Domov › Telefon › Typy kamerových matic. CCD a CMOS snímače pro digitální fotoaparáty a videokamery

Typy kamerových matic. CCD a CMOS snímače pro digitální fotoaparáty a videokamery

Matrice je hlavním konstrukčním prvkem kamery a jedním z klíčových parametrů, které uživatel bere v úvahu při výběru kamery. Matice moderních digitálních fotoaparátů lze klasifikovat podle několika znaků, ale tím hlavním a nejběžnějším je stále dělení matric podle způsob čtení nabití, na: matrice CCD typu a CMOS matrice. V tomto článku se podíváme na principy fungování a také na výhody a nevýhody těchto dvou typů matric, protože jsou to ty, které jsou široce používány v moderních fotografických a video zařízeních.

CCD matrice

Matice CCD také zvaný CCD matrice(Zařízení spojená s nábojem). CCD Matrice je obdélníková deska fotocitlivých prvků (fotodiod) umístěná na polovodičovém křemíkovém krystalu. Princip jeho fungování je založen na řádkovém pohybu nábojů, které se nahromadily v dírách tvořených fotony v atomech křemíku. To znamená, že při srážce s fotodiodou dojde k pohlcení fotonu světla a uvolnění elektronu (dochází k vnitřnímu fotoelektrickému jevu). V důsledku toho vzniká náboj, který se musí nějak uložit pro další zpracování. K tomuto účelu je do křemíkového substrátu matrice zabudován polovodič, nad kterým je umístěna průhledná elektroda z polykrystalického křemíku. A v důsledku přiložení elektrického potenciálu na tuto elektrodu se v ochuzovací zóně pod polovodičem vytvoří tzv. potenciálová jáma, ve které je uložen náboj přijatý z fotonů. Při čtení elektrického náboje z matrice se náboje (uložené v potenciálových jamkách) přenášejí podél přenosových elektrod na okraj matrice (sériový posuvný registr) a směrem k zesilovači, který signál zesílí a přenese do analogového digitální převodník (ADC), odkud je převedený signál odeslán do procesoru, který signál zpracuje a výsledný obraz uloží na paměťovou kartu .

Polysilikonové fotodiody se používají k výrobě CCD matric. Takové matrice mají malou velikost a umožňují získat poměrně kvalitní fotografie při fotografování za normálního osvětlení.

Výhody CCD:

Konstrukce matrice poskytuje vysokou hustotu umístění fotobuněk (pixelů) na substrátu;
Vysoká účinnost (poměr registrovaných fotonů k jejich celkovému počtu je asi 95 %);
Vysoká citlivost;
Dobré barevné podání (při dostatečném osvětlení).

Nevýhody CCD:

Vysoká úroveň šumu při vysokém ISO (při nízkém ISO je úroveň šumu střední);
Nízká provozní rychlost ve srovnání s maticemi CMOS;
Vysoká spotřeba energie;
Složitější technologie čtení signálu, protože je zapotřebí mnoho řídicích čipů;
Výroba je dražší než matice CMOS.

matice CMOS

Matice CMOS nebo matice CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductors) využívá aktivní bodové senzory. Na rozdíl od CCD obsahují snímače CMOS v každém světlocitlivém prvku (pixelu) samostatný tranzistor, v důsledku čehož se konverze náboje provádí přímo v pixelu. Výsledný náboj lze číst z každého pixelu samostatně, čímž se eliminuje potřeba přenosu náboje (jak je tomu u CCD). Pixely snímače CMOS jsou integrovány přímo s analogově-digitálním převodníkem nebo dokonce procesorem. V důsledku použití takové racionální technologie dochází k úsporám energie v důsledku snížení řetězců akcí ve srovnání s CCD matricemi a také ke snížení nákladů na zařízení díky jednodušší konstrukci.

Stručný princip činnosti snímače CMOS: 1) Před fotografováním je na resetovací tranzistor přiveden resetovací signál. 2) Při expozici proniká světlo přes čočku a filtr k fotodiodě a následkem fotosyntézy se v potenciálové jámě hromadí náboj. 3) Načte se hodnota přijatého napětí. 4) Zpracování dat a ukládání snímků.

