Tipuri de matrice de camere. Senzori CCD și CMOS pentru camere foto digitale și video

Matricea este baza oricărui dispozitiv foto sau video. Acesta determină calitatea și dimensiunea imaginii rezultate. Astăzi, două principii tehnologice diferite sunt utilizate în fabricarea matricelor - CCD și CMOS. Puteți auzi adesea întrebarea: „Ce matrice să alegeți: CCD sau CMOS?” Există dezbateri aprinse despre acest lucru printre fanii echipamentelor foto și video. În acest articol vom analiza aceste două tipuri și vom încerca să ne dăm seama care matrice este mai bună - CCD sau CMOS.

Informații generale

Matricele sunt concepute pentru a digitiza parametrii razelor de lumină de pe suprafața lor. Nu se poate vorbi despre un avantaj clar al uneia dintre tehnologii. Puteți face comparații pe baza unor parametri specifici și puteți identifica un lider sub un aspect sau altul. În ceea ce privește preferințele utilizatorilor, adesea criteriul principal pentru aceștia este costul produsului, chiar dacă este inferioară calității sau caracteristicilor tehnice față de concurentul său.

Deci, să înțelegem care sunt ambele tipuri de dispozitive. O matrice CCD este un microcircuit care constă din fotodiode sensibile la lumină; este creat pe bază de siliciu. Particularitatea funcționării sale constă în principiul funcționării unui dispozitiv cuplat la sarcină. O matrice CMOS este un dispozitiv creat pe baza de semiconductori cu o poartă izolată cu canale de conductivitate diferită.

Principiul de funcționare

Să trecem la identificarea diferențelor care vă vor ajuta să faceți alegerea: ce este mai bine - o matrice CMOS sau CCD? Principala diferență dintre aceste două tehnologii este principiul funcționării lor. Dispozitivele CCD convertesc sarcina de la pixeli într-un potențial electric, care este amplificat în afara senzorilor de lumină. Rezultatul este o imagine analogică. După aceasta, întreaga imagine este digitizată în ADC. Adică, dispozitivul este format din două părți - matricea în sine și convertorul. Tehnologia CMOS se caracterizează prin faptul că digitalizează fiecare pixel în mod individual. Ieșirea este o imagine digitală finită. Adică, sarcina electrică din pixelul matricei se acumulează într-un condensator, din care este îndepărtat potențialul electric. Este transmis la un amplificator analogic (încorporat direct în pixel), după care este digitizat într-un convertor.

Ce să alegi: CCD sau CMOS?

Unul dintre parametrii importanți care determină alegerea între aceste tehnologii este numărul de amplificatoare matrice. Dispozitivele CMOS au un număr mai mare de aceste dispozitive (la fiecare punct), astfel încât pe măsură ce semnalul trece, calitatea imaginii scade ușor. Prin urmare, matricele CCD sunt utilizate pentru a crea imagini cu un grad ridicat de detaliu, de exemplu, în scopuri medicale, de cercetare și industriale. Dar tehnologiile CMOS sunt folosite în principal în aparatele de uz casnic: camere web, smartphone-uri, tablete, laptopuri etc.

Următorul parametru care determină ce tip este mai bun - CCD sau CMOS - este densitatea fotodiodelor. Cu cât este mai mare, cu atât se vor irosi mai puțini fotoni și, în consecință, imaginea va fi mai bună. În acest parametru, matricele CCD sunt înaintea concurenților lor, deoarece oferă un aspect care nu are astfel de goluri, în timp ce CMOS le are (tranzistorii sunt amplasați în ele).

Cu toate acestea, atunci când utilizatorul se confruntă cu o alegere: care dintre ele - CMOS sau CCD - să cumpere, apare parametrul principal - prețul dispozitivului. Tehnologia CCD este mult mai scumpă decât concurentul său și consumă mai mult energie. Prin urmare, nu este indicat să le instalați acolo unde este suficientă o imagine de calitate medie.

matrice CMOS

Matricele CMOS folosesc tranzistoare cu efect de câmp de poartă izolată cu canale de conductivitate diferită.

Poveste

La sfârşitul anilor 1960. Mulți cercetători au observat că structurile CMOS sunt sensibile la lumină. Cu toate acestea, dispozitivele cuplate cu încărcare au oferit o fotosensibilitate și o calitate a imaginii atât de mai ridicate încât matricele bazate pe tehnologia CMOS nu au primit nicio dezvoltare vizibilă.

La începutul anilor 1990, caracteristicile senzorilor CMOS, precum și tehnologia de producție, au fost îmbunătățite semnificativ. Progresele în fotolitografia submicroană au permis ca conexiunile mai subțiri să fie utilizate în senzorii CMOS. Acest lucru a condus la o creștere a fotosensibilității datorită unui procent mai mare din suprafața matricei iradiate.

O revoluție în tehnologia senzorilor CMOS a avut loc atunci când Jet Propulsion Laboratory (JPL) al NASA a implementat cu succes senzorii active de pixeli (APS) - senzori de pixeli activi . Studiile teoretice au fost efectuate cu câteva decenii în urmă, dar utilizarea practică a senzorului activ a fost amânată până în 1993. APS adaugă un amplificator de citire a tranzistorului la fiecare pixel, făcând posibilă convertirea sarcinii în tensiune direct la pixel. Acest lucru a oferit, de asemenea, acces aleatoriu la fotodetectoare similare cu RAM implementată în microcircuite.

Ca rezultat, până în 2008, CMOS devenise practic o alternativă la CCD.

Anul trecut, la forumul MWC din Barcelona, ​​Samsung a demonstrat un nou tip de senzori CMOS care sunt destinati utilizării în smartphone-uri.

