

Drugi način filtriranja (ili registriranja) boja je korištenje komplementarnih boja cijan, magenta i žuta. Filtar komplementarne boje obično se kombinira s filtrom zelene boje u obliku CMYG niza boja, kao što je prikazano na slici 2 (desno). CMYG filtar boja obično nudi veći signal piksela jer... ima širu spektralnu širinu pojasa. Međutim, signal se mora pretvoriti u RGB da bi se koristio u konačnoj slici, što podrazumijeva dodatnu obradu i unosi šum. Posljedica toga je smanjenje omjera signala i šuma, zbog čega su CMYG sustavi manje dobri u prikazivanju boja.

CMYG filtar boja obično se koristi u senzorima slike s isprepletenim skeniranjem, dok se RGB sustavi prvenstveno koriste u senzorima slike s progresivnim skeniranjem.

2. CCD tehnologija

U CCD senzoru, svjetlost (naboj) koja pada na piksel senzora prenosi se s čipa kroz jedan izlazni čvor ili kroz samo nekoliko izlaznih čvorova. Naboji se pretvaraju u naponsku razinu, akumuliraju i šalju kao analogni signal. Taj se signal zatim zbraja i pretvara u brojeve pomoću analogno-digitalnog pretvarača izvan senzora (vidi sliku 3).

CCD tehnologija je izumljena posebno za upotrebu u video kamerama, a CCD senzori su u upotrebi već 30 godina. Tradicionalno, CCD senzori imaju brojne prednosti u odnosu na CMOS senzore, naime bolju osjetljivost na svjetlo i nisku razinu šuma. U posljednje vrijeme, međutim, razlike su jedva primjetne.

Mane CCD senzora su što su analogne komponente, što zahtijeva više elektronike "u blizini" senzora, skuplji su za proizvodnju, a mogu trošiti i do 100 puta više energije od CMOS senzora. Povećana potrošnja energije također može dovesti do viših temperatura u samoj kameri, što ne samo da negativno utječe na kvalitetu slike i povećava cijenu konačnog proizvoda, već i na utjecaj na okoliš.

CCD senzori zahtijevaju i veće brzine prijenosa podataka, jer... svi podaci prolaze kroz samo jedno ili nekoliko izlaznih pojačala. Usporedite slike 4 i 6 koje prikazuju ploče s CCD senzorom, odnosno CMOS senzorom.

3.CMOS tehnologija

U ranoj fazi, konvencionalni CMOS čipovi su korišteni za prikaz, ali je kvaliteta slike bila loša zbog niske svjetlosne osjetljivosti CMOS elemenata. Moderni CMOS senzori proizvode se korištenjem više specijalizirane tehnologije, što je posljednjih godina dovelo do brzog rasta kvalitete slike i svjetlosne osjetljivosti.

CMOS čipovi imaju niz prednosti. Za razliku od CCD senzora, CMOS senzori sadrže pojačala i analogno-digitalne pretvarače, što značajno smanjuje cijenu konačnog proizvoda, jer već sadrži sve potrebne elemente za dobivanje slike. Svaki CMOS piksel sadrži elektroničke pretvarače. U usporedbi s CCD senzorima, CMOS senzori imaju veću funkcionalnost i veće mogućnosti integracije. Ostale prednosti uključuju brže vrijeme očitavanja, manju potrošnju energije, veću otpornost na buku i manju veličinu sustava.

Međutim, posjedovanje elektroničkog sklopa unutar čipa predstavlja rizik od strukturiranije buke, poput pruga. Proizvodna kalibracija CMOS senzora također je složenija nego kod CCD senzora. Srećom, moderna tehnologija omogućuje proizvodnju samokalibrirajućih CMOS senzora.

