یک عنصر منفرد در کل محدوده طیفی مرئی حساس است، بنابراین یک فیلتر نور در بالای دیودهای نوری ماتریس های CCD رنگی استفاده می شود که تنها یکی از سه رنگ قرمز (قرمز)، سبز (سبز)، آبی (آبی) یا زرد را منتقل می کند. (زرد)، سرخابی ( سرخابی)، فیروزه ای (فیروزه ای). اما به نوبه خود، چنین فیلترهایی در ماتریس CCD سیاه و سفید وجود ندارد.

دستگاه و اصل عملکرد یک پیکسل

یک پیکسل شامل یک بستر p است که با یک دی الکتریک شفاف پوشیده شده است، که یک الکترود انتقال نور روی آن اعمال می شود و یک چاه پتانسیل را تشکیل می دهد.

در بالای پیکسل ممکن است یک فیلتر نور (که در ماتریس های رنگی استفاده می شود) و یک لنز جمع کننده (در ماتریس هایی که عناصر حساس به طور کامل سطح را اشغال نمی کنند استفاده می شود) وجود داشته باشد.

یک پتانسیل مثبت به یک الکترود عبور دهنده نور که روی سطح کریستال قرار دارد اعمال می شود. نوری که روی یک پیکسل می افتد به اعماق ساختار نیمه هادی نفوذ می کند و یک جفت الکترون-حفره را تشکیل می دهد. الکترون و حفره حاصل توسط میدان الکتریکی از هم جدا می‌شوند: الکترون به منطقه ذخیره حامل (چاه بالقوه) حرکت می‌کند و سوراخ‌ها به درون بستر جریان می‌یابند.

پیکسل دارای ویژگی های زیر است:

• ظرفیت یک چاه پتانسیل تعداد الکترون هایی است که چاه پتانسیل می تواند در خود جای دهد.
• حساسیت طیفی یک پیکسل وابستگی حساسیت (نسبت مقدار جریان نوری به مقدار شار نور) به طول موج تابش است.
• راندمان کوانتومی (که به صورت درصد اندازه گیری می شود) یک کمیت فیزیکی است برابر با نسبت تعداد فوتون هایی که جذب آنها باعث تشکیل شبه ذرات شده است به تعداد کل فوتون های جذب شده. در ماتریس های CCD مدرن این رقم به 95 درصد می رسد. در مقایسه، چشم انسان دارای بازده کوانتومی حدود 1٪ است.
• محدوده دینامیکی نسبت ولتاژ یا جریان اشباع به ریشه میانگین ولتاژ مربع یا جریان نویز تیره است. در دسی بل اندازه گیری می شود.

ماتریس CCD و دستگاه انتقال شارژ

CCD به ردیف ها تقسیم می شود و به نوبه خود، هر ردیف به پیکسل تقسیم می شود. ردیف ها توسط لایه های توقف (p +) از یکدیگر جدا می شوند، که اجازه نمی دهد بارها بین آنها جریان یابد. برای جابجایی یک بسته داده، از رجیسترهای شیفت موازی، که به عنوان عمودی (VCCD) و سریال نیز شناخته می شود، استفاده می شود.

ساده ترین چرخه عملکرد یک رجیستر شیفت سه فاز با این واقعیت شروع می شود که یک پتانسیل مثبت به دروازه اول اعمال می شود و در نتیجه یک چاه پر از الکترون های حاصل تشکیل می شود. سپس پتانسیلی را به دروازه دوم اعمال می کنیم که بالاتر از دروازه اول است، در نتیجه چاه پتانسیل عمیق تری در زیر دروازه دوم ایجاد می شود که الکترون ها از زیر دروازه اول به داخل آن جریان می یابند. برای ادامه حرکت شارژ، باید مقدار پتانسیل در گیت دوم را کاهش دهید و پتانسیل بالاتری را در دروازه سوم اعمال کنید. الکترون ها در زیر دروازه سوم جریان دارند. این چرخه از نقطه تجمع تا مقاومت افقی قرائت مستقیم ادامه می یابد. تمام الکترودهای رجیستر شیفت افقی و عمودی فازهایی را تشکیل می دهند (فاز 1، فاز 2 و فاز 3).

طبقه بندی ماتریس های CCD بر اساس رنگ:

• سیاه و سفید
• رنگی

طبقه بندی ماتریس های CCD بر اساس معماری:

سبز نشان دهنده سلول های حساس به نور است، خاکستری نشان دهنده مناطق مات است.

ماتریس CCD دارای ویژگی های زیر است:

• راندمان انتقال بار عبارت است از نسبت تعداد الکترون های بار در انتهای مسیر از طریق رجیستر شیفت به تعداد در ابتدا.
• ضریب پر شدن نسبت مساحت پر شده با عناصر حساس به نور به کل سطح سطح حساس به نور ماتریس CCD است.
• جریان تاریک یک جریان الکتریکی است که در غیاب فوتون های فرودی از یک عنصر حساس به نور عبور می کند.
• نویز خواندن نویزهایی است که در مدارهای تبدیل و تقویت سیگنال خروجی ایجاد می شود.

ماتریس با انتقال فریم (انتقال فریم انگلیسی).