Principiul de funcționare

• Înainte de fotografiere, este dat un semnal de resetare
• În timpul expunerii, încărcarea este acumulată de fotodiodă
• În timpul procesului de citire, valoarea tensiunii de pe condensator este eșantionată

Avantaje

• Principalul avantaj al tehnologiei CMOS este consumul redus de energie în stare statică. Acest lucru face posibilă utilizarea unor astfel de matrici ca parte a dispozitivelor nevolatile, de exemplu, în senzorii de mișcare și sistemele de supraveghere care petrec cea mai mare parte a timpului în modul „somn” sau „în așteptarea unui eveniment”.
• Un avantaj important al matricei CMOS este unitatea tehnologiei cu alte elemente digitale ale echipamentului. Acest lucru duce la posibilitatea combinării pieselor analogice, digitale și de procesare pe un singur cip (tehnologia CMOS, fiind în primul rând o tehnologie de procesor, implică nu numai „captarea” luminii, ci și procesul de conversie, procesare, curățare a semnalelor nu numai de fapt. capturate, dar și componente REA de la terți), care au servit drept bază pentru miniaturizarea camerelor pentru o mare varietate de echipamente și reducerea costului acestora datorită eliminării cipurilor suplimentare de procesor.
• Folosind un mecanism de acces aleatoriu, pot fi citite grupuri selectate de pixeli. Această operație se numește citire prin fereastră. Decuparea vă permite să reduceți dimensiunea imaginii capturate și să creșteți potențial viteza de citire în comparație cu senzorii CCD, deoarece în aceștia din urmă toate informațiile trebuie descărcate pentru procesare ulterioară. Devine posibilă utilizarea aceleiași matrice în moduri fundamental diferite. În special, citind rapid doar o mică parte a pixelilor, este posibil să se ofere un mod de vizualizare a imaginii live de înaltă calitate pe ecranul încorporat în dispozitiv cu un număr relativ mic de pixeli. Puteți scana doar o parte a cadrului și îl puteți aplica pentru a fi afișat pe întregul ecran. Astfel, veți putea obține o focalizare manuală de înaltă calitate. Este posibil să se efectueze reportaje de mare viteză cu o dimensiune și o rezoluție mai mică a cadrului.
• Pe lângă amplificatorul din interiorul pixelului, circuitele de amplificare pot fi plasate oriunde de-a lungul căii semnalului. Acest lucru vă permite să creați etape de amplificare și să creșteți sensibilitatea în condiții de iluminare slabă. Abilitatea de a modifica câștigul pentru fiecare culoare îmbunătățește în special echilibrarea albului.
• Producție ieftină în comparație cu matricele CCD, în special cu matrice de dimensiuni mari.

Defecte

• Fotodioda celulei ocupă mult mai puțină zonă de element de matrice în comparație cu un CCD de transfer full-frame. Prin urmare, primii senzori CMOS aveau sensibilitate la lumină semnificativ mai mică decât CCD-urile. Dar în 2007, Sony a lansat o nouă linie de camere video și foto cu o nouă generație de matrici CMOS cu tehnologia Exmor, care era folosită anterior doar pentru matricele CMOS în dispozitive optice specifice, cum ar fi telescoapele electronice. În aceste matrici, „legarea” electronică a pixelului, care împiedică fotonii să ajungă la elementul sensibil la lumină, a fost mutată din stratul superior în cel inferior al matricei, ceea ce a făcut posibilă creșterea atât a dimensiunii fizice a pixelului. cu aceleași dimensiuni geometrice ale matricei și accesibilitatea elementelor la lumină, care, în consecință, a crescut fotosensibilitatea fiecărui pixel și a matricei în ansamblu. Pentru prima dată, matricele CMOS au fost comparate cu matricele CCD în ceea ce privește fotosensibilitatea, dar s-au dovedit a fi mai eficiente din punct de vedere energetic și lipsite de principalul dezavantaj al tehnologiei CCD - „teama” de lumina punctuală. În 2009, Sony și-a îmbunătățit senzorii EXMOR CMOS cu tehnologia „Iluminare de fundal”. Ideea tehnologiei este simplă și corespunde pe deplin numelui.
• Fotodioda celulei matricei are o dimensiune relativ mică, iar valoarea tensiunii de ieșire rezultată depinde nu numai de parametrii fotodiodei în sine, ci și de proprietățile fiecărui element pixel. Astfel, fiecare pixel al matricei are propria sa curbă caracteristică și se pune problema împrăștierii

Senzorul de imagine este cel mai important element al oricărei camere video. Astăzi, aproape toate camerele folosesc senzori de imagine CCD sau CMOS. Ambele tipuri de senzori îndeplinesc sarcina de a converti imaginea construită pe senzor de către lentilă într-un semnal electric. Cu toate acestea, întrebarea despre care senzor este mai bun rămâne încă deschisă.

N.I. Chura
Consultant tehnic
Microvideo Group LLC

CCD este un senzor analog, în ciuda caracterului discret al structurii sensibile la lumină. Când lumina lovește matricea, fiecare pixel acumulează o sarcină sau un pachet de electroni, care este convertit, atunci când este citit de o sarcină, într-o tensiune de semnal video proporțională cu iluminarea pixelilor. Numărul minim de tranziții intermediare ale acestei încărcări și absența dispozitivelor active asigură o identitate ridicată a elementelor sensibile CCD.

Matricea CMOS este un dispozitiv digital cu senzori activi de pixeli. Fiecare pixel are propriul amplificator, care convertește sarcina elementului sensibil în tensiune. Acest lucru face posibilă controlul fiecărui pixel aproape individual.

Evoluția CCD

De la inventarea CCD de către Bell Laboratories (sau Bell Labs) în 1969, dimensiunile senzorilor de imagine au scăzut continuu. În același timp, numărul elementelor sensibile a crescut. Acest lucru a dus în mod natural la o scădere a dimensiunii unui singur element sensibil (pixel) și, în consecință, a sensibilității acestuia. De exemplu, din 1987 aceste dimensiuni au scăzut de 100 de ori. Dar datorită noilor tehnologii, sensibilitatea unui element (și, prin urmare, a întregii matrice) a crescut chiar.

Ce ne-a permis să dominăm
De la bun început, CCD-urile au devenit senzorii dominanti, deoarece au oferit o calitate mai bună a imaginii, mai puțin zgomot, o sensibilitate mai mare și o uniformitate mai mare a pixelilor. Principalele eforturi de îmbunătățire a tehnologiei au vizat îmbunătățirea performanței CCD.