U CMOS senzorima moguće je očitati sliku iz pojedinačnih piksela, što omogućuje "prozor" slike, tj. čitajte očitanja ne cijelog senzora, već samo određenog područja. Stoga je moguće dobiti veću brzinu kadrova od senzorskog dijela za naknadnu digitalnu PTZ (engleski pan/tilt/zoom, panorama/tilt/zoom) obradu. Osim toga, ovo omogućuje prijenos više video tokova s jednog CMOS senzora, simulirajući više "virtualnih kamera"

4. HDTV i megapikselne kamere

Megapikselni senzori i televizija visoke razlučivosti omogućuju digitalnim IP kamerama veću rezoluciju slike od analognih CCTV kamera, tj. pružaju veću mogućnost razaznavanja detalja i identifikacije osoba i predmeta - ključni čimbenik u video nadzoru. Megapikselna IP kamera ima najmanje dvostruko veću rezoluciju od analogne CCTV kamere. Megapikselni senzori ključni su u televiziji visoke razlučivosti, megapikselnim i višemegapikselnim kamerama. I može se koristiti za pružanje izuzetno visoke pojedinosti slike i multi-stream videa.

Megapikselni CMOS senzori imaju veću primjenu i mnogo su 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 pomoću CCD tehnologije.

Većina senzora u megapikselnim kamerama općenito je slične veličine slike VGA senzorima, s razlučivošću 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 toga je da je svaki piksel u megapikselnom senzoru manje osjetljiv na svjetlost.

Na ovaj ili onaj način, napredak ne stoji mirno. Megapikselni senzori se ubrzano razvijaju, a njihova svjetlosna osjetljivost stalno raste.

5. Glavne razlike

CMOS senzori sadrže pojačala, A/D pretvarače i često dodatne čipove za obradu, dok se u CCD kameri većina obrade signala obavlja izvan senzora. CMOS senzori troše manje energije od CCD senzora, što znači da se kamera može držati na nižoj unutrašnjoj temperaturi. Povećana temperatura CCD senzora može povećati smetnje. S druge strane, CMOS senzori mogu patiti od strukturiranog šuma (banding, itd.).

CMOS senzori podržavaju prozore slike i višestruki video, što nije moguće s CCD senzorima. CCD senzori obično imaju jedan A/D pretvarač, dok kod CMOS senzora svaki piksel ima jedan. Brže očitavanje u CMOS senzorima omogućuje njihovu upotrebu u proizvodnji kamera s više megapiksela.

Moderni tehnološki napredak briše razliku u osjetljivosti na svjetlo između CCD i CMOS senzora.

6. Zaključak

CCD i CMOS senzori imaju različite prednosti i nedostatke, ali tehnologija brzo napreduje i situacija se stalno mijenja. Pitanje hoće li odabrati kameru s CCD senzorom ili CMOS senzorom postaje bespredmetno. Ovaj izbor ovisi isključivo o zahtjevima klijenta za kvalitetom slike sustava video nadzora.

CCD je uređaj s spregnutim nabojem. Ovakav tip matrice u početku se smatrao kvalitetnijim, ali i skupljim i energetski trošnijim. Ako ukratko zamislite osnovni princip rada CCD matrice, onda oni prikupljaju cijelu sliku u analognoj verziji, a tek onda je digitaliziraju.

Za razliku od CCD matrica, CMOS matrice (komplementarni metal-oksid-poluvodič, komplementarna logika na metal-oksid-poluvodiču tranzistorima, CMOS) digitaliziraju svaki piksel na mjestu. CMOS matrice su u početku bile manje troše energije i jeftinije, posebno u proizvodnji velikih matrica, ali su bile inferiorne u odnosu na CCD matrice u kvaliteti.

Prednosti CCD matrica uključuju:

Niska razina buke.
Visok faktor popunjenosti piksela (oko 100%).
Visoka učinkovitost (omjer broja registriranih fotona i njihovog ukupnog broja koji pada na fotoosjetljivo područje matrice, za CCD - 95%).
Visoki dinamički raspon (osjetljivost).