مزایای: امکان اشغال 100% سطح با عناصر حساس به نور. زمان بازخوانی کمتر از سنسورهای انتقال فول فریم است. تاری کمتر از CCD انتقال فول فریم. دارای مزیت چرخه وظیفه نسبت به معماری فول فریم: CCD انتقال فریم دائماً فوتون ها را جمع آوری می کند. ایرادات: هنگام خواندن داده ها، باید منبع نور را با شاتر مسدود کنید تا از تار شدن جلوگیری شود. مسیر سفر بار افزایش یافته است که بر راندمان انتقال بار تأثیر منفی می گذارد. هزینه ساخت و تولید این سنسورها نسبت به دستگاه های انتقال فول فریم بیشتر است.

ماتریس با انتقال بین خطی یا ماتریس با بافر ستونی (eng. Interline-transfer).
	مزایای: نیازی به استفاده از شاتر نیست. بدون روغن کاری. ایرادات: توانایی پر کردن سطح با عناصر حساس بیش از 50٪. سرعت خواندن با سرعت ثبت کننده شیفت محدود می شود. وضوح کمتر از CCD های انتقال فریم و فول فریم است.

ماتریس هایی با انتقال خط-فریم یا ماتریس هایی با بافر ستونی (اینترلاین انگلیسی).

مزایای: فرآیندهای انباشت و انتقال بار به صورت فضایی از هم جدا شده اند. بار از عناصر ذخیره سازی به رجیسترهای انتقال که از نور ماتریس CCD بسته شده اند منتقل می شود. انتقال شارژ کل تصویر در 1 سیکل ساعت انجام می شود. بدون روغن کاری؛ فاصله بین نوردهی حداقل است و برای فیلمبرداری مناسب است. ایرادات: توانایی پر کردن سطح با عناصر حساس بیش از 50٪. وضوح کمتر از CCDهای انتقال فریم و فول فریم است. مسیر حرکت بار افزایش یافته است که بر راندمان انتقال بار تأثیر منفی می گذارد.

کاربرد ماتریس های CCD

	کاربرد علمی برای طیف سنجی؛ برای میکروسکوپ؛ برای کریستالوگرافی؛ برای فلوروسکوپی؛ برای علوم طبیعی؛ برای علوم زیستی
	کاربرد فضایی در تلسکوپ؛ در ردیاب های ستاره; در ماهواره های ردیابی؛ هنگام کاوش سیارات؛ تجهیزات سرنشین و دستی خدمه
	کاربرد صنعتی برای بررسی کیفیت جوش؛ برای کنترل یکنواختی سطوح رنگ شده؛ برای مطالعه مقاومت به سایش محصولات مکانیکی؛ برای خواندن بارکد؛ برای کنترل کیفیت بسته بندی محصول
	درخواست برای حفاظت از اشیاء در آپارتمان های مسکونی؛ در فرودگاه ها؛ در سایت های ساختمانی؛ در محل کار؛ در دوربین های "هوشمند" که چهره افراد را تشخیص می دهند.
	کاربرد در عکاسی در دوربین های حرفه ای؛ در دوربین های آماتور؛ در تلفن های همراه
	استفاده پزشکی در فلوروسکوپی؛ در قلب و عروق؛ در ماموگرافی؛ در دندانپزشکی؛ در میکروجراحی؛ در انکولوژی
	برنامه AUTO-ROAD برای تشخیص خودکار پلاک خودرو؛ برای کنترل سرعت؛ برای کنترل جریان ترافیک؛ برای کارت پارکینگ؛ در سیستم های نظارت پلیس

نحوه اعوجاج هنگام عکسبرداری از اجسام متحرک روی یک سنسور با شاتر غلتکی:

ماتریس دوربین عملکرد دیجیتالی کردن پارامترهای نور را بر روی سطح خود انجام می دهد. امروزه بازار تجهیزات عکاسی به دو دسته تقسیم می شود: دستگاه هایی که از ماتریس CMOS استفاده می کنند و دستگاه هایی که از ماتریس CCD استفاده می کنند. نمی توان در مورد اولویت یک فناوری نسبت به دیگری صحبت کرد، اگرچه سهم CMOS در گزارش های فروش کمی بیشتر است، اما این با نیازهای عینی کاربر توضیح داده می شود و نه با ویژگی های خود ماتریس ها. هزینه اغلب نقش تعیین کننده ای در فرآیند انتخاب دارد.

تعریف

ماتریس CCD- یک ریزمدار متشکل از دیودهای نوری حساس به نور و ایجاد شده بر اساس سیلیکون. این عملیات بر اساس اصل عملکرد یک دستگاه با شارژ است.

سنسور CMOS- یک ریزمدار ایجاد شده بر اساس ترانزیستورهای اثر میدانی با یک دروازه عایق با کانال هایی با رسانایی متفاوت.

مقایسه

تفاوت اصلی بین سنسورهای CMOS و CCD اصول عملکرد کاملا متفاوت آنهاست. CCD تصویر آنالوگ حاصل را دیجیتالی می کند، CMOS هر پیکسل تصویر را به یکباره دیجیتالی می کند. کمی جزئیات بیشتر: بار الکتریکی در پیکسل ها (LED) ماتریس CCD به پتانسیل الکتریکی تبدیل می شود، در یک تقویت کننده آنالوگ در خارج از سنسور حساس به نور تقویت می شود و تنها پس از آن توسط مبدل آنالوگ به دیجیتال دیجیتال می شود. بار الکتریکی در پیکسل‌های ماتریس CMOS در خازن‌هایی انباشته می‌شود که پتانسیل الکتریکی از آن حذف می‌شود، به تقویت‌کننده آنالوگ منتقل می‌شود و از طریق همان مبدل دیجیتالی می‌شود. برخی از سنسورهای جدید CMOS دارای تقویت کننده سیگنال آنالوگ هستند که مستقیماً در پیکسل تعبیه شده اند.

