Tipi di matrici di fotocamere. Sensori CCD e CMOS per foto e videocamere digitali

La matrice è la spina dorsale di qualsiasi dispositivo fotografico o video. Determina la qualità e la dimensione dell'immagine risultante. Oggi nella produzione di matrici vengono utilizzati due diversi principi tecnologici: CCD e CMOS. Molto spesso puoi sentire la domanda: "Quale matrice scegliere: CCD o CMOS?" Ci sono accesi dibattiti su questo tema tra gli appassionati di attrezzature fotografiche e video. In questo articolo esamineremo questi due tipi e proveremo a capire quale matrice è migliore: CCD o CMOS.

Informazione Generale

Le matrici sono progettate per digitalizzare i parametri dei raggi luminosi sulla loro superficie. Non è possibile parlare di un chiaro vantaggio di una delle tecnologie. I confronti possono essere effettuati in base a parametri specifici e un leader può essere identificato in un aspetto o nell'altro. Per quanto riguarda le preferenze degli utenti, spesso il criterio principale per loro è il costo del prodotto, anche se è inferiore per qualità o caratteristiche tecniche al suo concorrente.

Quindi, vediamo quali sono entrambi i tipi di dispositivi. Un CCD è un microcircuito costituito da fotodiodi sensibili alla luce; è a base di silicio. La particolarità del suo lavoro risiede nel principio di funzionamento di un dispositivo ad accoppiamento di carica. Una matrice CMOS è un dispositivo basato su un dispositivo a semiconduttore con un gate isolato con canali di diversa conduttività.

Principio di funzionamento

Passiamo all'identificazione delle differenze che ci aiuteranno a fare la scelta giusta: cosa è meglio: una matrice CMOS o un CCD? La principale differenza tra le due tecnologie è il modo in cui funzionano. I dispositivi CCD convertono la carica dei pixel in un potenziale elettrico, che viene amplificato all'esterno dei sensori fotosensibili. Il risultato è un'immagine analogica. Successivamente, l'intera immagine viene digitalizzata nell'ADC. Cioè, il dispositivo è costituito da due parti: la matrice stessa e il trasduttore. La tecnologia CMOS è caratterizzata dal fatto che digitalizza ogni pixel separatamente. L'output è un'immagine digitale già pronta. Cioè, la carica elettrica nel pixel della matrice viene accumulata nel condensatore, da cui viene rimosso il potenziale elettrico. Viene trasmesso a un amplificatore analogico (integrato direttamente nel pixel), dopodiché viene digitalizzato in un convertitore.

Dovresti scegliere CCD o CMOS?

Uno dei parametri importanti che determinano la scelta tra queste tecnologie è il numero di amplificatori a matrice. I dispositivi CMOS hanno un numero maggiore di questi dispositivi (in ogni punto), quindi, quando il segnale passa, la qualità dell'immagine è leggermente ridotta. Pertanto, le matrici CCD vengono utilizzate per creare immagini con un alto grado di dettaglio, ad esempio per scopi medici, di ricerca e industriali. Ma le tecnologie CMOS sono utilizzate principalmente negli elettrodomestici: webcam, smartphone, tablet, laptop, ecc.

Il parametro successivo che determina quale tipo è migliore - CCD o CMOS - è la densità dei fotodiodi. Più è alto, meno fotoni "verranno sprecati", rispettivamente, l'immagine sarà migliore. In questo parametro, le matrici CCD superano i loro concorrenti, poiché offrono un layout che non ha tali lacune, mentre CMOS le ha (i transistor si trovano in esse).

Tuttavia, quando l'utente si trova di fronte a una scelta: quale - CMOS o CCD - acquistare, viene visualizzato il parametro principale: il prezzo del dispositivo. La tecnologia CCD è significativamente più costosa della sua concorrente e richiede più energia. Pertanto, è poco pratico installarli dove l'immagine di qualità media è sufficiente.

Sensore CMOS

Gli array CMOS utilizzano transistor ad effetto di campo a gate isolato con canali di diversa conduttività.

Storia

Alla fine degli anni Sessanta. molti ricercatori hanno notato che le strutture CMOS sono sensibili alla luce. Tuttavia, i dispositivi CCD hanno fornito una sensibilità alla luce e una qualità dell'immagine così elevate che i sensori CMOS non hanno ricevuto alcuno sviluppo evidente.

All'inizio degli anni '90, le caratteristiche dei sensori CMOS, così come la tecnologia di produzione, sono state notevolmente migliorate. I progressi nella fotolitografia submicronica hanno reso possibile l'uso di composti più sottili nei sensori CMOS. Ciò ha portato ad un aumento della sensibilità alla luce a causa di una maggiore percentuale dell'area irradiata della matrice.

La rivoluzione nella tecnologia dei sensori CMOS è arrivata quando il Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA ha implementato con successo i sensori pixel attivi (APS) - sensori pixel attivi . Diversi decenni fa sono stati condotti studi teorici, ma l'uso pratico di un sensore attivo è stato rinviato al 1993. APS aggiunge un amplificatore a transistor a ciascun pixel per il rilevamento, il che rende possibile convertire la carica in tensione direttamente nel pixel. Ha inoltre fornito l'accesso casuale ai fotorilevatori, simile a quello implementato nei microcircuiti RAM.

Di conseguenza, nel 2008 i CMOS erano diventati praticamente un'alternativa ai CCD.

Quest'anno, al MWC di Barcellona, ​​​​Samsung ha dimostrato un nuovo tipo di sensori CMOS destinati agli smartphone.