Nedostaci CCD matrica uključuju:

Princip očitavanja signala, a time i tehnologija, je složen.
Visoka razina potrošnje energije (do 2-5W).
Skuplji za proizvodnju.

Prednosti CMOS matrica:

Visoke performanse (do 500 fps).
Niska potrošnja energije (gotovo 100 puta u usporedbi s CCD-om).
Jeftiniji i lakši za proizvodnju.
Izgledi tehnologije (na istom čipu, u načelu, ne košta ništa implementirati sve potrebne dodatne sklopove: analogno-digitalne pretvarače, procesor, memoriju, čime se dobiva kompletna digitalna kamera na jednom čipu. Usput, stvaranje takvog uređaja provodi se zajednički od 2002. Samsung Electronics i Mitsubishi Electric).

Nedostaci CMOS matrica uključuju

Nizak faktor popunjavanja piksela, što smanjuje osjetljivost (efektivna površina piksela ~75%, ostatak zauzimaju tranzistori).
Visoka razina buke (uzrokovana je takozvanim tempo strujama - čak i u nedostatku osvjetljenja, kroz fotodiodu teče prilično značajna struja), čija borba komplicira i poskupljuje tehnologiju.
Nizak dinamički raspon.

Uvod u senzore slike

Kada je slika snimljena objektivom video kamere, svjetlost prolazi kroz objektiv i udara u senzor slike. Senzor slike ili matrica sastoji se od mnogih elemenata, koji se nazivaju i pikseli, koji bilježe količinu svjetlosti koja pada na njih. Pikseli pretvaraju rezultirajuću količinu svjetlosti u odgovarajući broj elektrona. Što više svjetla pogodi piksel, to će on generirati više elektrona. Elektroni se pretvaraju u napon, a zatim u brojeve prema vrijednostima ADC (analogno-digitalni pretvarač). Signal sastavljen od takvih brojeva obrađuju elektronički sklopovi unutar video kamere.

CMYG filtar boja obično se koristi u senzorima slike s isprepletenim skeniranjem, dok se RGB sustavi prvenstveno koriste u senzorima slike s progresivnim skeniranjem.

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

Svaki fotoosjetljivi element je kondenzator koji se puni kad je izložen svjetlu. Kondenzator se to jače puni što je svjetlost koja pada na njega jača ili što je dulje 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. Neki pikseli primaju više toplinskih elektrona, dok drugi primaju manje. Rezultat je digitalni šum. Ako, primjerice, uslikate plavo nebo, 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 točkica. Što je manja geometrijska veličina matrice s istim brojem megapiksela, to je veći njen šum, to je lošija kvaliteta slike.

Za kompaktne digitalne uređaje veličina matrice obično se označava kao razlomak i mjeri u inčima. Zanimljivo je da ako pokušate izračunati ovaj ulomak i pretvoriti ga iz inča u milimetre, dobivena vrijednost neće odgovarati stvarnim dimenzijama matrice. Ova kontradikcija nastala je povijesno kada je veličina televizijskog odašiljača (vidicon) označena na sličan način. Za digitalne SLR fotoaparate, veličina matrice je ili izravno naznačena u milimetrima ili naznačena kao crop faktor - broj koji pokazuje koliko je puta ta veličina manja od okvira standardnog filma 24x36 mm.