نکته مهم دیگر: تعداد تقویت کننده های ماتریس های CCD و CMOS متفاوت است. دومی تقویت کننده های بیشتری دارد، بنابراین با عبور سیگنال، کیفیت تصویر تا حدودی کاهش می یابد. بنابراین، CCD در ایجاد تجهیزات عکاسی طراحی شده برای ایجاد تصاویر با درجه بالایی از جزئیات، به عنوان مثال، برای اهداف تحقیقاتی، پزشکی و صنعتی استفاده می شود. ما هر روز با CMOS مواجه می‌شویم: بیشتر دوربین‌های الکترونیکی موبایل بر اساس چنین ماتریس‌هایی ساخته شده‌اند.

کیفیت تصویر حاصل به یک شرایط دیگر بستگی دارد - چگالی فتودیودها. هر چه آنها نزدیک تر باشند، مناطق کمتری از ماتریس که در آن فوتون ها تلف می شوند، کمتر می شود. CCD فقط یک طرح بدون شکاف بین فوتودیودها ارائه می دهد، در حالی که در CMOS آنها وجود دارند - ترانزیستورها در آنجا قرار دارند.

ماتریس‌های CCD بسیار گران‌تر از CMOS و انرژی‌برتر هستند، بنابراین نصب آن‌ها در جایی که کیفیت تصویر نزدیک به میانگین کافی است غیرعملی است. ماتریس های CCD بسیار حساس هستند، درصد پر شدن پیکسل آنها بیشتر است و تقریباً به 100٪ می رسد و سطح نویز پایین است. ماتریس های CMOS سطح بالایی از عملکرد را ارائه می دهند، اما از نظر حساسیت و نویز نسبت به CCD پایین تر هستند. تکنولوژی CCD برخلاف CMOS امکان عکسبرداری مداوم یا فیلمبرداری را نمی دهد. بنابراین، به عنوان مثال، استفاده از آنها در لوازم الکترونیکی سیار با هدف خود دستگاه ها توجیه نمی شود. بیایید بگوییم که CCD یک ماتریس برای تجهیزات عکاسی حرفه ای است.

وب سایت نتیجه گیری

1. CCD یک ماتریس مبتنی بر سیلیکون است که به عنوان یک دستگاه متصل به شارژ عمل می کند، CMOS یک ماتریس مبتنی بر ترانزیستور اثر میدانی است.
2. سیگنال آنالوگ در ماتریس CCD خارج از سنسور حساس به نور تبدیل می شود، در ماتریس CMOS مستقیماً به پیکسل تبدیل می شود.
3. کیفیت تصویر بدست آمده از CCD بالاتر از CMOS است.
4. CCD انرژی بیشتری دارد.
5. CMOS به شما امکان می دهد فیلم بگیرید و عکس های پشت سر هم بگیرید.
6. CMOS به طور گسترده ای در الکترونیک موبایل گسترش یافته است.

سنسور تصویر مهمترین عنصر هر دوربین فیلمبرداری است. امروزه تقریباً همه دوربین ها از سنسورهای تصویر CCD یا CMOS استفاده می کنند. هر دو نوع سنسور وظیفه تبدیل تصویر ساخته شده روی سنسور توسط لنز را به سیگنال الکتریکی انجام می دهند. با این حال، این سوال که کدام سنسور بهتر است هنوز باز باقی می ماند.

N.I. چورا
مشاور فنی
Microvideo Group LLC

CCD یک حسگر آنالوگ است، با وجود گسستگی ساختار حساس به نور. هنگامی که نور به ماتریس برخورد می کند، هر پیکسل بار یا بسته ای از الکترون ها را جمع می کند، که وقتی توسط بار خوانده می شود، به ولتاژ سیگنال ویدئویی متناسب با روشنایی پیکسل ها تبدیل می شود. حداقل تعداد انتقال میانی این شارژ و عدم وجود دستگاه های فعال، هویت بالای عناصر حساس CCD را تضمین می کند.

ماتریس CMOS یک دستگاه دیجیتال با سنسورهای پیکسل فعال است. هر پیکسل تقویت کننده مخصوص به خود را دارد که بار عنصر حساس را به ولتاژ تبدیل می کند. این امکان کنترل هر پیکسل را تقریبا به صورت جداگانه فراهم می کند.

تکامل CCD

از زمان اختراع CCD توسط آزمایشگاه‌های بل (یا آزمایشگاه‌های بل) در سال 1969، اندازه حسگرهای تصویر به طور مداوم کاهش یافته است. در همان زمان تعداد عناصر حساس افزایش یافت. این به طور طبیعی منجر به کاهش اندازه یک عنصر حساس (پیکسل) و بر این اساس، حساسیت آن شد. به عنوان مثال، از سال 1987 این اندازه ها 100 برابر کاهش یافته است. اما به لطف فناوری های جدید، حساسیت یک عنصر (و بنابراین کل ماتریس) حتی افزایش یافته است.