Principio di funzionamento

• Il segnale di ripristino viene fornito prima dello scatto
• Durante l'esposizione, la carica viene accumulata dal fotodiodo.
• Durante la lettura viene campionato il valore di tensione sul condensatore

Vantaggi

• Il vantaggio principale della tecnologia CMOS è il suo basso consumo di energia statica. Ciò consente di utilizzare tali matrici come parte di dispositivi non volatili, ad esempio nei sensori di movimento e nei sistemi di sorveglianza, che sono per la maggior parte del tempo in modalità "sonno" o "attesa di un evento".
• Un importante vantaggio della matrice CMOS è l'unità della tecnologia con il resto, elementi digitali dell'apparecchiatura. Ciò porta alla possibilità di combinare le parti analogiche, digitali e di elaborazione su un cristallo (la tecnologia CMOS, essendo principalmente una tecnologia di elaborazione, implica non solo la "cattura" della luce, ma anche il processo di conversione, elaborazione, pulizia dei segnali non solo effettivamente catturato, ma e componenti di apparecchiature elettroniche di terze parti), che è servito come base per la miniaturizzazione delle fotocamere per un'ampia varietà di apparecchiature e per ridurre il loro costo a causa del rifiuto di chip del processore aggiuntivi.
• Usando il meccanismo di accesso casuale, puoi leggere gruppi selezionati di pixel. Questa operazione è chiamata lettura a finestre. Il ritaglio consente di ridurre le dimensioni dell'immagine catturata e potenzialmente aumentare la velocità di lettura rispetto ai sensori CCD, poiché in quest'ultimo tutte le informazioni devono essere scaricate per ulteriori elaborazioni. Diventa possibile utilizzare la stessa matrice in modalità fondamentalmente diverse. In particolare, leggendo rapidamente solo una piccola parte dei pixel, è possibile fornire una modalità di visualizzazione live di alta qualità dell'immagine sullo schermo integrato nel dispositivo con un numero di pixel relativamente ridotto. È possibile eseguire la scansione solo di una parte della cornice e applicarla alla visualizzazione a schermo intero. Pertanto, per avere l'opportunità di una messa a fuoco manuale di alta qualità. È possibile effettuare riprese ad alta velocità di reportage con dimensioni e risoluzione del fotogramma più piccole.
• Oltre all'amplificatore all'interno del pixel, i circuiti di amplificazione possono essere posizionati ovunque lungo il percorso del segnale. Ciò consente di creare stadi di amplificazione e aumentare la sensibilità in condizioni di scarsa illuminazione. La possibilità di modificare il guadagno per ogni colore migliora, in particolare, il bilanciamento del bianco.
• Basso costo di produzione rispetto alle matrici CCD, soprattutto con matrici di grandi dimensioni.

Screpolatura

• Il fotodiodo cellulare occupa un'area significativamente più piccola dell'elemento matrice rispetto a un CCD a trasferimento full frame. Pertanto, i primi sensori CMOS avevano una sensibilità alla luce significativamente inferiore rispetto ai CCD. Ma nel 2007, Sony ha lanciato una nuova linea di video e fotocamere CMOS di nuova generazione con tecnologia Exmor, precedentemente utilizzata solo per i sensori CMOS in dispositivi ottici specifici come i telescopi elettronici. In queste matrici, il "binding" elettronico del pixel, che impedisce ai fotoni di colpire l'elemento fotosensibile, è stato spostato dallo strato di matrice superiore a quello inferiore, il che ha permesso di aumentare sia la dimensione fisica del pixel con il stesse dimensioni geometriche della matrice e l'accessibilità degli elementi alla luce, che, di conseguenza, ha aumentato la fotosensibilità di ciascun pixel e della matrice nel suo insieme. Per la prima volta, le matrici CMOS sono state confrontate con le matrici CCD in termini di sensibilità alla luce, ma si sono rivelate più efficienti dal punto di vista energetico e prive del principale svantaggio della tecnologia CCD: la "paura" della luce puntiforme. Nel 2009, Sony ha migliorato i sensori CMOS EXMOR con la tecnologia "Backlight lighting". L'idea della tecnologia è semplice e corrisponde pienamente al nome.
• Il fotodiodo della cella matrice ha dimensioni relativamente ridotte, mentre il valore della tensione di uscita risultante dipende non solo dai parametri del fotodiodo stesso, ma anche dalle proprietà di ciascun elemento pixel. Quindi, ogni pixel della matrice ha la sua curva caratteristica e sorge il problema della dispersione

Il sensore di immagine è un elemento essenziale di qualsiasi videocamera. Quasi tutte le fotocamere oggi utilizzano sensori di immagine CCD o CMOS. Entrambi i tipi di sensori svolgono il compito di convertire l'immagine costruita sul sensore dall'obiettivo in un segnale elettrico. Tuttavia, la domanda su quale sensore sia migliore è ancora aperta.

N.I. Chura
Consulente tecnico
LLC "Gruppo Microvideo"

Il CCD è un sensore analogico, nonostante la discrezione della struttura fotosensibile. Quando la luce colpisce la matrice, in ogni pixel si accumula una carica o un pacchetto di elettroni, che viene convertito, quando letto sul carico, in un segnale video in tensione proporzionale all'illuminazione dei pixel. Il numero minimo di transizioni intermedie di questa carica e l'assenza di dispositivi attivi garantiscono un'elevata identità degli elementi sensibili del CCD.

La matrice CMOS è un dispositivo digitale con elementi di rilevamento attivi (Active Pixel Sensor). Ogni pixel ha il proprio amplificatore, che converte la carica dell'elemento sensibile in tensione. Ciò rende possibile controllare praticamente individualmente ogni pixel.

Evoluzione del CCD

Dall'invenzione del CCD da parte dei Bell Laboratories (o Bell Labs) nel 1969, le dimensioni del sensore di immagine sono diminuite continuamente. Allo stesso tempo, il numero di elementi sensibili è aumentato. Ciò ha portato naturalmente ad una diminuzione delle dimensioni di un singolo elemento sensibile (pixel), e, di conseguenza, della sua sensibilità. Ad esempio, dal 1987, queste dimensioni sono diminuite di 100 volte. Ma grazie alle nuove tecnologie, la sensibilità di un elemento (e, di conseguenza, dell'intera matrice) è addirittura aumentata.