Još jedna važna značajka matrica je da matrica s N megapiksela zapravo sadrži N megapiksela, štoviše, slika iz ove matrice također se sastoji od N megapiksela. Kažete, što je tu čudno? Ali čudno je to što se na slici svaki piksel sastoji od tri boje, crvene, zelene i plave. Čini se da bi se na matrici svaki piksel trebao sastojati od tri elementa osjetljiva na svjetlo, crvenog, zelenog i plavog. Međutim, u stvarnosti to nije tako. Svaki piksel se sastoji od samo jednog elementa. Odakle onda dolazi boja? Zapravo, svjetlosni filtar se primjenjuje na svaki piksel na takav način da svaki piksel percipira samo jednu od boja. Filtri se izmjenjuju - prvi piksel percipira samo crvenu, drugi - samo zelenu, treći - samo plavu. Nakon očitavanja informacija iz matrice, boja za svaki piksel se izračunava na temelju boja ovog piksela i njegovih susjeda. Naravno, ova metoda donekle iskrivljuje sliku, ali algoritam za izračun boje dizajniran je na takav način da se boja malih detalja može iskriviti, ali ne i njihova svjetlina. A za ljudsko oko koje gleda sliku važnija je svjetlina, a ne boja ovih detalja, pa su ta izobličenja gotovo nevidljiva. Ta se struktura naziva Bayerovim uzorkom, nazvanom po Kodakovom inženjeru koji je patentirao ovu strukturu filtera.

Većina modernih fotoosjetljivih matrica koje se koriste u kompaktnim digitalnim fotoaparatima imaju dva ili tri načina rada. Glavni način rada koristi se za fotografiranje i omogućuje čitanje slike maksimalne rezolucije s matrice. Ovaj način rada zahtijeva odsutnost bilo kakvog osvjetljenja matrice tijekom čitanja okvira, što pak zahtijeva prisutnost mehaničkog zatvarača. Drugi, brzi način rada omogućuje čitanje cijele slike s matrice frekvencijom od 30 puta u sekundi, ali u smanjenoj razlučivosti. Ovaj način rada ne zahtijeva mehanički zatvarač i koristi se za preglede i snimanje videozapisa. Treći način rada omogućuje čitanje slike dvostruko brže, ali ne iz cijelog područja matrice. Ovaj način se koristi za rad autofokusa. Matrice koje se koriste u SLR digitalnim fotoaparatima nemaju brze načine rada.

Ali nisu sve fotoosjetljive matrice dizajnirane na ovaj način. Tvrtka Sigma proizvodi Foveon matrice, u kojima se svaki piksel zapravo sastoji od tri elementa osjetljiva na svjetlo. Ove matrice imaju znatno manje megapiksela od svojih konkurenata, ali kvaliteta slike iz ovih matrica praktički nije niža od njihovih konkurenata s više megapiksela.

Fujijeve SuperCCD matrice imaju još jednu zanimljivu značajku. Pikseli u ovim matricama su šesterokutnog oblika i raspoređeni poput saća. S jedne strane, u ovom slučaju se povećava osjetljivost zbog veće površine piksela, a s druge strane, uz pomoć posebnog algoritma interpolacije, mogu se dobiti bolji detalji slike.

U ovom slučaju, interpolacija vam doista omogućuje poboljšanje detalja slike, za razliku od uređaja drugih proizvođača, gdje se interpolira slika iz matrice s uobičajenim rasporedom piksela. Temeljna razlika između ovih matrica je u tome što je razmak piksela upola manji od samih piksela. To vam omogućuje povećanje detalja slike duž okomitih i vodoravnih linija. U isto vrijeme, konvencionalne matrice imaju bolje dijagonalne detalje, ali na pravim fotografijama obično ima manje dijagonalnih linija nego okomitih ili vodoravnih.

Interpolacija– algoritam za izračunavanje nedostajućih vrijednosti iz susjednih vrijednosti. Ako znamo da je u 8 ujutro vani temperatura bila +16 stupnjeva, a u 10 se popela na +20, nećemo puno pogriješiti ako pretpostavimo da je u 9 ujutro temperatura bila oko +18.

U CCD senzoru, svjetlost (naboj) koja pada na piksel senzora prenosi se iz čipa kroz jedan izlazni čvor ili kroz samo nekoliko izlaznih čvorova. Naboji se pretvaraju u naponsku razinu, akumuliraju i šalju kao analogni signal. Taj se signal zatim zbraja i pretvara u brojeve pomoću analogno-digitalnog pretvarača izvan senzora (vidi sliku 3).