چیزی که به ما اجازه تسلط می داد
از همان ابتدا، CCD ها به حسگرهای غالب تبدیل شدند زیرا کیفیت تصویر بهتر، نویز کمتر، حساسیت بالاتر و یکنواختی پیکسل بیشتر را ارائه می کردند. تلاش های اصلی برای بهبود فناوری با هدف بهبود عملکرد CCD بود.

حساسیت چقدر رشد می کند
در مقایسه با ماتریس استاندارد HAD سونی (500x582) در اواخر دهه 1990. (ICX055) حساسیت مدل‌های با فناوری پیشرفته‌تر Super HAD تقریباً 3 برابر (ICX405) و Ex-view HAD - 4 برابر (ICX255) افزایش یافته است. و برای نسخه های سیاه و سفید و رنگی.

برای ماتریس های با وضوح بالا (752x582)، موفقیت ها تا حدودی کمتر قابل توجه است، اما اگر مدل های تصویر رنگی Super HAD را با مدرن ترین فناوری های Ex-view HAD II و Super HAD II مقایسه کنیم، افزایش حساسیت 2.5 و 2.4 برابر خواهد بود. ، به ترتیب. و این با وجود کاهش تقریباً 30 درصدی اندازه پیکسل ها، زیرا ما در مورد ماتریس هایی با مدرن ترین فرمت 960H با افزایش تعداد پیکسل ها به 976x582 برای استاندارد PAL صحبت می کنیم. برای پردازش چنین سیگنالی، سونی طیف وسیعی از پردازنده های سیگنال افیو را ارائه می دهد.

جزء IR اضافه شده است
یکی از روش های موثر برای افزایش حساسیت انتگرال، گسترش ویژگی های طیفی حساسیت به ناحیه مادون قرمز است. این به ویژه برای ماتریس Ex-view صادق است. افزودن مولفه IR تا حدودی انتقال روشنایی نسبی رنگ ها را مخدوش می کند، اما برای نسخه سیاه و سفید این مهم نیست. تنها مشکل با رندر رنگ در دوربین های روز/شب با حساسیت IR ثابت، یعنی بدون فیلتر IR مکانیکی به وجود می آید.

توسعه این فناوری در مدل های Ex-view HAD II (ICX658AKA) در مقایسه با نسخه قبلی (ICX258AK) باعث افزایش حساسیت انتگرال تنها 0.8 دسی بل (از 1100 به 1200 میلی ولت) با افزایش همزمان حساسیت در یک طول موج 950 نانومتر در 4.5 دسی بل. در شکل شکل 1 ویژگی های حساسیت طیفی این ماتریس ها را نشان می دهد و شکل 1. 2- نسبت حساسیت یکپارچه آنها.

نوآوری نوری
روش دیگر برای افزایش حساسیت CCD، افزایش کارایی میکرولنزهای پیکسل، ناحیه حساس به نور و بهینه سازی فیلترهای رنگی است. در شکل شکل 3 ساختار ماتریس های Super HAD و Super HAD II را نشان می دهد که افزایش ناحیه لنز و ناحیه حساس به نور آخرین اصلاح را نشان می دهد.

علاوه بر این، ماتریس های Super HAD II به طور قابل توجهی انتقال فیلترهای نور و مقاومت آنها را در برابر محو شدن افزایش داده اند. علاوه بر این، انتقال در منطقه با طول موج کوتاه طیف (آبی) گسترش یافته است که باعث بهبود رندر رنگ و تعادل رنگ سفید شده است.

در شکل شکل 4 ویژگی های حساسیت طیفی ماتریس های سونی 1/3 اینچی Super HAD (ICX229AK) و Super HAD II (ICX649AKA) را نشان می دهد.

CCD: حساسیت منحصر به فرد

روی هم رفته، اقدامات فوق به نتایج قابل توجهی در بهبود عملکرد CCD دست یافته است.

مقایسه ویژگی های مدل های مدرن با نسخه های قبلی امکان پذیر نیست، زیرا ماتریس های رنگی برای استفاده گسترده، حتی با وضوح بالا استاندارد، در آن زمان تولید نمی شدند. به نوبه خود، ماتریس های سیاه و سفید با کیفیت استاندارد با استفاده از آخرین فناوری های Ex-view HAD II و Super HAD II در حال حاضر تولید نمی شوند.

در هر صورت، از نظر حساسیت، CCD ها هنوز یک معیار دست نیافتنی برای CMOS هستند، بنابراین به استثنای انواع مگاپیکسلی که بسیار گران هستند و عمدتا برای کارهای خاص استفاده می شوند، همچنان به طور گسترده استفاده می شوند.

CMOS: مزایا و معایب

سنسورهای CMOS در اواخر دهه 1970 اختراع شدند، اما تولید آن تنها در دهه 1990 به دلیل مشکلات فنی آغاز شد. و فوراً مزایا و معایب اصلی آنها ظاهر شد که امروزه نیز مرتبط هستند.

از مزایا می توان به یکپارچگی بیشتر حسگر و مقرون به صرفه بودن، دامنه دینامیکی گسترده تر، سهولت تولید و هزینه کمتر، به خصوص برای انواع مگاپیکسلی اشاره کرد.