Cosa ha permesso di dominare
Fin dall'inizio, i CCD sono diventati i sensori dominanti in quanto forniscono una migliore qualità dell'immagine, meno rumore, maggiore sensibilità e maggiore uniformità dei pixel. Gli sforzi principali per migliorare la tecnologia si sono concentrati sul miglioramento delle prestazioni del CCD.

Come cresce la sensibilità
Rispetto al popolare sensore Sony HAD a definizione standard (500x582) della fine degli anni '90. (ICX055) La sensibilità della più avanzata tecnologia Super HAD è aumentata di quasi 3 volte (ICX405) e Ex-view HAD - 4 volte (ICX255). Inoltre, per le versioni in bianco e nero ea colori.

Per le matrici ad alta risoluzione (752x582), il successo è un po' meno impressionante, ma se confrontiamo i modelli di immagini a colori Super HAD con le più moderne tecnologie Ex-view HAD II e Super HAD II, l'aumento della sensibilità sarà di 2,5 e 2,4 volte, rispettivamente. E questo nonostante la diminuzione della dimensione dei pixel di quasi il 30%, visto che si tratta di matrici del più moderno formato 960H con un numero di pixel maggiorato fino a 976x582 per lo standard PAL. Per elaborare questo segnale, Sony offre una gamma di processori di segnale Effio.

Aggiunto componente IR
Uno dei metodi efficaci per aumentare la sensibilità integrale è estendere le caratteristiche spettrali della sensibilità alla gamma dell'infrarosso. Questo è particolarmente vero per la matrice Ex-view. L'aggiunta del componente IR distorce in qualche modo il trasferimento della luminosità relativa dei colori, ma questo non è fondamentale per la versione in bianco e nero. L'unico problema sorge con la riproduzione del colore nelle telecamere giorno/notte con sensibilità IR costante, cioè senza filtro IR meccanico.

Lo sviluppo di questa tecnologia nei modelli Ex-view HAD II (ICX658AKA) rispetto alla versione precedente (ICX258AK) prevede un aumento della sensibilità integrale di soli 0,8 dB (da 1100 a 1200 mV) con un contemporaneo aumento della sensibilità a una lunghezza d'onda di 950 nm per 4, 5 dB. Nella fig. 1 mostra le caratteristiche della sensibilità spettrale di queste matrici, e in Fig. 2 - il rapporto tra la loro sensibilità integrale.

Innovazione ottica
Un altro metodo per aumentare la sensibilità del CCD è aumentare l'efficienza delle microlenti pixel, dell'area sensibile alla luce e ottimizzare i filtri colore. Nella fig. 3 mostra l'array Super HAD e Super HAD II, che mostra l'ingrandimento dell'area dell'obiettivo e dell'area sensibile alla luce dell'ultima modifica.

Inoltre, le matrici Super HAD II aumentano significativamente la trasmissione dei filtri di luce e la loro resistenza allo sbiadimento. Inoltre, è stata ampliata la trasmissione nella regione delle onde corte dello spettro (ciano), che migliora la riproduzione del colore e il bilanciamento del bianco.

Nella fig. 4 mostra le caratteristiche spettrali della sensibilità delle matrici Sony 1/3 "Super HAD (ICX229AK) e Super HAD II (ICX649AKA).

CCD: sensibilità unica

Nel loro insieme, queste misure hanno ottenuto risultati significativi nel miglioramento delle prestazioni dei CCD.

Non è possibile confrontare le caratteristiche dei modelli moderni con le versioni precedenti, poiché allora non venivano prodotte matrici cromatiche di largo utilizzo, anche di una tipica alta risoluzione. A loro volta, ora le matrici in bianco e nero a definizione standard non vengono prodotte utilizzando le ultime tecnologie Ex-view HAD II e Super HAD II.

In ogni caso, in termini di sensibilità, i CCD sono ancora un punto di riferimento irraggiungibile per i CMOS, quindi sono ancora ampiamente utilizzati ad eccezione delle versioni megapixel, che sono molto costose e vengono utilizzate principalmente per compiti speciali.

CMOS: pro e contro

I sensori CMOS sono stati inventati alla fine degli anni '70, ma la produzione è iniziata solo negli anni '90 a causa di problemi tecnologici. E subito sono stati delineati i loro principali vantaggi e svantaggi, che rimangono rilevanti ancora oggi.

I vantaggi includono una maggiore integrazione ed efficienza del sensore, una gamma dinamica più ampia, facilità di produzione e costi inferiori, soprattutto per le opzioni megapixel.

D'altra parte, i sensori CMOS hanno una sensibilità inferiore a causa, a parità di condizioni, di grandi perdite nei filtri della struttura RGB, un'area utile più piccola dell'elemento fotosensibile. A causa della moltitudine di elementi di transizione, inclusi gli amplificatori nel percorso di ciascun pixel, è molto più difficile garantire l'uniformità dei parametri di tutti gli elementi sensibili rispetto al CCD. Ma i progressi tecnologici hanno permesso di avvicinare la sensibilità CMOS ai migliori campioni CCD, specialmente nelle versioni megapixel.

I primi sostenitori del CMOS sostenevano che queste strutture sarebbero state molto più economiche perché potrebbero essere prodotte con lo stesso hardware e le stesse tecnologie della memoria e dei chip logici. Per molti versi, questa ipotesi è stata confermata, ma non completamente, poiché il miglioramento della tecnologia ha portato a un processo produttivo quasi identico in termini di complessità, come per il CCD.

Con l'espansione della cerchia dei consumatori oltre la televisione standard, la risoluzione delle matrici iniziò a crescere continuamente. Si tratta di videocamere domestiche, fotocamere elettroniche e fotocamere integrate nei mezzi di comunicazione. A proposito, per i dispositivi mobili la questione dell'efficienza è piuttosto importante, e qui il sensore CMOS non ha concorrenti. Ad esempio, dalla metà degli anni '90. la risoluzione delle matrici è cresciuta annualmente di 1–2 milioni di elementi e ora raggiunge i 10–12 Mpx. Inoltre, la domanda di sensori CMOS è diventata dominante e oggi supera i 100 milioni di unità.