CCD senzori zahtijevaju i veće brzine prijenosa podataka, jer... svi podaci prolaze kroz samo jedno ili više izlaznih pojačala. Usporedite slike 4 i 6 koje prikazuju ploče s CCD senzorom, odnosno CMOS senzorom.

CMOS čipovi imaju niz prednosti. Za razliku od CCD senzora, CMOS senzori sadrže pojačala i analogno-digitalne pretvarače, što značajno smanjuje cijenu konačnog proizvoda, jer već sadrži sve potrebne elemente za dobivanje slike. Svaki CMOS piksel sadrži elektroničke pretvarače. U usporedbi s CCD senzorima, CMOS senzori imaju veću funkcionalnost i veće mogućnosti integracije. Ostale prednosti uključuju brže očitavanje, manju potrošnju energije, visoku otpornost na buku i manju veličinu sustava.

Međutim, posjedovanje elektroničkog sklopa unutar čipa predstavlja rizik od strukturiranije buke, poput pruga. Kalibracija CMOS senzora tijekom proizvodnje također je složenija nego kod CCD senzora. Srećom, moderna tehnologija omogućuje proizvodnju samokalibrirajućih CMOS senzora.

U CMOS senzorima moguće je očitati sliku iz pojedinačnih piksela, što omogućuje "prozor" slike, tj. čitajte očitanja ne cijelog senzora, već samo određenog područja. Tako je moguće dobiti veći broj slika od dijela senzora za naknadnu digitalnu PTZ (eng. pan/tilt/zoom, panorama/tilt/zoom) obradu. Osim toga, ovo omogućuje prijenos višestrukih video tokova s jednog CMOS senzora, simulirajući nekoliko "virtualnih kamera"

HDTV i megapikselne kamere

Megapikselni senzori i televizija visoke razlučivosti omogućuju digitalnim IP kamerama veću rezoluciju slike od analognih CCTV kamera, tj. pružaju veću mogućnost razaznavanja detalja i identifikacije osoba i predmeta - ključni čimbenik u videonadzoru. Megapikselna IP kamera ima najmanje dvostruko veću rezoluciju od analogne CCTV kamere. Megapikselni senzori ključni su za televiziju visoke razlučivosti, megapikselne i višemegapikselne kamere. I može se koristiti za pružanje izuzetno visoke pojedinosti slike i multi-stream videa.

Megapikselni CMOS senzori imaju veću primjenu i mnogo su 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 pomoću CCD tehnologije.

Na ovaj ili onaj način, napredak ne stoji mirno. Megapikselni senzori se ubrzano razvijaju, a njihova svjetlosna osjetljivost stalno raste.

Glavne razlike između CMOS-a i CCD-a

Moderni tehnološki napredak briše razliku u osjetljivosti na svjetlo između CCD i CMOS senzora.

Zaključak

Matrica 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 znakova, ali glavni i najčešći još uvijek je podjela matrica prema metoda očitavanja naboja, na: matrice CCD vrsta i CMOS matrice. U ovom članku ćemo pogledati principe rada, kao i prednosti i nedostatke ove dvije vrste matrica, budući da su one one koje se široko koriste u modernoj fotografskoj i video opremi.

CCD matrica

Matrica CCD također se zove CCD matrica(Uređaji povezani nabojem). CCD Matrica je pravokutna ploča fotoosjetljivih elemenata (fotodioda) smještenih na poluvodičkom kristalu silicija. Načelo njegova rada temelji se na kretanju naboja koji su se nakupili u rupama koje stvaraju fotoni u atomima silicija red po red. Odnosno, pri sudaru s fotodiodom, foton svjetlosti se apsorbira, a elektron se oslobađa (javlja se unutarnji fotoelektrični efekt). Kao rezultat toga nastaje naboj koji se mora nekako pohraniti za daljnju obradu. U tu svrhu u silicijsku podlogu matrice ugrađen je poluvodič iznad kojeg se nalazi prozirna elektroda od polikristalnog silicija. A kao rezultat primjene električnog potencijala na ovu elektrodu, formira se takozvana potencijalna jama u zoni osiromašenja ispod poluvodiča, u kojoj se pohranjuje naboj primljen od fotona. Prilikom očitavanja električnog naboja iz matrice, naboji (pohranjeni u potencijalnim jažicama) prenose se duž prijenosnih elektroda do ruba matrice (serijski pomačni registar) i prema pojačalu, koje pojačava signal i prenosi ga analogno-na- digitalni pretvarač (ADC), odakle se pretvoreni signal šalje u procesor koji obrađuje signal i sprema dobivenu sliku na memorijsku karticu .