از سوی دیگر، حسگرهای CMOS به دلیل تلفات زیاد در فیلترهای RGB و ناحیه قابل استفاده کوچکتر عنصر حساس به نور، حساسیت کمتری دارند، با توجه به موارد دیگر. در نتیجه بسیاری از عناصر انتقالی، از جمله تقویت کننده ها در مسیر هر پیکسل، اطمینان از یکنواختی پارامترهای همه عناصر حساس در مقایسه با CCD بسیار دشوارتر است. اما پیشرفت‌ها در فناوری، حساسیت CMOS را به بهترین طرح‌های CCD، به ویژه در نسخه‌های مگاپیکسلی، نزدیک‌تر کرده است.

طرفداران اولیه CMOS استدلال می‌کردند که این ساختارها بسیار ارزان‌تر خواهند بود، زیرا می‌توان آن‌ها را بر روی همان سخت‌افزار و فناوری‌هایی مانند حافظه و تراشه‌های منطقی تولید کرد. از بسیاری جهات، این فرض تایید شد، اما نه به طور کامل، زیرا بهبود فناوری منجر به فرآیند تولید تقریباً مشابه با پیچیدگی CCD شد.

با گسترش دایره مصرف کنندگان فراتر از تلویزیون استاندارد، وضوح ماتریس ها شروع به افزایش مداوم کرد. اینها دوربین های فیلمبرداری خانگی، دوربین های الکترونیکی و دوربین های تعبیه شده در دستگاه های ارتباطی هستند. به هر حال، برای دستگاه های تلفن همراه موضوع کارایی بسیار مهم است و در اینجا سنسور CMOS رقیبی ندارد. به عنوان مثال، از اواسط دهه 1990. وضوح ماتریس ها سالانه 1 تا 2 میلیون عنصر افزایش یافته است و اکنون به 10 تا 12 مگابایت بر ثانیه می رسد. علاوه بر این، تقاضا برای سنسورهای CMOS غالب شده است و امروزه از 100 میلیون واحد فراتر رفته است.

CMOS: حساسیت بهبود یافته

اولین نمونه های دوربین های مداربسته از اواخر دهه 1990 تا اوایل دهه 2000 با ماتریس های CMOS دارای وضوح 352x288 پیکسل و حساسیت حتی برای سیاه و سفید حدود 1 لوکس بودند. نسخه های رنگی وضوح استاندارد از نظر حساسیت حدود 7 تا 10 لوکس متفاوت بودند.

تامین کنندگان چه چیزی ارائه می دهند؟
در حال حاضر، حساسیت ماتریس های CMOS قطعا افزایش یافته است، اما برای گزینه های تصویر رنگی معمولی، در مقادیر معقول عدد F لنز (1.2-1.4) از مقادیر مرتبه چند لوکس تجاوز نمی کند. این توسط مشخصات فنی مارک های نظارت تصویری IP که از ماتریس های اسکن مترقی CMOS استفاده می کنند تأیید می شود. آن دسته از سازندگانی که ادعا می‌کنند حساسیت حدود یک دهم لوکس است، معمولاً مشخص می‌کنند که این داده‌ها برای نرخ فریم کمتر، حالت انباشتگی یا حداقل یک AGC فعال و به اندازه کافی عمیق هستند. علاوه بر این، برای برخی از تولیدکنندگان دوربین های IP، حداکثر AGC به مقدار شگفت انگیز 120 دسی بل (1 میلیون بار) می رسد. می توان امیدوار بود که حساسیت به این مورد در ذهن سازندگان، یک نسبت سیگنال به نویز مناسب را پیش‌فرض می‌گیرد، که به فرد اجازه می‌دهد چیزی بیش از "برف" را روی صفحه مشاهده کند.

نوآوری کیفیت ویدیو را بهبود می بخشد
در تلاش برای بهبود عملکرد ماتریس‌های CMOS، سونی تعدادی فناوری جدید ارائه کرده است که مقایسه عملی ماتریس‌های CMOS با CCD را از نظر حساسیت، نسبت سیگنال به نویز در نسخه‌های مگاپیکسلی ارائه می‌دهد.

فناوری جدید برای تولید ماتریس های Exmor بر اساس تغییر جهت تابش شار نور بر روی ماتریس است. در یک معماری معمولی، نور به سطح جلویی ویفر سیلیکونی از طریق رساناهای مدار آرایه برخورد می کند. نور توسط این عناصر پراکنده و مسدود می شود. در اصلاح جدید، نور به پشت ویفر سیلیکونی وارد می شود. این منجر به افزایش قابل توجه حساسیت و کاهش نویز ماتریس CMOS شد. در شکل شکل 5 تفاوت بین ساختارهای ماتریس استاندارد و ماتریس Exmor را توضیح می دهد که در بخش نشان داده شده است.

عکس 1 تصاویری از جسم آزمایشی را نشان می‌دهد که با نوردهی 100 لوکس (F4.0 و 1/30 ثانیه) با دوربینی با CCD (نور نور جلو) و CMOS Exmor، با همان فرمت و وضوح 10 مگاپیکسل گرفته شده‌اند. بدیهی است که یک تصویر دوربین CMOS حداقل به خوبی یک تصویر CCD است.

راه دیگر برای بهبود حساسیت سنسورهای CMOS دور شدن از آرایش پیکسل مستطیلی با عناصر قرمز و آبی با تغییر خط است. در این مورد، در ساخت یک عنصر وضوح، از دو پیکسل سبز - آبی و قرمز از ردیف های مختلف استفاده می شود. در عوض، یک آرایش مورب از عناصر پیشنهاد شده است، با استفاده از شش عنصر سبز مجاور برای ساخت یک عنصر وضوح. این فناوری ClearVid CMOS نام دارد. پردازشگر سیگنال تصویر قدرتمندتری برای پردازش در نظر گرفته شده است. تفاوت در ساختار آرایش عناصر رنگی در شکل 1 نشان داده شده است. 6.

اطلاعات توسط یک مبدل موازی آنالوگ به دیجیتال با سرعت بالا خوانده می شود. در همان زمان، نرخ فریم اسکن پیشرونده می تواند به 180 و حتی 240 فریم در ثانیه برسد. هنگام ضبط اطلاعات به صورت موازی، تغییر قاب مورب رایج در دوربین های CMOS با نوردهی متوالی و خواندن سیگنال حذف می شود، به اصطلاح اثر شاتر غلتکی - زمانی که تاری مشخصه اشیاء متحرک به طور کامل وجود ندارد.

عکس 2 تصاویری از یک فن چرخان را نشان می دهد که با دوربین CMOS با نرخ فریم 45 و 180 فریم بر ثانیه گرفته شده است.

رقابت کامل

ما فناوری های سونی را به عنوان نمونه ذکر کردیم. طبیعتا ماتریس های CMOS مانند CCD ها توسط شرکت های دیگر نیز تولید می شوند، البته نه در چنین مقیاسی و نه چندان شناخته شده. در هر صورت، همه، به هر شکلی، تقریباً یک مسیر را دنبال می کنند و از راه حل های فنی مشابه استفاده می کنند.

به ویژه، فناوری شناخته شده ماتریس های Panasonic Live-MOS نیز به طور قابل توجهی ویژگی های ماتریس های CMOS و طبیعتاً با روش های مشابه را بهبود می بخشد. ماتریس های پاناسونیک فاصله فتودیود تا میکرولنز را کاهش داده اند. انتقال سیگنال از سطح فتودیود ساده شده است. تعداد سیگنال های کنترلی از 3 (CMOS استاندارد) به 2 (مانند CCD) کاهش یافته است که باعث افزایش ناحیه حساس به نور پیکسل شده است. یک تقویت کننده فوتودیود با نویز کم استفاده می شود. ساختار لایه حسگر نازک تری استفاده می شود. کاهش ولتاژ منبع نویز و گرمای ماتریس را کاهش می دهد.

می توان بیان کرد که ماتریس های CMOS مگاپیکسلی می توانند با موفقیت نه تنها از نظر قیمت، بلکه در ویژگی های مشکل ساز این فناوری مانند حساسیت و سطح نویز با CCD رقابت کنند. با این حال، در قالب‌های تلویزیون دوربین مدار بسته سنتی، ماتریس‌های CCD غیر قابل رقابت باقی می‌مانند.

ماتریس عنصر ساختاری اصلی دوربین و یکی از پارامترهای کلیدی است که کاربر هنگام انتخاب دوربین به آن توجه می کند. ماتریس‌های دوربین‌های دیجیتال مدرن را می‌توان بر اساس چندین علامت طبقه‌بندی کرد، اما اصلی‌ترین و رایج‌ترین آنها هنوز تقسیم ماتریس‌ها بر اساس روش خواندن شارژ، در: ماتریس ها CCDنوع و CMOSماتریس ها در این مقاله به اصول عملکرد و همچنین مزایا و معایب این دو نوع ماتریس می پردازیم، زیرا آنها مواردی هستند که در تجهیزات مدرن عکاسی و فیلمبرداری کاربرد فراوانی دارند.

ماتریس CCD

ماتریس CCDهمچنین به نام ماتریس CCD(شارژ دستگاه های جفت شده). CCDماتریس یک صفحه مستطیل شکل از عناصر حساس به نور (فتودیود) است که بر روی یک کریستال سیلیکونی نیمه هادی قرار دارد. اصل عملکرد آن بر اساس حرکت خط به خط بارهایی است که در سوراخ های ایجاد شده توسط فوتون ها در اتم های سیلیکون انباشته شده اند. یعنی هنگام برخورد با فتودیود، یک فوتون نور جذب می شود و یک الکترون آزاد می شود (یک اثر فوتوالکتریک داخلی رخ می دهد). در نتیجه شارژی تشکیل می شود که باید به نحوی برای پردازش بیشتر ذخیره شود. برای این منظور، یک نیمه رسانا در زیرلایه سیلیکونی ماتریس تعبیه شده است که در بالای آن یک الکترود شفاف ساخته شده از سیلیکون پلی کریستال قرار دارد. و در نتیجه اعمال پتانسیل الکتریکی به این الکترود، در ناحیه تخلیه زیر نیمه هادی به اصطلاح چاه پتانسیل تشکیل می شود که بار دریافتی از فوتون ها در آن ذخیره می شود. هنگام خواندن بار الکتریکی از ماتریس، بارها (ذخیره شده در چاه های پتانسیل) در امتداد الکترودهای انتقال به لبه ماتریس (رجیستر شیفت سریال) و به سمت تقویت کننده منتقل می شوند که سیگنال را تقویت می کند و آن را به یک آنالوگ به- ارسال می کند. مبدل دیجیتال (ADC)، که از آنجا سیگنال تبدیل شده به یک پردازنده ارسال می شود که سیگنال را پردازش می کند و تصویر حاصل را در کارت حافظه ذخیره می کند. .

فتودیودهای پلی سیلیکونی برای تولید ماتریس های CCD استفاده می شوند. چنین ماتریس هایی از نظر اندازه کوچک هستند و به شما امکان می دهند هنگام عکاسی در نور معمولی عکس های نسبتاً باکیفیتی به دست آورید.

مزایای CCD ها:

1. طراحی ماتریس چگالی بالایی از قرار دادن فتوسل ها (پیکسل ها) روی بستر را فراهم می کند.
2. راندمان بالا (نسبت فوتون های ثبت شده به تعداد کل آنها حدود 95٪ است).
3. حساسیت بالا؛
4. رندر رنگی خوب (با نور کافی).

معایب CCD ها:

1. سطح نویز بالا در ISO بالا (در ISO پایین، سطح نویز متوسط ​​است).
2. سرعت عملیات پایین در مقایسه با ماتریس های CMOS.
3. مصرف برق بالا؛
4. فناوری خواندن سیگنال پیچیده تر، زیرا تراشه های کنترل زیادی مورد نیاز است.
5. تولید گران تر از ماتریس های CMOS است.

ماتریس CMOS

ماتریس CMOS، یا ماتریس CMOS(نیمه هادی های اکسید فلزی مکمل) از سنسورهای نقطه فعال استفاده می کند. برخلاف CCD ها، حسگرهای CMOS حاوی یک ترانزیستور جداگانه در هر عنصر حساس به نور (پیکسل) هستند که در نتیجه تبدیل شارژ مستقیماً در پیکسل انجام می شود. بار حاصل را می توان از هر پیکسل به صورت جداگانه خواند و نیاز به انتقال بار را از بین برد (همانطور که در CCD ها اتفاق می افتد). پیکسل های سنسور CMOS مستقیماً با مبدل آنالوگ به دیجیتال یا حتی پردازنده یکپارچه می شوند. در نتیجه استفاده از چنین فناوری منطقی، صرفه جویی در انرژی به دلیل کاهش زنجیره عملکرد در مقایسه با ماتریس های CCD و همچنین کاهش هزینه دستگاه به دلیل طراحی ساده تر رخ می دهد.

اصول عملکرد مختصر یک سنسور CMOS: 1) قبل از عکسبرداری، یک سیگنال تنظیم مجدد به ترانزیستور تنظیم مجدد اعمال می شود. 2) در هنگام قرار گرفتن در معرض، نور از طریق عدسی و فیلتر به فتودیود نفوذ می کند و در نتیجه فتوسنتز، باری در چاه پتانسیل جمع می شود. 3) مقدار ولتاژ دریافتی خوانده می شود. 4) پردازش داده و ذخیره تصویر.

مزایای سنسورهای CMOS:

1. مصرف برق کم (به ویژه در حالت های آماده به کار)؛
2. عملکرد بالا؛
3. به دلیل شباهت فناوری با تولید ریز مدارها، به هزینه تولید کمتری نیاز دارد.
4. وحدت فناوری با سایر عناصر دیجیتال، که به شما امکان می دهد قطعات آنالوگ، دیجیتال و پردازشی را روی یک تراشه ترکیب کنید (یعنی علاوه بر گرفتن نور در یک پیکسل، می توانید سیگنال را تبدیل، پردازش و از نویز پاک کنید).
5. امکان دسترسی تصادفی به هر پیکسل یا گروهی از پیکسل ها که به شما امکان می دهد اندازه تصویر گرفته شده را کاهش دهید و سرعت بازخوانی را افزایش دهید.

معایب ماتریس های CMOS:

1. فتودیود ناحیه پیکسل کوچکی را اشغال می کند و در نتیجه حساسیت ماتریس به نور کم دارد، اما در ماتریس های CMOS مدرن این نقطه ضعف عملاً حذف شده است.
2. وجود نویز حرارتی ناشی از گرمایش ترانزیستورها در داخل پیکسل در طول فرآیند خواندن.
3. از نظر اندازه نسبتاً بزرگ، تجهیزات عکاسی با این نوع ماتریس با وزن و اندازه بزرگ مشخص می شوند.

علاوه بر انواع فوق، ماتریس های سه لایه نیز وجود دارد که هر لایه آن یک CCD است. تفاوت این است که سلول ها می توانند به طور همزمان سه رنگ را درک کنند که با برخورد پرتوی نور به آنها توسط منشورهای دو رنگی شکل می گیرد. سپس هر پرتو به یک ماتریس جداگانه هدایت می شود. در نتیجه روشنایی رنگ های آبی، قرمز و سبز بلافاصله بر روی فتوسل مشخص می شود. ماتریس های سه لایه در دوربین های فیلمبرداری سطح بالا استفاده می شوند که دارای یک نام خاص هستند - 3CCD.