Cum crește sensibilitatea
În comparație cu matricea HAD de definiție standard populară Sony (500x582) de la sfârșitul anilor 1990. (ICX055) sensibilitatea modelelor cu tehnologie Super HAD mai avansată a crescut de aproape 3 ori (ICX405) și Ex-view HAD - de 4 ori (ICX255). Și pentru versiuni alb-negru și color.

Pentru matricele de înaltă rezoluție (752x582), succesele sunt oarecum mai puțin impresionante, dar dacă comparăm modelele de imagini color Super HAD cu cele mai moderne tehnologii Ex-view HAD II și Super HAD II, creșterea sensibilității va fi de 2,5 și 2,4 ori. , respectiv. Și asta în ciuda unei reduceri a dimensiunilor pixelilor cu aproape 30%, din moment ce vorbim de matrice din cel mai modern format 960H cu un număr crescut de pixeli la 976x582 pentru standardul PAL. Pentru a procesa un astfel de semnal, Sony oferă o gamă de procesoare de semnal Effio.

A fost adăugată o componentă IR
Una dintre metodele eficiente pentru creșterea sensibilității integrale este extinderea caracteristicilor spectrale ale sensibilității în regiunea infraroșu. Acest lucru este valabil mai ales pentru matricea Ex-view. Adăugarea componentei IR distorsionează oarecum transferul luminozității relative a culorilor, dar pentru versiunea alb-negru acest lucru nu este critic. Singura problemă apare cu redarea culorilor în camerele de zi/noapte cu sensibilitate IR constantă, adică fără filtru IR mecanic.

Dezvoltarea acestei tehnologii în modelele Ex-view HAD II (ICX658AKA) în comparație cu versiunea anterioară (ICX258AK) asigură o creștere a sensibilității integrale de numai 0,8 dB (de la 1100 la 1200 mV) cu o creștere simultană a sensibilității la un lungime de undă de 950 nm cu 4. 5 dB. În fig. 1 prezintă caracteristicile sensibilității spectrale a acestor matrici, iar Fig. 2 – raportul dintre sensibilitatea lor integrală.

Inovație optică
O altă metodă de creștere a sensibilității CCD este creșterea eficienței microlentilelor de pixeli, a zonei fotosensibile și optimizarea filtrelor de culoare. În fig. Figura 3 prezintă structura matricelor Super HAD și Super HAD II, arătând creșterea zonei lentilelor și a zonei fotosensibile a celei mai recente modificări.

În plus, matricele Super HAD II au crescut semnificativ transmisia filtrelor de lumină și rezistența acestora la decolorare. În plus, transmisia în regiunea cu lungime de undă scurtă a spectrului (albastru) a fost extinsă, ceea ce a îmbunătățit redarea culorilor și echilibrul de alb.

În fig. Figura 4 prezintă caracteristicile de sensibilitate spectrală ale matricelor Sony 1/3" Super HAD (ICX229AK) și Super HAD II (ICX649AKA).

CCD: Sensibilitate unică

Luate împreună, măsurile de mai sus au obținut rezultate semnificative în îmbunătățirea performanței CCD.

Nu este posibil să se compare caracteristicile modelelor moderne cu versiunile anterioare, deoarece matricele de culoare pentru utilizare pe scară largă, chiar și de înaltă rezoluție standard, nu au fost produse în acel moment. La rândul lor, matricele alb-negru cu definiție standard care utilizează cele mai recente tehnologii Ex-view HAD II și Super HAD II nu sunt produse în prezent.

În orice caz, din punct de vedere al sensibilității, CCD-urile sunt încă un etalon de neatins pentru CMOS, așa că sunt încă utilizate pe scară largă, cu excepția variantelor megapixeli, care sunt foarte scumpe și sunt folosite în principal pentru sarcini speciale.

CMOS: avantaje și dezavantaje

Senzorii CMOS au fost inventați la sfârșitul anilor 1970, dar producția a început abia în anii 1990 din cauza unor probleme tehnologice. Iar principalele lor avantaje și dezavantaje au apărut imediat, care rămân actuale și astăzi.

Avantajele includ o integrare mai mare a senzorilor și o eficiență a costurilor, o gamă dinamică mai largă, ușurință în producție și costuri mai mici, în special pentru variantele cu megapixeli.

Pe de altă parte, senzorii CMOS au o sensibilitate mai mică datorită, în egală măsură, pierderilor mari în filtrele RGB și unei suprafețe mai mici de utilizare a elementului fotosensibil. Ca urmare a numeroaselor elemente de tranziție, inclusiv amplificatoare în calea fiecărui pixel, asigurarea uniformității parametrilor tuturor elementelor sensibile este mult mai dificilă în comparație cu CCD. Dar îmbunătățirile tehnologice au adus sensibilitatea CMOS mai aproape de cele mai bune design-uri CCD, în special în versiunile megapixeli.

Primii susținători ai CMOS au susținut că aceste structuri ar fi mult mai ieftine, deoarece ar putea fi fabricate pe același hardware și tehnologii ca cipurile de memorie și logice. În multe privințe, această presupunere a fost confirmată, dar nu complet, deoarece îmbunătățirea tehnologiei a condus la un proces de producție aproape identic ca complexitate cu cel pentru CCD.

Odată cu extinderea cercului de consumatori dincolo de televiziunea standard, rezoluția matricelor a început să crească continuu. Acestea sunt camere video de uz casnic, camere electronice și camere încorporate în dispozitivele de comunicare. Apropo, pentru dispozitivele mobile problema eficienței este destul de importantă, iar aici senzorul CMOS nu are concurenți. De exemplu, de la mijlocul anilor 1990. Rezoluția matricelor a crescut anual cu 1–2 milioane de elemente și acum ajunge la 10–12 Mpcs. Mai mult, cererea de senzori CMOS a devenit dominantă și astăzi depășește 100 de milioane de unități.