Výhody CMOS snímačů:

Nízká spotřeba energie (zejména v pohotovostním režimu);
Vysoký výkon;
Vyžaduje nižší výrobní náklady díky podobnosti technologie s výrobou mikroobvodů;
Jednota technologie s ostatními digitálními prvky, která umožňuje kombinovat analogové, digitální a zpracovatelské části na jednom čipu (tj. kromě zachycení světla v pixelu můžete signál převést, zpracovat a vyčistit od šumu).
Možnost náhodného přístupu ke každému pixelu nebo skupině pixelů, což umožňuje zmenšit velikost snímaného obrázku a zvýšit rychlost čtení.

Nevýhody matic CMOS:

Fotodioda zabírá malou plochu pixelu, což má za následek nízkou světelnou citlivost matice, ale u moderních CMOS matic je tato nevýhoda prakticky eliminována;
Přítomnost tepelného šumu z topných tranzistorů uvnitř pixelu během procesu čtení.
Relativně velké fotozařízení s tímto typem matrice se vyznačuje velkou hmotností a velikostí.

Kromě výše uvedených typů existují také třívrstvé matrice, z nichž každá vrstva je CCD. Rozdíl je v tom, že buňky mohou současně vnímat tři barvy, které jsou tvořeny dichroickými hranoly, když na ně dopadá paprsek světla. Každý paprsek je pak směrován do samostatné matrice. V důsledku toho se na fotobuňce okamžitě určí jas modré, červené a zelené barvy. Třívrstvé matrice se používají ve videokamerách na vysoké úrovni, které mají speciální označení - 3CCD.

Abych to shrnul, rád bych poznamenal, že s rozvojem technologií výroby CCD a CMOS matric se mění i jejich charakteristiky, takže je stále těžší říci, která z matric je rozhodně lepší, ale zároveň, CMOS matrice jsou v poslední době stále populárnější při výrobě zrcadlovek. Na základě charakteristických vlastností různých typů matric lze získat jasnou představu o tom, proč je profesionální fotografické vybavení, které poskytuje vysoce kvalitní fotografování, poměrně objemné a těžké. Na tento údaj je rozhodně třeba pamatovat při výběru fotoaparátu – tedy vzít v úvahu fyzické rozměry matice, nikoli počet pixelů.

matice CMOS

CMOS matice používají izolované tranzistory s efektem hradlového pole s kanály různé vodivosti.

Ekvivalentní obvod maticového článku CMOS: 1 - fotocitlivý prvek (fotodioda); 2 - závěrka; 3 - kondenzátor, který zadržuje náboj z diody; 4 - zesilovač; 5 - sběrnice volby linek; 6 - vertikální sběrnice přenášející signál do procesoru; 7 - signál reset.

Příběh

Koncem 60. let 20. století. Mnoho výzkumníků poznamenalo, že struktury CMOS jsou citlivé na světlo. Zařízení s nábojovou vazbou však poskytovala tak vyšší fotosenzitivitu a kvalitu obrazu, že matrice založené na technologii CMOS nedoznaly žádného znatelného vývoje.

Počátkem 90. let se výrazně zlepšily vlastnosti snímačů CMOS a také výrobní technologie. Pokroky v submikronové fotolitografii umožnily použití tenčích spojení v CMOS senzorech. To vedlo ke zvýšení fotosenzitivity v důsledku většího procenta ozařované plochy matrice.

Revoluce v technologii senzorů CMOS nastala, když NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) úspěšně implementovala aktivní pixelové senzory (APS) - aktivní pixelové senzory . Teoretické studie byly provedeny před několika desetiletími, ale praktické použití aktivního senzoru bylo odloženo až do roku 1993. APS přidává ke každému pixelu tranzistorový čtecí zesilovač, který umožňuje převádět náboj na napětí přímo na pixelu. To také poskytlo náhodný přístup k fotodetektorům podobným RAM implementovaným v mikroobvodech.

V důsledku toho se do roku 2008 CMOS staly prakticky alternativou k CCD.

Minulý rok na fóru MWC v Barceloně společnost Samsung předvedla nový typ snímačů CMOS, které jsou zaměřeny na použití v chytrých telefonech.