به طور خلاصه، می خواهم توجه داشته باشم که با توسعه فناوری های تولید ماتریس های CCD و CMOS، ویژگی های آنها نیز تغییر می کند، بنابراین به طور فزاینده ای دشوار است که بگوییم کدام یک از ماتریس ها قطعا بهتر است، اما در عین حال، CMOS ماتریس ها اخیراً به طور فزاینده ای در تولید دوربین های SLR محبوب شده اند. بر اساس ویژگی های مشخصه انواع مختلف ماتریس ها، می توان ایده روشنی در مورد اینکه چرا تجهیزات عکاسی حرفه ای که عکاسی با کیفیت بالا را ارائه می دهند، کاملاً حجیم و سنگین هستند، دریافت کرد. این اطلاعات را باید در هنگام انتخاب دوربین به خاطر بسپارید - یعنی ابعاد فیزیکی ماتریس را در نظر بگیرید و نه تعداد پیکسل ها را.

2016-11-28 15:10:42 0 1493

کدام ماتریس CMOS یا CCD بهتر است؟

در سال‌های اخیر، ماتریس‌های CCD (دستگاه همراه با شارژ، CCD - دستگاه بازخورد شارژ) و CMOS (نیم‌رسانای اکسید-فلز مکمل، منطق مکمل CMOS در ترانزیستورهای فلز-اکسید-نیمه‌رسانا) به مبارزه با یکدیگر ادامه می‌دهند. هر کدام مزایا و معایب خود را دارند و اکنون به بررسی آنها خواهیم پرداخت.

ماتریس های CCD و CMOS به طور مداوم تحت آزمایش های مختلفی قرار می گیرند تا مشخص شود کدام بهتر است.

ابتدا بیایید به نموداری نگاه کنیم که این ماتریس ها چگونه هستند.

مزایا و معایب سنسورهای CMOS

یکی از دلایل اصلی استفاده گسترده از ماتریس های CMOS هزینه پایین تولید، مصرف انرژی کم و همچنین کارایی بالا است.

ماتریس های CMOS توانایی خواندن تصادفی سلول ها را دارند، در حالی که یک ماتریس CCD همه سلول ها را یکجا می خواند.

با توجه به این روش خواندن، ماتریس های CMOS به اصطلاح اثر "لکه گیری" را تجربه نمی کنند، که در ماتریس های CCD ذاتی است و به عنوان مثال به شکل "ستون های نور" عمودی از اجسام روشن نقطه مانند در قاب ظاهر می شود. ، آفتاب ، فانوس.

فناوری CMOS با وجود مزایایی که دارد، معایبی نیز دارد. عنصر حساس به نور نسبت به ناحیه پیکسل بسیار کوچک است. سهم شیر از این منطقه توسط الکترونیک ساخته شده در پیکسل اشغال شده است. این بر حساسیت کم تأثیر می گذارد و تقویت پیش از سیگنال منجر به افزایش نویز در تصویر می شود.

در میان چیزهای دیگر، CMOS با اثر "دریچه نورد" متمایز می شود. با این واقعیت مرتبط است که سیگنال خط به خط خوانده می شود.

در واقع افکت Rolling shutter هنگام عکاسی از اجسام متحرک با سرعت قابل توجه است. با خواندن ابتدا خطوط بالا و سپس پایین، ممکن است تصویر مخدوش شود. به عنوان مثال، اتومبیل های در حال حرکت را می توان بیرون کشید.

مزایا و معایب ماتریس های CCD

فناوری CCD سال‌هاست که وجود داشته است، در طول سال‌ها به طور قابل توجهی ارتقا یافته است و مزایای زیادی نسبت به CMOS دارد.

دوربین های مبتنی بر ماتریس CCD دارای شاتر الکترونیکی پیشرفته تری هستند که به ویژه برای گرفتن اشیاء یا تصاویر در حال حرکت سریع اهمیت دارد.

یکی دیگر از ویژگی های متمایز سطح نویز کم و حساسیت بالا در محدوده مادون قرمز نزدیک است. به همین دلیل، ماتریس های CCD به خوبی با شرایط نور کم کنار می آیند.

سنسورهای CCD دارای ارتعاش و اثر شاتر نورد معمولی در سنسورهای CMOS نیستند. برای مثال، ویدئویی را تماشا کنید که سنسورهای CCD و CMOS را با هم مقایسه می‌کند.

نتیجه گیری بنابراین کدام ماتریس برای دوربین های فیلمبرداری خودرو بهتر است؟

با توجه به موارد فوق می توان به نتایج زیر دست یافت:

دوربین های مجهز به ماتریس CCD:

+ در تاریکی بهتر کار کنید؛ + اجسام متحرک را تحریف نکنید؛ + رنگ های اشباع بیشتری دارند؛ - حساس به منابع نور نقطه ای؛

دوربین های دارای ماتریس CMOS:

+ارزان تر، گاهی اوقات دو برابر گران تر؛ -تحریف تصاویر پویا.<Поскольку автомобиль - это в перувую очередь движение, мы в сайт рекомендуем использовать камеры заднего, переднего, или бокового вида с матрицами CCD. С ними легче припарковаться ночью, или в темном подземном паркинге, и они не искажают геометрию объектов в движении.В нашем интернет-магазине автоэлектроники Вы можете воспользоваться удобными формами фильтров, и подобрать для себя лучшее решение.