CMOS: sensibilitate îmbunătățită

Primele mostre de camere de supraveghere de la sfârșitul anilor 1990 – începutul anilor 2000 cu matrice CMOS aveau o rezoluție de 352x288 pixeli și o sensibilitate chiar și pentru alb-negru de aproximativ 1 lux. Versiunile color ale rezoluției standard diferă ca sensibilitate de aproximativ 7-10 lux.

Ce oferă furnizorii?
În prezent, sensibilitatea matricelor CMOS a crescut cu siguranță, dar pentru opțiunile tipice de imagine color nu depășește valori de ordinul mai multor lux la valori rezonabile ale numărului F a lentilei (1,2–1,4). Acest lucru este confirmat de specificațiile tehnice ale mărcilor de supraveghere video IP care utilizează matrice CMOS de scanare progresivă. Acei producători care pretind o sensibilitate de aproximativ zecimi de lux specifică de obicei că acestea sunt date pentru o rată de cadre mai mică, un mod de acumulare sau cel puțin un AGC (AGC) activat și suficient de profund. În plus, pentru unii producători de camere IP, AGC maxim atinge o valoare uluitoare de –120 dB (de 1 milion de ori). Se poate spera că sensibilitatea pentru acest caz în mintea producătorilor presupune un raport semnal-zgomot decent, permițând să observăm mai mult decât „zăpada” pe ecran.

Inovația îmbunătățește calitatea video
Într-un efort de a îmbunătăți performanța matricelor CMOS, Sony a propus o serie de noi tehnologii care oferă o comparație practică a matricelor CMOS cu CCD în ceea ce privește sensibilitatea, raportul semnal-zgomot în versiunile megapixeli.

Noua tehnologie pentru producerea matricelor Exmor se bazează pe schimbarea direcției de incidență a fluxului luminos pe matrice. Într-o arhitectură tipică, lumina lovește suprafața frontală a plachetei de siliciu prin și pe lângă conductorii circuitului matrice. Lumina este împrăștiată și blocată de aceste elemente. În noua modificare, lumina pătrunde în partea din spate a plachetei de siliciu. Acest lucru a condus la o creștere semnificativă a sensibilității și la reducerea zgomotului matricei CMOS. În fig. Figura 5 explică diferențele dintre structurile matricei standard și ale matricei Exmor, prezentate în secțiune.

Fotografia 1 prezintă imagini ale obiectului de testat realizate la o iluminare de 100 lux (F4.0 și 1/30 s) cu o cameră cu CCD (iluminare frontală) și CMOS Exmor, având același format și rezoluție de 10 megapixeli. Evident, o imagine de cameră CMOS este cel puțin la fel de bună ca o imagine CCD.

O altă modalitate de a îmbunătăți sensibilitatea senzorilor CMOS este să te îndepărtezi de aranjamentul dreptunghiular de pixeli cu elemente roșii și albastre deplasate în linie. În acest caz, în construcția unui element de rezoluție, sunt utilizați doi pixeli verzi - albastru și roșu din rânduri diferite. În schimb, se propune o aranjare diagonală a elementelor, folosind șase elemente verzi adiacente pentru a construi un element de rezoluție. Această tehnologie se numește ClearVid CMOS. Pentru procesare este considerat un procesor de semnal de imagine mai puternic. Diferența dintre structurile aranjamentului elementelor colorate este ilustrată în Fig. 6.

Informațiile sunt citite de un convertor paralel analog-digital de mare viteză. În același timp, rata de cadre de scanare progresivă poate ajunge la 180 și chiar 240 fps. La înregistrarea informațiilor în paralel, deplasarea diagonală a cadrului comună camerelor CMOS cu expunere secvențială și citirea semnalului este eliminată, așa-numitul efect Rolling Shutter - atunci când neclaritatea caracteristică a obiectelor în mișcare rapidă este complet absentă.

Fotografia 2 prezintă imagini ale unui ventilator rotativ realizate cu o cameră CMOS la rate de cadre de 45 și 180 fps.

Concurență completă

Am citat tehnologiile Sony drept exemple. Desigur, matricele CMOS, ca și CCD-urile, sunt produse și de alte companii, deși nu la o asemenea scară și nu atât de cunoscute. În orice caz, toată lumea, într-un fel sau altul, urmează aproximativ aceeași cale și folosește soluții tehnice similare.

În special, tehnologia binecunoscută a matricelor Panasonic Live-MOS îmbunătățește semnificativ și caracteristicile matricelor CMOS și, desigur, prin metode similare. Matricele Panasonic au redus distanța de la fotodiodă la microlentila. Transmisia semnalelor de la suprafața fotodiodei este simplificată. Numărul de semnale de control a fost redus de la 3 (CMOS standard) la 2 (ca în CCD), ceea ce a crescut zona fotosensibilă a pixelului. Se folosește un amplificator cu fotodiodă cu zgomot redus. Este utilizată o structură de strat senzor mai subțire. Tensiunea de alimentare redusă reduce zgomotul și căldura matricei.

Se poate afirma că matricele CMOS megapixeli pot concura deja cu succes cu CCD nu numai în ceea ce privește prețul, ci și în caracteristicile atât de problematice ale acestei tehnologii, cum ar fi sensibilitatea și nivelul de zgomot. Cu toate acestea, în formatele tradiționale de televiziune CCTV, matricele CCD rămân necompetitive.

Matricea este principalul element structural al camerei și unul dintre parametrii cheie luați în considerare de utilizator atunci când alege o cameră. Matricele camerelor digitale moderne pot fi clasificate după mai multe semne, dar principalul și cel mai comun este încă împărțirea matricelor în funcție de metoda de citire a încărcăturii, pe: matrice CCD tip și CMOS matrici. În acest articol ne vom uita la principiile de funcționare, precum și la avantajele și dezavantajele acestor două tipuri de matrice, deoarece acestea sunt cele care sunt utilizate pe scară largă în echipamentele fotografice și video moderne.

matricea CCD

Matrice CCD numit si matricea CCD(Dispozitive cuplate de încărcare). CCD matricea este o placă dreptunghiulară de elemente fotosensibile (fotodiode) situată pe un cristal de siliciu semiconductor. Principiul funcționării sale se bazează pe mișcarea linie cu linie a sarcinilor care s-au acumulat în găurile formate de fotonii din atomii de siliciu. Adică, la ciocnirea cu o fotodiodă, un foton de lumină este absorbit și un electron este eliberat (are loc un efect fotoelectric intern). Ca rezultat, se formează o încărcare care trebuie să fie într-un fel stocată pentru procesare ulterioară. În acest scop, în substratul de siliciu al matricei este construit un semiconductor, deasupra căruia se află un electrod transparent din siliciu policristalin. Și ca urmare a aplicării unui potențial electric acestui electrod, se formează un așa-numit puț de potențial în zona de epuizare de sub semiconductor, în care este stocată sarcina primită de la fotoni. La citirea sarcinii electrice din matrice, sarcinile (stocate în puțurile de potențial) sunt transferate de-a lungul electrozilor de transfer către marginea matricei (registru de deplasare în serie) și către amplificator, care amplifică semnalul și îl transmite la un analog-to- convertor digital (ADC), de unde semnalul convertit este trimis într-un procesor care procesează semnalul și salvează imaginea rezultată pe un card de memorie .

Fotodiodele din polisiliciu sunt folosite pentru a produce matrice CCD. Astfel de matrici sunt de dimensiuni mici și vă permit să obțineți fotografii de înaltă calitate atunci când fotografiați în lumină normală.

Avantajele CCD-urilor:

1. Designul matricei asigură o densitate mare de plasare a fotocelulelor (pixeli) pe substrat;
2. Eficiență ridicată (raportul fotonii înregistrați la numărul lor total este de aproximativ 95%);
3. Sensibilitate crescută;
4. Redare bună a culorilor (cu iluminare suficientă).

Dezavantajele CCD-urilor:

1. Nivel ridicat de zgomot la ISO ridicat (la ISO scăzut, nivelul de zgomot este moderat);
2. Viteză scăzută de operare în comparație cu matricele CMOS;
3. Consum mare de energie;
4. Tehnologie de citire a semnalului mai complexă, deoarece sunt necesare multe cipuri de control;
5. Producția este mai scumpă decât matricele CMOS.

matrice CMOS

Matrice CMOS, sau matrice CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductors) utilizează senzori de punct activ. Spre deosebire de CCD, senzorii CMOS conțin un tranzistor separat în fiecare element sensibil la lumină (pixel), drept urmare conversia de încărcare se realizează direct în pixel. Încărcarea rezultată poate fi citită de la fiecare pixel în mod individual, eliminând necesitatea transferului de încărcare (cum se întâmplă cu CCD-urile). Pixelii senzorului CMOS sunt integrați direct cu convertorul analog-digital sau chiar cu procesorul. Ca urmare a utilizării unei astfel de tehnologii raționale, se produc economii de energie datorită unei reduceri a lanțurilor de acțiuni în comparație cu matricele CCD, precum și a unei reduceri a costului dispozitivului datorită unui design mai simplu.

Scurt principiu de funcționare al unui senzor CMOS: 1) Înainte de fotografiere, un semnal de resetare este aplicat tranzistorului de resetare. 2) În timpul expunerii, lumina pătrunde prin lentilă și se filtrează către fotodiodă și, ca urmare a fotosintezei, în puțul de potențial se acumulează o sarcină. 3) Se citește valoarea tensiunii primite. 4) Procesarea datelor și salvarea imaginilor.

Avantajele senzorilor CMOS:

1. Consum redus de energie (mai ales în modurile de așteptare);
2. Performanta ridicata;
3. Necesită costuri de producție mai mici datorită asemănării tehnologiei cu producția de microcircuite;
4. Unitatea tehnologiei cu alte elemente digitale, care vă permite să combinați părți analogice, digitale și de procesare pe un singur cip (adică, pe lângă captarea luminii într-un pixel, puteți converti, procesa și șterge semnalul de zgomot).
5. Posibilitatea de acces aleatoriu la fiecare pixel sau grup de pixeli, ceea ce vă permite să reduceți dimensiunea imaginii capturate și să creșteți viteza de citire.

Dezavantajele matricelor CMOS:

1. Fotodioda ocupă o zonă mică de pixeli, rezultând o sensibilitate scăzută la lumină a matricei, dar în matricele CMOS moderne acest dezavantaj a fost practic eliminat;
2. Prezența zgomotului termic de la încălzirea tranzistorilor în interiorul pixelului în timpul procesului de citire.
3. Dimensiuni relativ mari, echipamentele foto cu acest tip de matrice se caracterizează prin greutate și dimensiune mare.

Pe lângă tipurile de mai sus, există și matrici cu trei straturi, fiecare strat fiind un CCD. Diferența este că celulele pot percepe simultan trei culori, care sunt formate din prisme dicroice atunci când un fascicul de lumină le lovește. Fiecare fascicul este apoi direcționat către o matrice separată. Ca urmare, luminozitatea culorilor albastru, roșu și verde este determinată imediat pe fotocelula. Matricele cu trei straturi sunt utilizate în camerele video de nivel înalt, care au o denumire specială - 3CCD.

Pentru a rezuma, aș dori să remarc că odată cu dezvoltarea tehnologiilor pentru producerea matricelor CCD și CMOS, caracteristicile acestora se schimbă și ele, așa că este din ce în ce mai greu de spus care dintre matrice este cu siguranță mai bună, dar, în același timp, CMOS matricele au devenit recent din ce în ce mai populare în producția de camere SLR. Pe baza trăsăturilor caracteristice ale diferitelor tipuri de matrice, se poate face o idee clară despre motivul pentru care echipamentul fotografic profesional care oferă fotografiere de înaltă calitate este destul de voluminos și greu. Aceste informații ar trebui cu siguranță reținute atunci când alegeți o cameră - adică luați în considerare dimensiunile fizice ale matricei și nu numărul de pixeli.

CCD este un dispozitiv cuplat la încărcare. Acest tip de matrice a fost considerat inițial a fi de calitate superioară, dar și mai costisitoare și consumatoare de energie. Dacă vă imaginați pe scurt principiul de bază de funcționare al unei matrice CCD, atunci ei colectează întreaga imagine într-o versiune analogică și abia apoi o digitizează.

Spre deosebire de matricele CCD, matricele CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor, complementary logic on metal-oxide-semiconductor tranzistoare, CMOS) digitizează fiecare pixel pe loc. Matricele CMOS au fost inițial mai puțin consumatoare de energie și mai ieftine, în special în producția de matrici mari, dar au fost inferioare matricelor CCD ca calitate.

Avantajele matricelor CCD includ:

• Nivel scăzut de zgomot.
• Factor de umplere ridicat al pixelilor (aproximativ 100%).
• Eficiență ridicată (raportul dintre numărul de fotoni înregistrați și numărul lor total incident pe zona fotosensibilă a matricei, pentru CCD - 95%).
• Interval dinamic ridicat (sensibilitate).

Dezavantajele matricelor CCD includ:

• Principiul citirii semnalului și, prin urmare, tehnologia, este complex.
• Nivel ridicat de consum de energie (până la 2-5W).
• Mai scump de produs.

Avantajele matricelor CMOS:

• Performanță ridicată (până la 500 fps).
• Consum redus de energie (de aproape 100 de ori comparativ cu CCD).
• Mai ieftin și mai ușor de produs.
• Perspectivele tehnologiei (pe același cip, în principiu, nu costă nimic să implementezi toate circuitele suplimentare necesare: convertoare analog-digitale, procesor, memorie, obținând astfel o cameră digitală completă pe un singur cip. Apropo, crearea unui astfel de dispozitiv a fost realizată în comun din 2002 Samsung Electronics și Mitsubishi Electric).

Dezavantajele matricelor CMOS includ

• Factor de umplere scăzut al pixelilor, care reduce sensibilitatea (suprafața efectivă a pixelilor ~75%, restul este ocupat de tranzistori).
• Un nivel ridicat de zgomot (este cauzat de așa-numiții curenți de tempo - chiar și în absența luminii, un curent destul de semnificativ trece prin fotodiodă), lupta împotriva căruia complică și crește costul tehnologiei.
• Interval dinamic scăzut.

Introducere în senzorii de imagine

Când o imagine este capturată de lentila unei camere video, lumina trece prin obiectiv și lovește senzorul de imagine. Senzorul de imagine sau matricea este format din multe elemente, numite și pixeli, care înregistrează cantitatea de lumină care cade asupra lor. Pixelii convertesc cantitatea de lumină rezultată în numărul corespunzător de electroni. Cu cât atinge un pixel mai multă lumină, cu atât va genera mai mulți electroni. Electronii sunt convertiți în tensiune și apoi convertiți în numere în funcție de valorile ADC (Analog to Digital Converter). Semnalul format din astfel de numere este procesat de circuite electronice din interiorul camerei video.

În prezent, există două tehnologii principale care pot fi utilizate pentru a crea un senzor de imagine într-o cameră, acestea sunt CCD (Charge-Coupled Device) și CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semiconductor). Caracteristicile, avantajele și dezavantajele lor vor fi discutate în acest articol. Imaginea de mai jos prezintă senzori de imagine CCD (sus) și CMOS (jos).

Filtrarea culorilor. După cum este descris mai sus, senzorii de imagine înregistrează cantitatea de lumină care cade asupra lor, de la lumină la întuneric, dar fără informații despre culoare. Deoarece senzorii de imagine CMOS și CCD sunt „color orbi”, un filtru este plasat în fața fiecărui senzor pentru a atribui un ton de culoare fiecărui pixel din senzor. Cele două metode principale de înregistrare a culorilor sunt RGB (Roșu-Lăcomie-Albastru) și CMYG (Cyan-Magenta-Galben-Verde). Roșu, verde și albastru sunt culorile primare, diferite combinații ale cărora pot constitui majoritatea culorilor percepute de ochiul uman.

Filtrul Bayer (sau matricea Bayer), constând din rânduri alternative de filtre roșu-verde și albastru-verde, este cel mai comun filtru de culoare RGB (vezi Fig. 2). Filtrul Bayer conține de două ori numărul de „celule” verzi, deoarece Ochiul uman este mai sensibil la verde, mai degrabă decât la roșu sau albastru. Aceasta înseamnă, de asemenea, că, cu acest raport de culori din filtru, ochiul uman va vedea mai multe detalii decât dacă s-ar folosi trei culori în proporții egale în filtru.

O altă modalitate de a filtra (sau de a înregistra) culoarea este utilizarea culorilor complementare cyan, magenta și galben. Filtrul de culoare complementar este de obicei combinat cu un filtru de culoare verde sub forma unei matrice de culori CMYG, așa cum se arată în Figura 2 (dreapta). Un filtru de culoare CMYG oferă de obicei un semnal de pixeli mai mare deoarece... are o lățime de bandă spectrală mai largă. Cu toate acestea, semnalul trebuie convertit în RGB pentru a fi utilizat în imaginea finală, ceea ce presupune o procesare suplimentară și introduce zgomot. Consecința acestui lucru este o scădere a raportului semnal-zgomot, motiv pentru care sistemele CMYG nu sunt în general la fel de bune la redarea culorilor.

Filtrul de culoare CMYG este utilizat în mod obișnuit în senzorii de imagine cu scanare întrețesă, în timp ce sistemele RGB sunt utilizate în principal în senzorii de imagine cu scanare progresivă.

Matricea fotosensibilă este cel mai important element al camerei. Ea este cea care transformă lumina care cade asupra ei prin lentilă în semnale electrice. Matricea este formată din pixeli - elemente individuale sensibile la lumină. Pe matricele moderne, numărul total de elemente fotosensibile ajunge la 10 milioane pentru dispozitivele de amatori și 17 milioane pentru cele profesionale. O matrice de N megapixeli conține N milioane de pixeli. Cu cât sunt mai mulți pixeli pe matrice, cu atât fotografia este mai detaliată.

Fiecare element fotosensibil este un condensator care se încarcă atunci când este expus la lumină. Condensatorul se încarcă mai puternic cu cât lumina care cade pe el este mai strălucitoare sau cu atât este mai mult expus la lumină. Problema este că sarcina condensatorului se poate modifica nu numai sub influența luminii, ci și din cauza mișcării termice a electronilor din materialul matricei. Unii pixeli primesc mai mulți electroni termici, în timp ce alții primesc mai puțini. Rezultatul este zgomotul digital. Dacă faceți o fotografie a unui cer albastru, de exemplu, în imagine poate părea că este format din pixeli de culori ușor diferite, iar o fotografie făcută cu un obiectiv închis va fi compusă din mai mult decât puncte negre. Cu cât dimensiunea geometrică a matricei cu același număr de megapixeli este mai mică, cu atât zgomotul este mai mare, cu atât calitatea imaginii este mai slabă.

Pentru dispozitivele digitale compacte, dimensiunea matricei este de obicei indicată ca o fracție și măsurată în inci. Ceea ce este interesant este că, dacă încercați să calculați această fracție și să o convertiți din inci în milimetri, valoarea rezultată nu va coincide cu dimensiunile reale ale matricei. Această contradicție a apărut istoric atunci când dimensiunea unui dispozitiv de transmitere a televiziunii (vidicon) a fost indicată într-un mod similar. Pentru camerele SLR digitale, dimensiunea matricei este fie indicată direct în milimetri, fie indicată ca factor de decupare - un număr care indică de câte ori această dimensiune este mai mică decât cadrul unui film standard de 24x36 mm.

O altă caracteristică importantă a matricelor este că o matrice cu N megapixeli conține de fapt N megapixeli și, în plus, imaginea din această matrice este formată și din N megapixeli. Tu spui, ce este ciudat aici? Dar lucrul ciudat este că în imagine fiecare pixel este format din trei culori, roșu, verde și albastru. S-ar părea că pe matrice, fiecare pixel ar trebui să fie format din trei elemente sensibile la lumină, respectiv roșu, verde și albastru. Cu toate acestea, în realitate, acesta nu este cazul. Fiecare pixel este format dintr-un singur element. De unde vine atunci culoarea? De fapt, un filtru de lumină este aplicat fiecărui pixel în așa fel încât fiecare pixel să perceapă doar una dintre culori. Filtrele se alternează - primul pixel percepe doar roșu, al doilea - doar verde, al treilea - doar albastru. După citirea informațiilor din matrice, culoarea pentru fiecare pixel este calculată pe baza culorilor acestui pixel și a vecinilor săi. Desigur, această metodă distorsionează oarecum imaginea, dar algoritmul de calcul al culorii este proiectat în așa fel încât culoarea detaliilor mici să poată fi distorsionată, dar nu și luminozitatea acestora. Și pentru ochiul uman care privește imaginea, luminozitatea, mai degrabă decât culoarea acestor detalii, este mai importantă, astfel încât aceste distorsiuni sunt aproape invizibile. Această structură se numește model Bayer, numit după inginerul Kodak care a brevetat această structură de filtru.

Majoritatea matricelor fotosensibile moderne utilizate în camerele digitale compacte au două sau trei moduri de operare. Modul principal este folosit pentru fotografie și vă permite să citiți o imagine cu rezoluție maximă din matrice. Acest mod necesită absența oricărei iluminări a matricei în timpul citirii cadrului, care, la rândul său, necesită prezența unui obturator mecanic. Un alt mod, de mare viteză, vă permite să citiți întreaga imagine din matrice la o frecvență de 30 de ori pe secundă, dar la o rezoluție redusă. Acest mod nu necesită un declanșator mecanic și este utilizat pentru previzualizări și filmări video. Al treilea mod vă permite să citiți imaginea de două ori mai rapid, dar nu din întreaga zonă a matricei. Acest mod este utilizat pentru operarea de focalizare automată. Matricele utilizate în camerele digitale SLR nu au moduri de mare viteză.

Dar nu toate matricile fotosensibile sunt proiectate astfel. Compania Sigma produce matrici Foveon, în care fiecare pixel constă de fapt din trei elemente sensibile la lumină. Aceste matrice au semnificativ mai puțini megapixeli decât concurenții lor, dar calitatea imaginii din aceste matrice nu este practic inferioară concurenților lor multi-megapixeli.

Matricele SuperCCD de la Fuji au o altă caracteristică interesantă. Pixelii din aceste matrici sunt de formă hexagonală și aranjați ca un fagure. Pe de o parte, în acest caz, sensibilitatea crește datorită suprafeței mai mari a pixelilor, iar pe de altă parte, cu ajutorul unui algoritm special de interpolare, se pot obține detalii mai bune ale imaginii.

În acest caz, interpolarea vă permite într-adevăr să îmbunătățiți detaliile imaginii, spre deosebire de dispozitivele de la alți producători, unde imaginea dintr-o matrice cu un aranjament convențional de pixeli este interpolată. Diferența fundamentală dintre aceste matrice este că distanța dintre pixeli este la jumătate mai mare decât pixelii înșiși. Acest lucru vă permite să măriți detaliile imaginii de-a lungul liniilor verticale și orizontale. În același timp, matricele convenționale au detalii diagonale mai bune, dar în fotografiile reale există de obicei mai puține linii diagonale decât cele verticale sau orizontale.

Interpolare– algoritm pentru calcularea valorilor lipsă din valorile învecinate. Dacă știm că la 8 dimineața temperatura de afară era de +16 grade, iar la 10 a urcat la +20, nu ne vom înșela foarte mult dacă presupunem că la 9 dimineața temperatura era de aproximativ +18.

Într-un senzor CCD, lumina (încărcarea) incidentă pe un pixel al senzorului este transmisă de la cip printr-un nod de ieșire sau prin doar câteva noduri de ieșire. Sarcinile sunt convertite la un nivel de tensiune, acumulate și trimise ca semnal analogic. Acest semnal este apoi însumat și convertit în numere de un convertor analog-digital, în afara senzorului (vezi Figura 3).

Tehnologia CCD a fost inventată special pentru utilizarea în camerele video, iar senzorii CCD sunt utilizați de 30 de ani. În mod tradițional, senzorii CCD au o serie de avantaje față de senzorii CMOS, și anume o mai bună sensibilitate la lumină și zgomot redus. În ultima vreme, însă, diferențele sunt abia sesizabile.

Dezavantajele senzorilor CCD sunt că sunt componente analogice, ceea ce necesită mai multă electronică „în apropierea” senzorului, sunt mai scumpe de fabricat și pot consuma de până la 100 de ori mai multă putere decât senzorii CMOS. Consumul crescut de energie poate duce, de asemenea, la temperaturi mai ridicate în camera în sine, ceea ce nu numai că afectează negativ calitatea imaginii și crește costul produsului final, ci și impactul asupra mediului.

Senzorii CCD necesită, de asemenea, viteze mai mari de transmisie a datelor, deoarece... toate datele trec doar prin unul sau mai multe amplificatoare de ieșire. Comparați figurile 4 și 6 care prezintă plăci cu un senzor CCD și, respectiv, un senzor CMOS.

Într-un stadiu incipient, cipurile CMOS convenționale au fost folosite pentru afișare, dar calitatea imaginii a fost slabă din cauza sensibilității scăzute la lumină a elementelor CMOS. Senzorii CMOS moderni sunt fabricați folosind o tehnologie mai specializată, ceea ce a dus la creșterea rapidă a calității imaginii și a sensibilității la lumină în ultimii ani.

Cipurile CMOS au o serie de avantaje. Spre deosebire de senzorii CCD, senzorii CMOS conțin amplificatoare și convertoare analog-digitale, ceea ce reduce semnificativ costul produsului final, deoarece contine deja toate elementele necesare obtinerii imaginii. Fiecare pixel CMOS conține convertoare electronice. În comparație cu senzorii CCD, senzorii CMOS au o funcționalitate mai mare și capacități de integrare mai mari. Alte avantaje includ citire mai rapidă, consum redus de energie, imunitate ridicată la zgomot și dimensiune mai mică a sistemului.

Cu toate acestea, a avea circuite electronice în interiorul cipului introduce riscul de zgomot mai structurat, cum ar fi striații. Calibrarea senzorilor CMOS în timpul producției este, de asemenea, mai complexă decât cu senzorii CCD. Din fericire, tehnologia modernă permite producerea de senzori CMOS cu autocalibrare.

În senzorii CMOS, este posibil să citiți o imagine din pixeli individuali, ceea ce vă permite să „feriți” imaginea, de exemplu. citiți citirile nu întregului senzor, ci doar unei anumite zone din acesta. Astfel, este posibil să se obțină o rată de cadre mai mare de la o parte a senzorului pentru procesarea PTZ digitală ulterioară (îng. pan/tilt/zoom, panorama/tilt/zoom). În plus, acest lucru face posibilă transmiterea mai multor fluxuri video de la un senzor CMOS, simulând mai multe „camere virtuale”

HDTV și camere megapixeli

Senzorii megapixeli și televiziunea de înaltă definiție permit camerelor digitale IP să ofere o rezoluție mai mare a imaginii decât camerele CCTV analogice, de exemplu. oferă o capacitate mai mare de a discerne detaliile și de a identifica oameni și obiecte - un factor cheie în supravegherea video. O cameră IP de megapixeli are rezoluția de cel puțin două ori mai mare decât o cameră CCTV analogică. Senzorii megapixeli sunt cheia pentru televiziunea de înaltă definiție, camerele megapixeli și multi-megapixeli. Și poate fi folosit pentru a oferi detalii de imagine extrem de ridicate și video multi-stream.

Senzorii CMOS megapixeli sunt folosiți pe scară largă și mult mai ieftini decât senzorii CCD megapixeli, deși există și senzori CMOS destul de scumpi.

Este dificil să se fabrice un senzor CCD de megapixeli rapid, ceea ce este desigur un dezavantaj și, prin urmare, este dificil să se fabrice o cameră multi-megapixeli folosind tehnologia CCD.

Majoritatea senzorilor din camerele cu megapixeli sunt, în general, similari ca dimensiune a imaginii cu senzorii VGA, cu o rezoluție de 640x480 pixeli. Cu toate acestea, un senzor megapixel conține mai mulți pixeli decât un senzor VGA, astfel încât dimensiunea fiecărui pixel dintr-un senzor megapixel este mai mică decât dimensiunea unui pixel dintr-un senzor VGA. Consecința acestui lucru este că fiecare pixel dintr-un senzor megapixel este mai puțin sensibil la lumină.

Într-un fel sau altul, progresul nu stă pe loc. Senzorii megapixeli se dezvoltă rapid, iar sensibilitatea lor la lumină crește constant.

Principalele diferențe între CMOS și CCD

Senzorii CMOS conțin amplificatoare, convertoare A/D și adesea cipuri de procesare suplimentare, în timp ce într-o cameră CCD, cea mai mare parte a procesării semnalului se face în afara senzorului. Senzorii CMOS consumă mai puțină energie decât senzorii CCD, ceea ce înseamnă că camera poate fi menținută la o temperatură mai scăzută în interior. Creșterea temperaturii senzorilor CCD poate crește interferența. Pe de altă parte, senzorii CMOS pot suferi de zgomot structurat (banding etc.).

Senzorii CMOS acceptă fereastra de imagine și video multi-stream, ceea ce nu este posibil cu senzorii CCD. Senzorii CCD au de obicei un convertor A/D, în timp ce în senzorii CMOS fiecare pixel are unul. Citirea mai rapidă a senzorilor CMOS le permite să fie utilizate la fabricarea camerelor multi-megapixeli.

Progresele tehnologice moderne șterg diferența de sensibilitate la lumină dintre senzorii CCD și CMOS.

Concluzie

Senzorii CCD și CMOS au avantaje și dezavantaje diferite, dar tehnologia avansează rapid și situația este în continuă schimbare. Întrebarea dacă să alegeți o cameră cu un senzor CCD sau un senzor CMOS devine irelevantă. Această alegere depinde doar de cerințele clientului pentru calitatea imaginii sistemului de supraveghere video.