Princip činnosti

Před střelbou je dán resetovací signál
Během expozice se fotodioda akumuluje náboj
Během procesu čtení je vzorkována hodnota napětí na kondenzátoru

Výhody

Hlavní výhodou technologie CMOS je nízká spotřeba energie ve statickém stavu. To umožňuje použít takové matice jako součást energeticky nezávislých zařízení, například v pohybových senzorech a sledovacích systémech, které tráví většinu času v režimu „spánku“ nebo „čekání na událost“.
Důležitou výhodou matice CMOS je jednota technologie s ostatními digitálními prvky zařízení. To vede k možnosti kombinace analogových, digitálních a procesních částí na jednom čipu (technologie CMOS, která je primárně procesorovou technologií, znamená nejen „zachycení“ světla, ale také proces konverze, zpracování, čištění signálů nejen ve skutečnosti zachycené, ale a komponenty REA třetích stran), které sloužily jako základ pro miniaturizaci kamer pro širokou škálu zařízení a snížení jejich nákladů díky eliminaci dalších procesorových čipů.
Pomocí mechanismu náhodného přístupu lze číst vybrané skupiny pixelů. Tato operace se nazývá čtení oken. Oříznutí umožňuje zmenšit velikost pořízeného obrazu a potenciálně zvýšit rychlost čtení ve srovnání s CCD snímači, protože u CCD snímačů musí být všechny informace staženy pro další zpracování. Je možné používat stejnou matici v zásadně odlišných režimech. Zejména rychlým čtením pouze malé části pixelů je možné zajistit vysoce kvalitní režim živého sledování obrazu na obrazovce zabudované v zařízení s relativně malým počtem pixelů. Můžete naskenovat pouze část rámečku a použít ji k zobrazení na celé obrazovce. Budete tak moci dosáhnout kvalitního manuálního ostření. Je možné provádět vysokorychlostní reportážní snímání s menší velikostí snímku a menším rozlišením.
Kromě zesilovače uvnitř pixelu mohou být kdekoli podél signálové cesty umístěny zesilovací obvody. To umožňuje vytvářet zesilovací stupně a zvyšovat citlivost za špatných světelných podmínek. Možnost měnit zesílení pro každou barvu zlepšuje zejména vyvážení bílé.
Levná výroba ve srovnání s CCD matricemi, zvláště při velkých velikostech matric.

Nedostatky

Fotodioda buňky zabírá výrazně menší plochu maticového prvku ve srovnání s full-frame přenosovým CCD. Proto měly rané snímače CMOS výrazně nižší světelnou citlivost než CCD. V roce 2007 však společnost Sony uvedla na trh novou řadu videokamer a fotoaparátů s novou generací matic CMOS s technologií Exmor, která se dříve používala pouze pro matice CMOS ve specifických optických zařízeních, jako jsou elektronické teleskopy. V těchto matricích bylo elektronické „páskování“ pixelu, které zabraňuje fotonům v dosažení světlocitlivého prvku, přesunuto z horní do spodní vrstvy matice, což umožnilo zvětšit jak fyzickou velikost pixelu, tak se stejnými geometrickými rozměry matice a přístupností prvků ke světlu, což v důsledku toho zvýšilo fotocitlivost každého pixelu a matice jako celku. Poprvé byly matrice CMOS porovnány s matricemi CCD z hlediska fotosenzitivity, ale ukázalo se, že jsou energeticky účinnější a postrádají hlavní nevýhodu technologie CCD - „strach“ z bodového světla. V roce 2009 společnost Sony vylepšila své snímače EXMOR CMOS o technologii „Backlight illumination“. Myšlenka technologie je jednoduchá a plně odpovídá názvu.
Fotodioda maticového článku má relativně malou velikost a hodnota výsledného výstupního napětí závisí nejen na parametrech samotné fotodiody, ale také na vlastnostech každého pixelového prvku. Každý pixel matice má tedy svou charakteristickou křivku a vzniká problém rozptylu

CMOS matice je zařízení, jehož hlavní funkcí je digitalizace určitých parametrů světelných paprsků dopadajících na její povrch. V moderních fotografických a video zařízeních se používají dva maticové standardy: CMOS a CCD. Tento článek je věnován srovnání těchto dvou technologií.

obecná informace

Takže CCD matice. Tento typ byl zpočátku považován za nejkvalitnější, ale také energeticky náročnější a dražší. Taková zařízení jsou založena na sběru celého obrazu v analogové verzi s následnou digitalizací. Matice CMOS, na rozdíl od svého konkurenta, digitalizuje každý pixel individuálně.