CMOS: sensibilità migliorata

I primi esemplari di telecamere di sorveglianza di fine anni '90 - primi anni 2000 con matrici CMOS avevano una risoluzione di 352x288 pixel e una sensibilità di circa 1 lux anche per la versione in bianco e nero. Le versioni a colori della definizione standard avevano una sensibilità di circa 7-10 lux.

Cosa offrono i fornitori
Al momento, la sensibilità delle matrici CMOS è sicuramente aumentata, ma per le versioni tipiche di un'immagine a colori non supera i valori dell'ordine di diversi lux a valori F ragionevoli del numero dell'obiettivo (1,2-1,4). Lo confermano i dati delle caratteristiche tecniche dei marchi di videosorveglianza IP, che utilizzano sensori CMOS a scansione progressiva. I produttori che affermano una sensibilità di circa decimi di lux di solito specificano che si tratta di dati per un frame rate inferiore, modalità di accumulo o almeno AGC (AGC) abilitato e sufficientemente profondo. Inoltre, per alcuni produttori di telecamere IP, l'AGC massimo raggiunge un valore da capogiro di –120 dB (1 milione di volte). Si spera che la sensibilità per questo caso, nella mente dei produttori, assuma un rapporto segnale-rumore decente, consentendo di vedere più della semplice "neve" sullo schermo.

L'innovazione migliora la qualità del video
Nel tentativo di migliorare le caratteristiche dei sensori CMOS, Sony ha proposto una serie di nuove tecnologie che forniscono un confronto pratico tra sensori CMOS e CCD in termini di sensibilità e rapporto segnale/rumore nelle versioni megapixel.

La nuova tecnologia per la produzione delle matrici Exmor si basa sul cambiamento della direzione di incidenza del flusso luminoso sulla matrice. In un'architettura tipica, la luce colpisce la superficie anteriore del wafer di silicio attraverso e oltre i conduttori del circuito a matrice. La luce è dispersa e bloccata da questi elementi. Nella nuova modifica, la luce entra nella parte posteriore del wafer di silicio. Ciò ha comportato un significativo aumento della sensibilità e una diminuzione del rumore nella matrice CMOS. Nella fig. 5 spiega la differenza tra le strutture di una matrice tipica e una matrice Exmor mostrata in sezione.

La foto 1 mostra le immagini di un oggetto di prova ottenute con un'illuminazione di 100 lux (F4.0 e 1/30 s) con una telecamera CCD (illuminazione frontale) e CMOS Exmor con lo stesso formato e risoluzione di 10 Mpx. Ovviamente, l'immagine di una telecamera CMOS è buona almeno quanto un'immagine CCD.

Un altro modo per migliorare la sensibilità dei sensori CMOS è abbandonare la disposizione rettangolare dei pixel con uno spostamento riga per riga di elementi rossi e blu. In questo caso, nella costruzione di un elemento di risoluzione, vengono utilizzati due pixel verdi: blu e rosso da linee diverse. Viene invece proposta una disposizione diagonale degli elementi utilizzando sei elementi verdi adiacenti per costruire un elemento di risoluzione. Questa tecnologia si chiama ClearVid CMOS. Per l'elaborazione si presume un processore del segnale di immagine più potente. La differenza nelle strutture della disposizione degli elementi colorati è illustrata in Fig. 6.

Le informazioni vengono lette da un convertitore analogico-digitale parallelo ad alta velocità. In questo caso, il frame rate della scansione progressiva può raggiungere i 180 e anche i 240 fps. L'acquisizione parallela delle informazioni elimina lo spostamento diagonale del fotogramma, comune per le fotocamere CMOS con esposizione sequenziale e lettura del segnale, il cosiddetto effetto Rolling Shutter, quando la caratteristica sfocatura degli oggetti in rapido movimento è completamente assente.

La foto 2 mostra le immagini di una ventola rotante scattate da una fotocamera CMOS a 45 e 180 fps.

Concorso completo

Abbiamo citato le tecnologie Sony come esempi. Naturalmente, le matrici CMOS, come i CCD, sono prodotte da altre aziende, sebbene non su tale scala e non così conosciute. In ogni caso, tutti in un modo o nell'altro vanno più o meno allo stesso modo e utilizzano soluzioni tecniche simili.

In particolare, la nota tecnologia delle matrici Panasonic Live-MOS migliora notevolmente anche le caratteristiche delle matrici CMOS e, naturalmente, con metodi simili. Nelle matrici Panasonic, la distanza dal fotodiodo alla microlente è ridotta. Trasmissione del segnale semplificata dalla superficie del fotodiodo. Il numero di segnali di controllo è stato ridotto da 3 (CMOS standard) a 2 (come in CCD), aumentando l'area fotosensibile del pixel. Viene utilizzato un amplificatore a fotodiodo a basso rumore. Viene utilizzata una struttura a strati del sensore più sottile. La tensione di alimentazione ridotta riduce il rumore e il riscaldamento della matrice.

Si può affermare che le matrici CMOS megapixel possono già competere con successo con i CCD non solo nel prezzo, ma anche in caratteristiche così problematiche per questa tecnologia come la sensibilità e il livello di rumore. Tuttavia, nei tradizionali formati televisivi CCTV, le matrici CCD rimangono senza rivali.

La matrice è l'elemento strutturale principale della fotocamera e uno dei parametri chiave presi in considerazione dall'utente quando sceglie una fotocamera. Le matrici delle moderne fotocamere digitali possono essere classificate secondo diversi segni, ma il principale e più comune è anche la divisione delle matrici per metodo di rilevamento della carica, su: matrici Ccd digita e CMOS matrici. In questo articolo considereremo i principi di funzionamento, nonché i vantaggi e gli svantaggi di questi due tipi di matrici, poiché sono comunemente usati nelle moderne apparecchiature fotografiche e video.

matrice CCD

La matrice Ccd chiamato anche CCD(Dispositivi con connessione di ricarica). CCD la matrice è una lastra rettangolare di elementi fotosensibili (fotodiodi) situata su un cristallo di silicio semiconduttore. Il principio della sua azione si basa sul movimento linea per linea delle cariche che si sono accumulate negli spazi formati dai fotoni negli atomi di silicio. Cioè, quando si scontra con un fotodiodo, viene assorbito un fotone di luce e viene rilasciato un elettrone (si verifica un effetto fotoelettrico interno). Di conseguenza, si forma un addebito, che deve essere in qualche modo archiviato per ulteriori elaborazioni. A tale scopo, un semiconduttore è incorporato nel substrato di silicio della matrice, su cui è posizionato un elettrodo di silicio policristallino trasparente. E come risultato dell'applicazione di un potenziale elettrico a un dato elettrodo nella zona di esaurimento sotto il semiconduttore, si forma un cosiddetto pozzo di potenziale, in cui viene immagazzinata la carica ricevuta dai fotoni. Quando la carica elettrica viene letta dalla matrice, le cariche (immagazzinate nei pozzetti di potenziale) vengono trasferite lungo gli elettrodi di trasferimento fino al bordo della matrice (serial shift register) e verso l'amplificatore, che amplifica il segnale e lo trasmette al convertitore analogico-digitale (ADC), da cui il segnale convertito viene inviato al processore, che elabora il segnale e salva l'immagine risultante sulla scheda di memoria .

Per la produzione di CCD vengono utilizzati fotodiodi in polisilicio. Tali matrici sono di piccole dimensioni e consentono di ottenere foto di alta qualità durante le riprese in condizioni di illuminazione normali.

Vantaggi dei CCD:

1. Il design della matrice prevede un'elevata densità di posizionamento delle fotocellule (pixel) sul substrato;
2. Alta efficienza (il rapporto tra i fotoni registrati e il loro numero totale è di circa il 95%);
3. Alta sensibilità;
4. Buona resa cromatica (con illuminazione sufficiente).

Svantaggi dei CCD:

1. Elevato livello di rumore ad alti ISO (a bassi ISO, il livello di rumore è moderato);
2. Bassa velocità operativa rispetto alle matrici CMOS;
3. Elevato consumo energetico;
4. Tecnologia più complessa per la lettura del segnale, poiché sono necessari molti microcircuiti di controllo;
5. La produzione è più costosa delle matrici CMOS.

Matrice CMOS

Matrice CMOS, o Sensore CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductors) utilizza sensori puntiformi attivi. A differenza dei CCD, i CMOS contengono un transistor separato in ciascun elemento fotosensibile (pixel), a seguito del quale la conversione della carica viene eseguita direttamente nel pixel. La carica risultante può essere letta singolarmente da ciascun pixel, quindi non è necessario trasferire la carica (come accade nei CCD). Il sensore Pixel CMOS si integra direttamente con un convertitore A/D o anche con un processore. Il risultato di questa tecnologia intelligente è il risparmio energetico dovuto a catene di processo più brevi rispetto ai CCD, nonché un costo inferiore del dispositivo grazie a un design più semplice.

Un breve principio di funzionamento del sensore CMOS: 1) Prima dello scatto, viene inviato un segnale di ripristino al transistor di ripristino. 2) Durante l'esposizione, la luce penetra attraverso la lente e filtra sul fotodiodo e, per effetto della fotosintesi, si accumula una carica nel pozzetto potenziale. 3) Viene letto il valore della tensione ricevuta. 4) Elaborazione dati e salvataggio immagini.

Vantaggi degli array CMOS:

1. Basso consumo energetico (soprattutto in modalità standby);
2. Alte prestazioni;
3. Richiede minori costi di produzione, a causa della somiglianza della tecnologia con la produzione di microcircuiti;
4. Unità della tecnologia con altri elementi digitali, che consente di combinare parti analogiche, digitali e di elaborazione su un cristallo (ovvero, oltre a catturare la luce in un pixel, è possibile convertire, elaborare e pulire il segnale dal rumore).
5. La possibilità di accedere in modo casuale a ciascun pixel o gruppo di pixel, che può ridurre le dimensioni dell'immagine acquisita e aumentare la velocità di lettura.

Svantaggi dei sensori CMOS:

1. Un fotodiodo occupa una piccola area di pixel, di conseguenza si ottiene una bassa sensibilità alla luce della matrice, ma nelle moderne matrici CMOS questo meno è praticamente eliminato;
2. Rumore termico dal riscaldamento dei transistor all'interno del pixel durante la lettura.
3. Dimensioni relativamente grandi, l'attrezzatura per il fluoro con questo tipo di matrice si distingue per il suo peso e le sue dimensioni elevate.

Oltre ai suddetti tipi, esistono anche matrici a tre strati, ogni strato delle quali è un CCD. La differenza è che le cellule possono percepire contemporaneamente tre colori, che sono formati da prismi dicroidi quando un raggio di luce le colpisce. Quindi ogni raggio viene diretto a una matrice separata. Di conseguenza, sulla fotocellula viene immediatamente rilevata la luminosità dei colori blu, rosso e verde. Le matrici a tre strati sono utilizzate nelle videocamere di alto livello, che hanno una designazione speciale - 3CCD.

Riassumendo, vorrei sottolineare che con lo sviluppo delle tecnologie per la produzione di matrici CCD e CMOS, cambiano anche le loro caratteristiche, quindi è sempre più difficile dire quale delle matrici sia decisamente migliore, ma allo stesso tempo , le matrici CMOS stanno diventando sempre più popolari nella produzione di fotocamere reflex. In base alle caratteristiche dei vari tipi di matrici, è possibile avere un'idea chiara del perché l'attrezzatura fotografica professionale che fornisce riprese di alta qualità è piuttosto ingombrante e pesante. Questa informazione deve essere ricordata quando si sceglie una fotocamera, ovvero tenere conto delle dimensioni fisiche della matrice e non del numero di pixel.

Un CCD è un dispositivo ad accoppiamento di carica. Questo tipo di matrice è stato inizialmente considerato di qualità superiore, ma anche più costoso e ad alta intensità energetica. Se presenti il ​​principio di base del funzionamento della matrice CCD in poche parole, raccolgono l'intera immagine in una versione analogica e solo dopo digitalizzano.

A differenza delle matrici CCD, le matrici CMOS (complementare metallo-ossido-semiconduttore, CMOS), digitalizzano ogni pixel in posizione. Le matrici CMOS erano inizialmente meno dispendiose ed economiche, specialmente nella produzione di matrici di grandi dimensioni, ma erano di qualità inferiore alle matrici CCD.

I vantaggi delle matrici CCD includono:

• Basso livello di rumorosità.
• Fattore di riempimento pixel elevato (circa 100%).
• Alta efficienza (il rapporto tra il numero di fotoni registrati e il loro numero totale che colpisce l'area sensibile alla luce della matrice, per un CCD - 95%).
• Alta gamma dinamica (sensibilità).

Gli svantaggi delle matrici CCD includono:

• Il complesso principio di lettura del segnale, e quindi la tecnologia.
• Elevato livello di consumo energetico (fino a 2-5 W).
• Più costoso da produrre.

Vantaggi delle matrici CMOS:

• Alte prestazioni (fino a 500 frame/s).
• Basso consumo energetico (quasi 100 volte rispetto al CCD).
• Più economico e più facile da produrre.
• La prospettiva della tecnologia (sullo stesso cristallo, in linea di principio, non costa nulla implementare tutti i circuiti aggiuntivi necessari: convertitori analogico-digitali, processore, memoria, ottenendo così una fotocamera digitale completa su un cristallo. Samsung Electronics e Mitsubishi Elettrico).

Gli svantaggi delle matrici CMOS includono

• Fattore di riempimento pixel basso, che riduce la sensibilità (superficie pixel effettiva ~ 75%, il resto è occupato dai transistor).
• Un alto livello di rumore (è dovuto alle cosiddette correnti di tempo - anche in assenza di illuminazione, una corrente piuttosto significativa scorre attraverso il fotodiodo), la cui lotta complica e aumenta il costo della tecnologia.
• Bassa gamma dinamica.

Introduzione ai sensori di immagine

Quando l'immagine viene acquisita attraverso l'obiettivo di una videocamera, la luce passa attraverso l'obiettivo e colpisce il sensore di immagine. Un sensore di immagine, o matrice, è costituito da molti elementi, detti anche pixel, che registrano la quantità di luce che cade su di essi. La quantità di luce ricevuta viene convertita dai pixel nel corrispondente numero di elettroni. Più luce cade su un pixel, più elettroni genererà. Gli elettroni vengono convertiti in tensione e quindi convertiti in numeri, secondo i valori dell'ADC (Analog to Digital Converter, A/D-converter). Un segnale composto da tali numeri viene elaborato da circuiti elettronici all'interno della videocamera.

Attualmente, ci sono due tecnologie principali che possono essere utilizzate per creare un sensore di immagine all'interno della fotocamera, sono CCD (dispositivo di accoppiamento di carica) e CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semiconductor). ... Le loro caratteristiche, vantaggi e svantaggi saranno discussi in questo articolo. La figura seguente mostra i sensori di immagine CCD (in alto) e CMOS (in basso).

Filtraggio colore... Come già descritto in precedenza, i sensori di immagine registrano la quantità di luce incidente su di essi, dal chiaro allo scuro, ma senza informazioni sul colore. Poiché i sensori di immagine CMOS e CCD "non vedono il colore", viene posizionato un filtro davanti a ciascun sensore per assegnare una tonalità di colore a ciascun pixel nel sensore. I due principali metodi di registrazione del colore sono RGB (Red-Greed-Blue) e CMYG (Cyan-Magenta-Yellow-Green). Rosso, verde e blu sono i colori primari e le loro varie combinazioni possono costituire la maggior parte dei colori percepiti dall'occhio umano.

Il filtro Bayer (o array Bayer), costituito da file alternate di filtri rosso-verde e blu-verde, è il filtro colore RGB più comune (vedi Fig. 2). Il filtro Bayer contiene il doppio del numero di "celle" verdi l'occhio umano è più sensibile al verde piuttosto che al rosso o al blu. Ciò significa anche che con questo rapporto di colore nel filtro, l'occhio umano vedrà più dettagli che se tre colori fossero usati in proporzioni uguali nel filtro.

Un altro modo per filtrare (o registrare) il colore è utilizzare colori complementari come ciano, magenta e giallo. Un filtro di colore complementare è solitamente combinato con un filtro di colore verde sotto forma di una matrice di colori CMYG, come mostrato nella Figura 2 (a destra). Un filtro colore CMYG di solito offre un segnale pixel più alto perché ha una larghezza di banda spettrale più ampia. Tuttavia, il segnale deve essere convertito in RGB per essere utilizzato nell'immagine finale, il che comporta un'elaborazione aggiuntiva e introduce rumore. La conseguenza di ciò è una diminuzione del rapporto segnale-rumore, motivo per cui i sistemi CMYG, di regola, non sono così bravi a rendere i colori.

Il filtro colore CMYG è comunemente usato nei sensori di immagine interlacciati, mentre i sistemi RGB sono usati principalmente nei sensori di immagine a scansione progressiva.

La matrice fotosensibile è l'elemento più importante della fotocamera. È lei che converte la luce che cade su di lei attraverso l'obiettivo in segnali elettrici. La matrice è composta da pixel - singoli elementi sensibili alla luce. Sulle matrici moderne, il numero totale di elementi fotosensibili raggiunge i 10 milioni per i dispositivi amatoriali e i 17 milioni per quelli professionali. Un sensore da N megapixel contiene N milioni di pixel. Più pixel ci sono sul sensore, più dettagliata è la foto.

Ogni elemento fotosensibile è un condensatore caricato alla luce. Il condensatore è più carico, più luminosa è la luce che cade su di esso o più a lungo è esposto alla luce. Il problema è che la carica di un condensatore può cambiare non solo sotto l'influenza della luce, ma anche dal movimento termico degli elettroni nel materiale della matrice. Più elettroni termici entrano in alcuni pixel, meno in alcuni. Il risultato è rumore digitale. Se riprendi un cielo blu, ad esempio, nell'immagine potrebbe sembrare che sia composto da pixel di colori leggermente diversi e un'immagine scattata con l'obiettivo chiuso non sarà composta solo da punti neri. Minore è la dimensione geometrica della matrice con un uguale numero di megapixel, maggiore è il suo rumore, peggiore è la qualità dell'immagine.

Per i dispositivi digitali compatti, la dimensione della matrice è solitamente indicata come frazione e misurata in pollici. È interessante notare che se provi a calcolare questa frazione e convertirla da pollici a millimetri, il valore risultante non coinciderà con le dimensioni reali della matrice. Questa contraddizione è sorta storicamente, quando la dimensione del dispositivo televisivo trasmittente (vidicon) è stata designata in modo simile. Per le fotocamere reflex digitali, la dimensione della matrice è direttamente indicata in millimetri o indicata come fattore di ritaglio, un numero che indica quante volte questa dimensione è inferiore a un fotogramma di pellicola standard 24x36 mm.

Un'altra caratteristica importante delle matrici è che una matrice con N megapixel contiene effettivamente N megapixel e, inoltre, anche l'immagine di questa matrice è composta da N megapixel. Cosa c'è di strano, dici? E la cosa strana è che nell'immagine ogni pixel è composto da tre colori, rosso, verde e blu. Sembrerebbe che sulla matrice ogni pixel dovrebbe essere costituito da tre elementi sensibili alla luce, rispettivamente rosso, verde e blu. Tuttavia, in realtà non è così. Ogni pixel è costituito da un solo elemento. Da dove viene il colore, allora? Ad ogni pixel viene infatti applicato un filtro in modo tale che ogni pixel percepisca solo uno dei colori. I filtri si alternano: il primo pixel percepisce solo il rosso, il secondo solo il verde e il terzo solo il blu. Dopo aver letto le informazioni dalla matrice, il colore per ogni pixel viene calcolato dai colori di questo pixel e dei suoi vicini. Naturalmente, questo metodo distorce leggermente l'immagine, ma l'algoritmo per il calcolo del colore è progettato in modo tale che il colore dei piccoli dettagli possa essere distorto, ma non la loro luminosità. E per l'occhio umano, guardando l'immagine, è la luminosità che è più importante, e non il colore di questi dettagli, quindi queste distorsioni sono praticamente invisibili. Questa struttura è chiamata modello Bayer dal nome dell'ingegnere Kodak che ha brevettato questa struttura del filtro.

I sensori di immagine più moderni utilizzati nelle fotocamere digitali compatte hanno due o tre modalità di funzionamento. La modalità principale serve per fotografare e permette di leggere dalla matrice un'immagine alla massima risoluzione. Questa modalità richiede l'assenza di qualsiasi illuminazione della matrice durante la lettura del frame, che a sua volta richiede la presenza obbligatoria di un otturatore meccanico. Un'altra modalità ad alta velocità consente di leggere l'intera immagine dalla matrice a una frequenza di 30 volte al secondo, ma a una risoluzione ridotta. Questa modalità non richiede un otturatore meccanico e viene utilizzata per l'anteprima e la registrazione video. La terza modalità consente di leggere l'immagine due volte più velocemente, ma non dall'intera area della matrice. Questa modalità viene utilizzata per l'operazione di messa a fuoco automatica. Le matrici utilizzate nelle fotocamere digitali DSLR non dispongono di modalità ad alta velocità.

Ma non tutte le matrici fotosensibili sono progettate in questo modo. Sigma produce matrici Foveon, in cui ogni pixel è costituito in realtà da tre elementi sensibili alle candele. Queste matrici hanno un numero significativamente inferiore di megapixel rispetto ai loro concorrenti, ma la qualità dell'immagine di queste matrici non è praticamente inferiore ai suoi concorrenti multi-megapixel.

I SuperCCD di Fuji hanno un'altra caratteristica interessante. I pixel in queste matrici sono esagonali e disposti a nido d'ape. Da un lato, in questo caso, la sensibilità aumenta a causa dell'area più ampia del pixel e dall'altro, utilizzando uno speciale algoritmo di interpolazione, è possibile ottenere un miglior dettaglio dell'immagine.

In questo caso, l'interpolazione consente davvero di migliorare il dettaglio dell'immagine, a differenza dei dispositivi di altri produttori, dove l'immagine è interpolata da una matrice con la consueta disposizione dei pixel. La differenza fondamentale tra queste matrici è che il pixel pitch è la metà di quello dei pixel stessi. Ciò consente di aumentare il dettaglio dell'immagine lungo le linee verticali e orizzontali. Allo stesso tempo, i sensori ordinari hanno un dettaglio diagonale migliore, ma nelle immagini reali di solito ci sono meno linee diagonali rispetto a quelle verticali o orizzontali.

interpolazione- un algoritmo per calcolare i valori mancanti dai valori adiacenti. Se sappiamo che alle 8 del mattino la temperatura esterna era di +16 gradi, e alle 10 è salita a +20, non ci sbaglieremmo molto se supponiamo che alle 9 del mattino la temperatura fosse di circa +18.

In un sensore CCD, la luce (carica) incidente sul pixel del sensore viene trasmessa dal microcircuito attraverso un nodo di uscita o solo alcuni nodi di uscita. Le cariche vengono convertite in livelli di tensione, accumulate e inviate come segnale analogico. Questo segnale viene quindi sommato e convertito in numeri da un convertitore analogico-digitale esterno al sensore (vedi Fig. 3).

La tecnologia CCD è stata inventata appositamente per l'uso nelle videocamere e i sensori CCD sono in uso da 30 anni. Tradizionalmente, i sensori CCD presentano una serie di vantaggi rispetto ai sensori CMOS, ovvero una migliore sensibilità alla luce e un livello di rumore inferiore. Di recente, tuttavia, le differenze sono state appena percettibili.

Gli svantaggi dei sensori CCD sono che sono componenti analogici, richiedono più elettronica "vicino" al sensore, sono più costosi da produrre e possono consumare fino a 100 volte più energia rispetto ai sensori CMOS. L'aumento del consumo energetico può anche portare ad un aumento della temperatura nella fotocamera stessa, che influisce negativamente non solo sulla qualità dell'immagine e aumenta il costo del prodotto finale, ma anche il grado di impatto ambientale.

I sensori CCD richiedono anche un trasferimento dati più veloce in quanto tutti i dati passano solo attraverso uno o più amplificatori di uscita. Confronta le Figure 4 e 6 che mostrano rispettivamente le schede sensore CCD e CMOS.

All'inizio, per la visualizzazione venivano utilizzati chip CMOS convenzionali, ma la qualità dell'immagine era scarsa a causa della scarsa sensibilità alla luce degli elementi CMOS. I moderni sensori CMOS sono prodotti utilizzando una tecnologia più specializzata, che negli ultimi anni ha portato a un rapido aumento della qualità dell'immagine e della sensibilità alla luce.

I chip CMOS hanno una serie di vantaggi. A differenza dei sensori CCD, i sensori CMOS contengono amplificatori e convertitori analogico-digitali, il che riduce significativamente il costo del prodotto finale, perché contiene già tutti gli elementi necessari per ottenere un'immagine. Ogni pixel CMOS contiene convertitori elettronici. Rispetto ai sensori CCD, i sensori CMOS offrono più funzionalità e capacità di integrazione più ampie. Altri vantaggi includono una lettura più rapida, un consumo energetico inferiore, un'elevata immunità ai disturbi e dimensioni del sistema più ridotte.

Tuttavia, la presenza di circuiti elettronici all'interno del chip corre il rischio di rumori più strutturati, come le strisce. Anche la calibrazione dei sensori CMOS durante la produzione è più difficile rispetto ai sensori CCD. Fortunatamente, la tecnologia attuale consente di produrre sensori CMOS autocalibranti.

Nei sensori CMOS, esiste la possibilità di leggere l'immagine da singoli pixel, che consente di "finestrare" l'immagine, ad es. leggere l'indicazione non dell'intero sensore, ma solo della sua determinata area. Pertanto, è possibile ottenere un frame rate più elevato da una parte del sensore per la successiva elaborazione digitale PTZ (pan/tilt/zoom, pan/tilt/zoom). Inoltre, consente di trasmettere più flussi video da un sensore CMOS, simulando più "telecamere virtuali"

Telecamere HDTV e megapixel

I sensori megapixel e la televisione ad alta definizione consentono alle telecamere IP digitali di fornire una risoluzione dell'immagine più elevata rispetto alle telecamere CCTV analogiche, ad es. forniscono una grande opportunità per discernere i dettagli e identificare persone e oggetti, un fattore chiave nella videosorveglianza. La telecamera IP megapixel ha almeno il doppio della risoluzione rispetto a una telecamera CCTV analogica. I sensori megapixel sono caratteristiche chiave nei televisori ad alta definizione e nelle fotocamere megapixel e multi-megapixel. E può essere utilizzato per fornire immagini con dettagli estremamente elevati e video multi-streaming.

I sensori CMOS megapixel sono più diffusi e molto meno costosi dei sensori CCD megapixel, sebbene esistano anche sensori CMOS piuttosto costosi.

È difficile produrre un sensore CCD megapixel veloce, il che ovviamente è uno svantaggio, e quindi è difficile produrre una fotocamera multi-megapixel utilizzando la tecnologia CCD.

La maggior parte dei sensori nelle fotocamere megapixel sono generalmente simili nella dimensione dell'immagine ai sensori VGA, con una risoluzione di 640x480 pixel. Tuttavia, un sensore megapixel contiene più pixel di un sensore VGA, quindi la dimensione di ciascun pixel in un sensore megapixel è inferiore a quella di un pixel in un sensore VGA. La conseguenza di ciò è la minore sensibilità alla luce di ciascun pixel nel sensore megapixel.

In un modo o nell'altro, il progresso non si ferma. I sensori megapixel si stanno sviluppando rapidamente e la loro sensibilità alla luce è in costante aumento.

Le principali differenze tra CMOS e CCD

I sensori CMOS contengono amplificatori, convertitori A/D e spesso microcircuiti per elaborazioni aggiuntive, mentre in una telecamera con sensore CCD, la maggior parte delle funzioni di elaborazione del segnale viene eseguita all'esterno del sensore. I sensori CMOS consumano meno energia rispetto ai sensori CCD, il che significa che è possibile mantenere una temperatura più bassa all'interno della telecamera. L'aumento della temperatura dei sensori CCD può aumentare le interferenze. D'altra parte, i sensori CMOS possono soffrire di rumore strutturato (bande, ecc.).

I sensori CMOS supportano la "finestra" delle immagini e il video multi-stream, cosa non possibile con i sensori CCD. I sensori CCD hanno solitamente un convertitore A/D, mentre nei sensori CMOS ogni pixel lo possiede. La lettura più veloce nei sensori CMOS consente loro di essere utilizzati nella produzione di fotocamere multi-megapixel.

I moderni progressi tecnologici stanno offuscando la differenza di sensibilità alla luce tra i sensori CCD e CMOS.

Conclusione

I sensori CCD e CMOS presentano vantaggi e svantaggi diversi, ma la tecnologia è in rapida evoluzione e la situazione è in continua evoluzione. La questione se scegliere una fotocamera con sensore CCD o CMOS diventa irrilevante. Questa scelta dipende solo dalle esigenze del cliente per la qualità dell'immagine del sistema di videosorveglianza.