Polisilikonske fotodiode koriste se za izradu CCD matrica. Takve matrice su male veličine i omogućuju vam da dobijete prilično kvalitetne fotografije pri snimanju pri normalnom osvjetljenju.

Prednosti CCD-a:

Dizajn matrice osigurava veliku gustoću postavljanja fotoćelija (piksela) na podlogu;
Visoka učinkovitost (omjer registriranih fotona prema njihovom ukupnom broju je oko 95%);
Visoka osjetljivost;
Dobar prikaz boja (uz dovoljno osvjetljenja).

Nedostaci CCD-a:

Visoka razina šuma pri visokom ISO (pri niskom ISO razina šuma je umjerena);
Niska brzina rada u usporedbi s CMOS matricama;
Velika potrošnja energije;
Složenija tehnologija očitavanja signala, budući da je potrebno mnogo kontrolnih čipova;
Proizvodnja je skuplja od CMOS matrica.

CMOS matrica

Matrica CMOS, ili CMOS matrica(Complementary Metal Oxide Semiconductors) koristi aktivne točkaste senzore. Za razliku od CCD-a, CMOS senzori sadrže zaseban tranzistor u svakom svjetlosno osjetljivom elementu (pikselu), zbog čega se pretvorba naboja vrši izravno u pikselu. Rezultirajući naboj može se očitati sa svakog piksela pojedinačno, eliminirajući potrebu za prijenosom naboja (kao što se događa s CCD-ima). Pikseli CMOS senzora integrirani su izravno u analogno-digitalni pretvarač ili čak u procesor. Kao rezultat korištenja takve racionalne tehnologije dolazi do uštede energije zbog smanjenja lanaca djelovanja u usporedbi s CCD matricama, kao i smanjenja cijene uređaja zbog jednostavnijeg dizajna.

Kratak princip rada CMOS senzora: 1) Prije snimanja, reset signal se primjenjuje na reset tranzistor. 2) Tijekom ekspozicije svjetlost prodire kroz leću i filter do fotodiode i kao rezultat fotosinteze dolazi do nakupljanja naboja u potencijalnoj jami. 3) Očitava se vrijednost primljenog napona. 4) Obrada podataka i spremanje slike.

Prednosti CMOS senzora:

Niska potrošnja energije (osobito u stanju pripravnosti);
Visoke performanse;
Zahtijeva manje troškove proizvodnje zbog sličnosti tehnologije s proizvodnjom mikro krugova;
Jedinstvo tehnologije s drugim digitalnim elementima, što vam omogućuje kombiniranje analognih, digitalnih i procesnih dijelova na jednom čipu (tj., osim hvatanja svjetla u pikselu, možete pretvoriti, obraditi i očistiti signal od šuma).
Mogućnost nasumičnog pristupa svakom pikselu ili skupini piksela, što vam omogućuje smanjenje veličine snimljene slike i povećanje brzine očitavanja.

Nedostaci CMOS matrica:

Fotodioda zauzima malo područje piksela, što rezultira slabom svjetlosnom osjetljivošću matrice, ali u modernim CMOS matricama ovaj je nedostatak praktički eliminiran;
Prisutnost toplinskog šuma od grijanja tranzistora unutar piksela tijekom procesa čitanja.
Relativno velike veličine, fotooprema s ovom vrstom matrice karakterizira velika težina i veličina.

Osim navedenih vrsta, postoje i troslojne matrice, od kojih je svaki sloj CCD. Razlika je u tome što stanice mogu istovremeno percipirati tri boje, koje nastaju dikroičnim prizmama kada na njih udari snop svjetlosti. Svaki se snop zatim usmjerava na zasebnu matricu. Kao rezultat toga, svjetlina plave, crvene i zelene boje se odmah određuje na fotoćeliji. U video kamerama visoke razine koriste se troslojne matrice koje imaju posebnu oznaku - 3CCD.

Ukratko, 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 u posljednje vrijeme sve popularnije u proizvodnji SLR fotoaparata. Na temelju karakterističnih značajki različitih vrsta matrica, može se dobiti jasna predodžba o tome zašto je profesionalna fotografska oprema koja pruža visokokvalitetno snimanje prilično glomazna i teška. Ovu informaciju svakako treba imati na umu pri odabiru kamere – odnosno voditi računa o fizičkim dimenzijama matrice, a ne o broju piksela.

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

opće informacije

Matrice su dizajnirane za digitalizaciju parametara svjetlosnih zraka na njihovoj površini. Ne može se govoriti o jasnoj prednosti jedne od tehnologija. Možete napraviti usporedbe na temelju specifičnih parametara i identificirati lidera u jednom ili onom aspektu. Što se tiče preferencija korisnika, često je glavni kriterij za njih trošak proizvoda, čak i ako je u kvaliteti ili tehničkim karakteristikama lošiji od svog konkurenta.

Dakle, shvatimo što su obje vrste uređaja. CCD matrica je mikrokrug koji se sastoji od fotodioda osjetljivih na svjetlost; izrađen je na bazi silicija. Osobitost njegovog rada leži u principu rada uređaja s nabojem. CMOS matrica je uređaj stvoren na temelju poluvodiča s izoliranim vratima s kanalima različite vodljivosti.

Princip rada

Prijeđimo na prepoznavanje razlika koje će vam pomoći da odaberete: što je bolje - CMOS ili CCD matrica? Glavna razlika između ove dvije tehnologije je princip njihovog rada. CCD uređaji pretvaraju naboj iz piksela u električni potencijal, koji se pojačava izvan svjetlosnih senzora. Rezultat je analogna slika. Nakon toga, cijela slika se digitalizira u ADC. Odnosno, uređaj se sastoji od dva dijela - same matrice i pretvarača. CMOS tehnologija je karakteristična po tome što digitalizira svaki piksel pojedinačno. Izlaz je gotova digitalna slika. To jest, električni naboj u pikselu matrice akumulira se u kondenzatoru iz kojeg se uklanja električni potencijal. Prenosi se u analogno pojačalo (ugrađeno izravno u piksel), nakon čega se digitalizira u pretvaraču.

Što 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 točki), pa kako signal prolazi, kvaliteta slike malo opada. Stoga se CCD matrice koriste za stvaranje slika s visokim stupnjem detalja, na primjer, u medicinske, istraživačke i industrijske svrhe. Ali CMOS tehnologije koriste se uglavnom u kućanskim aparatima: web kamerama, pametnim telefonima, tabletima, prijenosnim računalima itd.

Sljedeći parametar koji određuje koji je tip bolji - CCD ili CMOS - je gustoća fotodioda. Što je veći, manje će se fotona trošiti, a samim time i slika će biti bolja. U ovom parametru, CCD matrice su ispred svojih konkurenata, jer nude raspored koji nema takve praznine, dok ih CMOS ima (tranzistori su smješteni u njima).

Međutim, kada se korisnik suoči s izborom: koji - CMOS ili CCD - kupiti, pojavljuje se glavni parametar - cijena uređaja. CCD tehnologija puno je skuplja od svoje konkurencije i troši više energije. Stoga ih nije preporučljivo postavljati tamo gdje je dovoljna slika prosječne kvalitete.