Srovnání dvou technologií

Zařízení CMOS byla zpočátku méně energeticky náročná a levnější, zejména při výrobě velkých zařízení, ale byla horší kvality než CCD. CCD technologie se dodnes vyznačují kvalitnějším obrazem, používají se v různých oblastech vědy a průmyslu, kde jsou na kvalitu obrazu kladeny nejvyšší nároky. Například v medicíně.

V posledních letech tento typ zařízení výrazně snížil spotřebu energie a náklady, ale také CMOS matice výrazně pokročila ve svém vývoji. Například standard kvality obrazu byl vylepšen a posunut na novou úroveň. Navíc došlo k technologické revoluci ve výrobě snímačů založených na technologii CMOS, a to: byl zaveden tranzistorový zesilovač pro čtení každého obrazového pixelu. To umožnilo převést náboj na napětí přímo v bodě. Díky tomu se matice CMOS vyrovnala technologii CCD. A nyní je většina moderních zařízení založena na zařízení na bázi CMOS.

Výhody technologie CMOS

Shrneme-li výše uvedené, můžeme shrnout výhody takových zařízení. To je nízká spotřeba energie ve statickém režimu, nízké náklady na výrobu (zejména pokud vezmete v úvahu velký počet a nejdůležitější výhodou je schopnost vyrobit hotový, který nevyžaduje další transformace).

Využití CMOS technologií ve výpočetní technice

Každý uživatel moderního počítačového vybavení se denně setkává se zařízením, jakým je webová kamera. Málokdo ale ví, že je založen na principu technologie CMOS.

Webové kamery se používají jak jako samostatná funkční zařízení, tak jako vestavěné například v noteboocích. Taková zařízení jsou navržena pro práci se síťovými multimediálními aplikacemi. Mezi uvedené produkty patří: čočka, matrice, karta pro zachycení videa, optický filtr, jednotka pro kompresi obrazu, procesor, flash paměť, webový server a síťové rozhraní. Matrice je základem každé videokamery nebo fotoaparátu. Koneckonců, kvalita přenášeného obrazu bude záviset na rozlišení tohoto zařízení. Obvykle se tento parametr u webových kamer pohybuje od 0,1 do 2 megapixelů. Ve většině produktů je to však 0,3 megapixelu. Dalším indikátorem, který určuje webovou kameru, je formát rámečku. Nejoblíbenější je matice CMOS 1/4. Existují i jiné formáty, ale ty jsou méně běžné (například 1/3, 1/2 nebo 2/3 palce).

Psali jsme o matrice o výběru videokamery do rodiny. Tam jsme se této problematiky lehce dotkli, ale dnes se pokusíme obě technologie popsat podrobněji.

Co je matrice ve videokameře? Jedná se o mikroobvod, který převádí světelný signál na elektrický signál. Dnes existují 2 technologie, tzn 2 typy matic – CCD (CCD) a CMOS (CMOS). Liší se od sebe, každý má své pro a proti. Nelze s jistotou říci, který je lepší a který horší. Vyvíjejí se paralelně. Nebudeme zabíhat do technických detailů, protože... budou otřesně nesrozumitelné, ale obecně si vymezíme jejich hlavní klady a zápory.

Technologie CMOS (CMOS)

matice CMOS V první řadě se chlubí nízkou spotřebou energie, což je plus. Videokamera s touto technologií bude fungovat o něco déle (v závislosti na kapacitě baterie). Ale to jsou drobnosti.

Hlavním rozdílem a výhodou je náhodné čtení buněk (u CCD čtení probíhá současně), což eliminuje rozmazání obrazu. Už jste někdy viděli „svislé sloupy světla“ z bodových jasných objektů? Takže matice CMOS vylučují možnost jejich vzhledu. A kamery na nich založené jsou levnější.

Existují i nevýhody. První z nich je malá velikost fotocitlivého prvku (ve vztahu k velikosti pixelu). Zde většinu plochy pixelu zabírá elektronika, proto je plocha fotocitlivého prvku zmenšena. V důsledku toho se snižuje citlivost matrice.

Protože Vzhledem k tomu, že se na pixelu provádí elektronické zpracování, zvyšuje se množství šumu v obrázku. To je také nevýhoda, stejně jako nízká doba skenování. Z tohoto důvodu dochází k efektu „rolling shutter“: když se operátor pohybuje, objekt v záběru může být zdeformován.

CCD technologie

Videokamery s maticemi CCD umožňují získat vysoce kvalitní snímky. Vizuálně je snadné si všimnout menšího šumu ve videu pořízeném videokamerou na bázi CCD ve srovnání s videem pořízeným kamerou CMOS. To je úplně první a nejdůležitější výhoda. A ještě něco: účinnost CCD matric je prostě úžasná: faktor plnění se blíží 100 %, poměr registrovaných fotonů je 95 %. Vezměte si obyčejné lidské oko – zde je poměr přibližně 1 %.

Nevýhodou těchto matric je vysoká cena a vysoká spotřeba energie. Jde o to, že proces nahrávání je zde neuvěřitelně obtížný. Snímání obrazu se provádí díky mnoha přídavným mechanismům, které se v maticích CMOS nenacházejí, a proto je technologie CCD výrazně dražší.

CCD matice se používají v zařízeních, která vyžadují barevné a vysoce kvalitní snímky a které lze použít k natáčení dynamických scén. Jedná se většinou o profesionální videokamery, i když existují i domácí. Jsou to také sledovací systémy, digitální kamery atd.

CMOS matice se používají tam, kde nejsou kladeny zvlášť vysoké požadavky na kvalitu obrazu: pohybové senzory, levné smartphony... Tak tomu však bylo dříve. Moderní matice CMOS mají různé modifikace, díky čemuž jsou velmi kvalitní a hodné z hlediska konkurence s maticemi CCD.

Nyní je těžké posoudit, která technologie je lepší, protože obě vykazují vynikající výsledky. Proto nastavit typ matice jako jediné výběrové kritérium je minimálně hloupé. Je důležité vzít v úvahu mnoho vlastností.

Ohodnoťte prosím článek:

Moderní videokamery aktivně využívají 2 typy matric: CMOS a CCD. CMOS snímač (CMOS) postavena na bázi technologie CMOS, která dala název tomuto produktu (komplementární struktura kov-oxid-polovodič, komplementární struktura kov-oxid-polovodič). Pokud se v kamerách středního cenového segmentu používají obě možnosti v přibližně stejných poměrech, pak v levných videosystémech je běžnější CMOS.

Princip fungování technologie je následující:

Je vydán resetovací signál;
Diody akumulují náboj během expozice;
Parametry se čtou.

I přes dlouhou historii používání nejsou matice tohoto typu zastaralé. Stále vám umožňují dokončit úkol organizovat video dohled v zařízení. Každý rok vycházejí nové modely fotoaparátů vybavené CMOS.

Hlavní výhody

Klíčové důvody pro výběr CMOS (CMOS) matice:

Nízká cena ve srovnání s analogy CCD. Jak se zvětšují velikosti, rozdíl v nákladech stále roste;
Malá spotřeba energie. Důležitý faktor, když je kamera napájena baterií, zastaralá elektrická síť zařízení nebo významný počet připojených zařízení;
Možnost oříznutého čtení - analýza libovolných pixelů, zvýšení rychlosti záznamu. Není potřeba číst všechny informace najednou, jako u CCD kamery. Zlepšuje kvalitu ručního ostření;
Používá se v miniaturních videokamerách.

Nedostatky

Při výběru tohoto typu prvku je třeba zvážit omezení technologie CMOS:

Zvýšené zahřívání zařízení, zvýšený hluk;
Nízká citlivost matice na světlo u starších modelů fotoaparátů. Nyní je situace částečně napravena díky nové řadě výbavy s technologií Exmor se zvýšením citlivosti pixelů;
Zakřivený obraz rychle se pohybujících objektů. Efekt rolovací závěrky.

Postupem času se technologie zlepšuje a mezera v těchto oblastech od CCD matric se zmenšuje.

Rozsah použití matic CMOS

Prvky CMOS jsou díky své spolehlivosti, nízké ceně a flexibilní konfiguraci široce používány v několika oblastech našeho života. Především ve fotografii jsou telefony a fotoaparáty vybaveny přesně těmito matricemi, uspokojujícími potřeby uživatele. Druhé místo – video dohled: