Viens elements ir jutīgs visā redzamajā spektrālajā diapazonā, tāpēc virs krāsu CCD matricu fotodiodēm tiek izmantots gaismas filtrs, kas pārraida tikai vienu no trim krāsām: sarkanu (sarkanu), zaļu (zaļu), zilu (zilu) vai dzeltenu. (Dzeltena), fuksīna (purpursarkana), tirkīza (ciāna). Savukārt melnbaltajā CCD matricā šādu filtru nav.

IERĪCE UN PIKSEĻA DARBĪBAS PRINCIPS

Pikselis sastāv no p-substrāta, kas pārklāts ar caurspīdīgu dielektriķi, uz kura tiek uzlikts gaismu caurlaidīgs elektrods, veidojot potenciālu.

Virs pikseļa var būt gaismas filtrs (izmanto krāsu matricās) un savācējlēca (lieto matricās, kur jutīgie elementi pilnībā neaizņem virsmu).

Pozitīvs potenciāls tiek pielietots gaismu caurlaidīgam elektrodam, kas atrodas uz kristāla virsmas. Gaisma, kas krīt uz pikseļa, dziļi iekļūst pusvadītāju struktūrā, veidojot elektronu-caurumu pāri. Iegūto elektronu un caurumu atdala elektriskais lauks: elektrons pārvietojas uz nesēja uzglabāšanas zonu (potenciāla aku), un caurumi ieplūst substrātā.

Pikselim ir šādas īpašības:

• Potenciāla akas kapacitāte ir elektronu skaits, ko potenciālā aka var uzņemt.
• Pikseļa spektrālā jutība ir jutības (fotostrāvas vērtības attiecība pret gaismas plūsmas vērtību) atkarība no starojuma viļņa garuma.
• Kvantu efektivitāte (mēra procentos) ir fizikāls lielums, kas vienāds ar fotonu skaita attiecību, kuru absorbcija izraisīja kvazidaļiņu veidošanos, pret kopējo absorbēto fotonu skaitu. Mūsdienu CCD matricās šis rādītājs sasniedz 95%. Salīdzinājumam, cilvēka acs kvantu efektivitāte ir aptuveni 1%.
• Dinamiskais diapazons ir piesātinājuma sprieguma vai strāvas attiecība pret vidējo kvadrātisko spriegumu vai tumšā trokšņa strāvu. Mērīts dB.

CCD MATRIKSAS UN LĀDES PĀRDOŠANAS IERĪCE

CCD ir sadalīts rindās, savukārt katra rinda ir sadalīta pikseļos. Rindas ir atdalītas viena no otras ar stop slāņiem (p +), kas novērš lādiņu plūsmu starp tām. Lai pārvietotu datu paketi, tiek izmantoti paralēlie, kas pazīstami arī kā vertikālie (VCCD) un seriālie, kas pazīstami arī kā horizontāli (HCCD) maiņu reģistri.

Vienkāršākais trīsfāzu nobīdes reģistra darbības cikls sākas ar to, ka pirmajiem vārtiem tiek pielikts pozitīvs potenciāls, kā rezultātā veidojas aka, kas piepildīta ar iegūtajiem elektroniem. Tad uz otrajiem vārtiem pieliekam potenciālu, kas ir augstāks nekā uz pirmajiem, kā rezultātā zem otrajiem vārtiem veidojas dziļāka potenciāla aka, kurā no zem pirmajiem vārtiem ieplūdīs elektroni. Lai turpinātu lādiņa kustību, jums jāsamazina potenciālā vērtība uz otrajiem vārtiem un jāpiemēro lielāks potenciāls trešajām. Elektroni plūst zem trešajiem vārtiem. Šis cikls turpinās no uzkrāšanas punkta līdz tiešās nolasīšanas horizontālajam rezistoram. Visi horizontālo un vertikālo nobīdes reģistru elektrodi veido fāzes (1., 2. un 3. fāze).

CCD matricu klasifikācija pēc krāsas:

• Melns un balts
• Krāsaini

CCD matricu klasifikācija pēc arhitektūras:

Zaļš norāda uz gaismjutīgām šūnām, pelēks apzīmē necaurspīdīgas zonas.

CCD matricai ir šādas īpašības:

• Lādiņa pārneses efektivitāte ir attiecība starp elektronu skaitu lādiņā ceļa beigās caur nobīdes reģistru pret skaitli sākumā.
• Aizpildījuma koeficients ir ar gaismjutīgiem elementiem piepildītā laukuma attiecība pret CCD matricas gaismjutīgās virsmas kopējo laukumu.
• Tumšā strāva ir elektriskā strāva, kas plūst caur gaismjutīgu elementu, ja nav krītošu fotonu.
• Lasīšanas troksnis ir troksnis, kas rodas izejas signāla pārveidošanas un pastiprināšanas shēmās.

Matricas ar kadru pārnesi. (angļu kadru pārsūtīšana).

Priekšrocības: Iespēja 100% virsmas aizņemt ar gaismjutīgiem elementiem; Nolasīšanas laiki ir mazāki nekā pilna kadra pārsūtīšanas sensoriem; Mazāks izplūdums nekā pilna kadra pārsūtīšanas CCD; Tam ir darba cikla priekšrocības salīdzinājumā ar pilna kadra arhitektūru: kadru pārneses CCD nepārtraukti savāc fotonus. Trūkumi: Lasot datus, jums vajadzētu bloķēt gaismas avotu ar aizvaru, lai izvairītos no izplūšanas; Palielināts lādiņa pārvietošanās ceļš, kas negatīvi ietekmē lādiņa pārneses efektivitāti; Šo sensoru ražošana un ražošana ir dārgāka nekā pilna kadra pārsūtīšanas ierīces.

Matricas ar starprindu pārsūtīšanu vai matricas ar kolonnu buferizāciju (eng. Interline-transfer).
	Priekšrocības: Nav nepieciešams izmantot slēģus; Nav eļļošanas. Trūkumi: Iespēja aizpildīt virsmu ar jutīgiem elementiem ne vairāk kā par 50%. Lasīšanas ātrumu ierobežo maiņu reģistra ātrums; Izšķirtspēja ir zemāka nekā kadra un pilna kadra pārsūtīšanas CCD.

Matricas ar līniju kadru pārsūtīšanu vai matricas ar kolonnu buferizāciju (angļu starprinda).

Priekšrocības: Lādiņu uzkrāšanas un pārneses procesi ir telpiski atdalīti; Uzlāde no uzglabāšanas elementiem tiek pārnesta uz pārvades reģistriem, kas ir slēgti no CCD matricas gaismas; Visa attēla uzlādes pārnešana tiek veikta 1 pulksteņa ciklā; Nav eļļošanas; Intervāls starp ekspozīcijām ir minimāls un piemērots video ierakstīšanai. Trūkumi: Iespēja aizpildīt virsmu ar jutīgiem elementiem ne vairāk kā par 50%; Izšķirtspēja ir zemāka nekā kadra un pilna kadra pārsūtīšanas CCD; Tiek palielināts lādiņa pārvietošanās ceļš, kas negatīvi ietekmē lādiņa pārneses efektivitāti.

CCD MATRIKSU PIELIETOJUMS

	ZINĀTNISKS PIELIETOJUMS spektroskopijai; mikroskopijai; kristalogrāfijai; fluoroskopijai; dabaszinātnēm; bioloģijas zinātnēm.
	KOSMOSA PIELIETOJUMS teleskopos; zvaigžņu izsekotājos; satelītu izsekošanā; zondējot planētas; borta un manuālais apkalpes aprīkojums.
	RŪPNIECĪBAS PIELIETOJUMS pārbaudīt metināto šuvju kvalitāti; kontrolēt krāsoto virsmu viendabīgumu; pētīt mehānisko izstrādājumu nodilumizturību; svītrkodu lasīšanai; kontrolēt produktu iepakojuma kvalitāti.
	PIETEIKUMS OBJEKTU AIZSARDZĪBAI dzīvojamos dzīvokļos; lidostās; būvlaukumos; darba vietās; “viedajās” kamerās, kas atpazīst cilvēka seju.
	PIELIETOJUMS FOTOGRĀFIJĀ profesionālajās kamerās; amatieru kamerās; mobilajos tālruņos.
	LIETOŠANA MEDICĪNĀ fluoroskopijā; kardioloģijā; mamogrāfijā; zobārstniecībā; mikroķirurģijā; onkoloģijā.
	AUTO-CEĻU LIETOJUMS automātiskai numura zīmju atpazīšanai; ātruma kontrolei; kontrolēt satiksmes plūsmu; par stāvvietu; policijas novērošanas sistēmās.

Kā rodas kropļojumi, fotografējot kustīgus objektus uz sensora ar slēģu:

Kameras matrica veic gaismas parametru digitalizācijas funkciju uz tās virsmas. Mūsdienās fototehnikas tirgus ir sadalīts divās nometnēs: ierīcēs, kas izmanto CMOS matricu, un ierīcēs, kurās izmanto CCD matricu. Nevar runāt par vienas tehnoloģijas prioritāti pār otru, lai gan CMOS īpatsvars pārdošanas pārskatos ir nedaudz lielāks, taču tas izskaidrojams ar lietotāja objektīvām prasībām, nevis pašu matricu īpašībām. Izmaksām bieži ir izšķiroša nozīme atlases procesā.

Definīcija

CCD matrica- mikroshēma, kas sastāv no gaismjutīgām fotodiodēm un izveidota uz silīcija bāzes. Darbības pamatā ir ar uzlādi savienotas ierīces darbības princips.

CMOS sensors- mikroshēma, kas izveidota uz lauka efekta tranzistoru bāzes ar izolētiem vārtiem ar dažādas vadītspējas kanāliem.

Salīdzinājums

Galvenā atšķirība starp CMOS un CCD sensoriem ir to pilnīgi atšķirīgie darbības principi. CCD digitalizē iegūto analogo attēlu, CMOS digitalizē katru attēla pikseļu uzreiz. Nedaudz sīkāk: elektriskais lādiņš CCD matricas pikseļos (LED) tiek pārveidots par elektrisko potenciālu, tiek pastiprināts analogajā pastiprinātājā ārpus gaismjutīgā sensora un tikai pēc tam tiek digitalizēts ar analogo-digitālo pārveidotāju. Elektriskais lādiņš CMOS matricas pikseļos tiek uzkrāts kondensatoros, no kuriem tiek noņemts elektriskais potenciāls, pārsūtīts uz analogo pastiprinātāju un digitalizēts caur to pašu pārveidotāju. Dažiem jaunajiem CMOS sensoriem ir tieši pikseļos iebūvēti analogā signāla pastiprinātāji.

Vēl viens svarīgs punkts: CCD un CMOS matricu pastiprinātāju skaits ir atšķirīgs. Pēdējiem ir vairāk pastiprinātāju, tāpēc attēla kvalitāte nedaudz pasliktinās, kad signāls iet cauri. Tāpēc CCD tiek izmantots fotoiekārtu izveidē, kas paredzētas augstas detalizācijas pakāpes attēlu radīšanai, piemēram, pētniecības, medicīnas un rūpnieciskiem nolūkiem. Mēs katru dienu saskaramies ar CMOS: lielākā daļa mobilās elektronikas kameru ir balstītas tieši uz šādām matricām.

Iegūtā attēla kvalitāte ir atkarīga no vēl viena apstākļa - fotodiožu blīvuma. Jo tuvāk tie atrodas, jo mazāk matricas apgabalu, kur tiek izšķiesti fotoni. CCD vienkārši piedāvā izkārtojumu bez spraugām starp fotodiodēm, turpretim CMOS tie pastāv - tur atrodas tranzistori.

CCD matricas ir daudz dārgākas nekā CMOS un energoietilpīgākas, tāpēc ir nepraktiski tās uzstādīt vietās, kur attēla kvalitāte ir tuvu vidējai. CCD matricas ir ļoti jutīgas, to pikseļu piepildījuma procents ir lielāks un sasniedz gandrīz 100%, un trokšņu līmenis ir zems. CMOS matricas nodrošina augstu veiktspējas līmeni, taču jutības un trokšņa ziņā tās ir zemākas par CCD. CCD tehnoloģija, atšķirībā no CMOS, neļauj veikt nepārtrauktu fotografēšanu vai video ierakstīšanu. Tāpēc to izmantošana, piemēram, mobilajā elektronikā nav attaisnojama ar pašu ierīču mērķi. Teiksim tā, ka CCD ir matrica profesionālai fotoiekārtai.

Secinājumu vietne

1. CCD ir uz silīcija bāzes veidota matrica, kas darbojas kā ar lādiņu savienota ierīce, CMOS ir uz lauka efekta tranzistoru balstīta matrica.
2. Analogais signāls CCD matricā tiek pārveidots ārpus gaismjutīgā sensora, CMOS matricā tas tiek pārveidots tieši pikselī.
3. No CCD iegūtā attēla kvalitāte ir augstāka nekā no CMOS.
4. CCD ir energoietilpīgāks.
5. CMOS ļauj uzņemt video un uzņemt sērijveida fotoattēlus.
6. CMOS ir kļuvusi plaši izplatīta mobilajā elektronikā.

Attēla sensors ir jebkuras videokameras vissvarīgākais elements. Mūsdienās gandrīz visās kamerās tiek izmantoti CCD vai CMOS attēla sensori. Abu veidu sensori veic uzdevumu pārveidot attēlu, ko uz sensora veido objektīvs, elektriskajā signālā. Tomēr jautājums par to, kurš sensors ir labāks, joprojām paliek atklāts.

N.I. Chura
Tehniskais padomnieks
Microvideo Group LLC

CCD ir analogais sensors, neskatoties uz gaismas jutīgās struktūras diskrētumu. Kad gaisma sasniedz matricu, katrs pikselis uzkrāj lādiņu vai elektronu paketi, kas, slodzes nolasot, tiek pārveidota par video signāla spriegumu, kas ir proporcionāls pikseļu apgaismojumam. Minimālais šī lādiņa starppāreju skaits un aktīvo ierīču trūkums nodrošina augstu CCD jutīgo elementu identitāti.

CMOS matrica ir digitāla ierīce ar aktīviem pikseļu sensoriem. Katram pikselim ir savs pastiprinātājs, kas jutīgā elementa lādiņu pārvērš spriegumā. Tas ļauj kontrolēt katru pikseļu gandrīz atsevišķi.

CCD evolūcija

Kopš Bell Laboratories (vai Bell Labs) 1969. gadā izgudroja CCD, attēla sensoru izmēri ir nepārtraukti samazinājušies. Tajā pašā laikā palielinājās jutīgo elementu skaits. Tas, protams, noveda pie viena jutīga elementa (pikseļa) lieluma un attiecīgi arī tā jutīguma samazināšanās. Piemēram, kopš 1987. gada šie izmēri ir samazinājušies 100 reizes. Bet, pateicoties jaunajām tehnoloģijām, viena elementa (un līdz ar to arī visas matricas) jutība ir pat palielinājusies.

Kas ļāva mums dominēt
Jau no paša sākuma CCD kļuva par dominējošiem sensoriem, jo ​​tie nodrošināja labāku attēla kvalitāti, mazāku troksni, lielāku jutību un lielāku pikseļu viendabīgumu. Galvenie centieni uzlabot tehnoloģiju bija vērsti uz CCD veiktspējas uzlabošanu.

Kā aug jūtīgums
Salīdzinājumā ar populāro standarta izšķirtspējas matricu Sony HAD (500x582) 90. gadu beigās. (ICX055) modeļiem ar progresīvāku Super HAD tehnoloģiju jutība palielinājās gandrīz 3 reizes (ICX405) un Ex-view HAD - 4 reizes (ICX255). Un melnbaltajām un krāsainajām versijām.

Augstas izšķirtspējas matricām (752x582) panākumi ir nedaudz mazāk iespaidīgi, taču, ja salīdzinām Super HAD krāsu attēlu modeļus ar modernākajām Ex-view HAD II un Super HAD II tehnoloģijām, jutības pieaugums būs 2,5 un 2,4 reizes. , attiecīgi. Un tas neskatoties uz pikseļu lieluma samazināšanos par gandrīz 30%, jo mēs runājam par vismodernākā 960H formāta matricām ar palielinātu pikseļu skaitu līdz 976x582 PAL standartam. Lai apstrādātu šādu signālu, Sony piedāvā virkni Effio signālu procesoru.

Pievienots IR komponents
Viena no efektīvajām metodēm integrālās jutības palielināšanai ir jutīguma spektrālo īpašību paplašināšana infrasarkanajā reģionā. Tas jo īpaši attiecas uz Ex-view matricu. IR komponenta pievienošana nedaudz izkropļo krāsu relatīvā spilgtuma pārnešanu, bet melnbaltajai versijai tas nav kritiski. Vienīgā problēma rodas ar krāsu atveidi dienas/nakts kamerās ar nemainīgu IR jutību, tas ir, bez mehāniska IR filtra.

Šīs tehnoloģijas attīstība Ex-view HAD II modeļos (ICX658AKA) salīdzinājumā ar iepriekšējo versiju (ICX258AK) nodrošina integrālās jutības pieaugumu tikai par 0,8 dB (no 1100 līdz 1200 mV), vienlaikus palielinot jutību pie a. viļņa garums 950 nm x 4,5 dB. Attēlā 1 parāda šo matricu spektrālās jutības raksturlielumus, un att. 2 – to integrālās jutības attiecība.

Optiskās inovācijas
Vēl viena CCD jutības palielināšanas metode ir palielināt pikseļu mikroobjektīvu efektivitāti, gaismjutīgo apgabalu un optimizēt krāsu filtrus. Attēlā 3. attēlā parādīta Super HAD un Super HAD II matricu struktūra, kas parāda jaunākās modifikācijas objektīva laukuma un gaismjutīgās zonas palielināšanos.

Turklāt Super HAD II matricas ir ievērojami palielinājušas gaismas filtru caurlaidību un to izturību pret izbalēšanu. Turklāt ir paplašināta pārraide spektra īsviļņu apgabalā (zilā krāsā), kas uzlaboja krāsu atveidi un baltā balansu.

Attēlā 4. attēlā parādīti Sony 1/3" Super HAD (ICX229AK) un Super HAD II (ICX649AKA) matricu spektrālās jutības raksturlielumi.

CCD: unikāla jutība

Kopumā iepriekšminētie pasākumi ir sasnieguši ievērojamus rezultātus CCD veiktspējas uzlabošanā.

Mūsdienu modeļu īpašības nav iespējams salīdzināt ar iepriekšējām versijām, jo ​​tajā laikā netika ražotas plašai lietošanai paredzētas krāsu matricas, pat standarta augstas izšķirtspējas. Savukārt standarta izšķirtspējas melnbaltās matricas, izmantojot jaunākās Ex-view HAD II un Super HAD II tehnoloģijas, šobrīd netiek ražotas.

Jebkurā gadījumā jutības ziņā CCD joprojām ir neaizsniedzams CMOS etalons, tāpēc tos joprojām plaši izmanto, izņemot megapikseļu variantus, kas ir ļoti dārgi un tiek izmantoti galvenokārt īpašiem uzdevumiem.

CMOS: priekšrocības un trūkumi

CMOS sensori tika izgudroti pagājušā gadsimta 70. gadu beigās, taču tehnoloģisku problēmu dēļ to ražošana sākās tikai 90. gados. Un uzreiz parādījās to galvenās priekšrocības un trūkumi, kas joprojām ir aktuāli šodien.

Priekšrocības ietver lielāku sensoru integrāciju un izmaksu efektivitāti, plašāku dinamisko diapazonu, ražošanas vienkāršību un zemākas izmaksas, īpaši megapikseļu variantiem.

No otras puses, CMOS sensoriem ir zemāka jutība, kas ir saistīta ar lieliem zudumiem RGB filtros un mazāku gaismjutīgā elementa izmantojamo laukumu. Daudzo pārejas elementu, tostarp pastiprinātāju, rezultātā katra pikseļa ceļā nodrošināt visu jutīgo elementu parametru vienveidību ir daudz grūtāk, salīdzinot ar CCD. Taču tehnoloģiju uzlabojumi ir pietuvinājuši CMOS jutību labākajiem CCD modeļiem, īpaši megapikseļu versijās.

Pirmie CMOS atbalstītāji apgalvoja, ka šīs struktūras būtu daudz lētākas, jo tās varētu ražot ar tādu pašu aparatūru un tehnoloģijām kā atmiņas un loģiskās mikroshēmas. Šis pieņēmums daudzējādā ziņā tika apstiprināts, bet ne pilnībā, jo tehnoloģiju uzlabošana noveda pie ražošanas procesa, kas pēc sarežģītības ir gandrīz identisks CCD ražošanas procesam.

Paplašinoties patērētāju lokam ārpus standarta televīzijas, matricu izšķirtspēja sāka nepārtraukti palielināties. Tās ir sadzīves videokameras, elektroniskās kameras un sakaru ierīcēs iebūvētas kameras. Starp citu, mobilajām ierīcēm efektivitātes jautājums ir diezgan svarīgs, un šeit CMOS sensoram nav konkurentu. Piemēram, kopš 90. gadu vidus. Matricu izšķirtspēja katru gadu ir palielinājusies par 1–2 miljoniem elementu un tagad sasniedz 10–12 Mpcs. Turklāt pieprasījums pēc CMOS sensoriem ir kļuvis dominējošs un šodien pārsniedz 100 miljonus vienību.

CMOS: uzlabota jutība

Pirmajiem novērošanas kameru paraugiem no 1990. gadu beigām – 2000. gadu sākumam ar CMOS matricām bija 352x288 pikseļu izšķirtspēja un jutība pat melnbaltā krāsā bija aptuveni 1 lukss. Standarta izšķirtspējas krāsu versijas atšķīrās ar jutību aptuveni 7–10 luksi.

Ko piedāvā piegādātāji?
Pašlaik CMOS matricu jutība noteikti ir palielinājusies, taču tipiskām krāsu attēla opcijām tā nepārsniedz vairāku luksu lielumus pie saprātīgām objektīva F skaitļa vērtībām (1,2–1,4). To apliecina IP videonovērošanas zīmolu tehniskās specifikācijas, kas izmanto progresīvās skenēšanas CMOS matricas. Tie ražotāji, kas apgalvo, ka jutība ir aptuveni desmitdaļās luksa, parasti norāda, ka tie ir dati par zemāku kadru ātrumu, uzkrāšanas režīmu vai vismaz iespējotu un pietiekami dziļu AGC (AGC). Turklāt dažiem IP kameru ražotājiem maksimālais AGC sasniedz prātam neaptveramu vērtību –120 dB (1 miljons reižu). Var cerēt, ka šī gadījuma jutīgums ražotāju prātos paredz pienācīgu signāla un trokšņa attiecību, ļaujot uz ekrāna novērot ne tikai "sniegu".

Inovācijas uzlabo video kvalitāti
Cenšoties uzlabot CMOS matricu veiktspēju, Sony ir piedāvājis vairākas jaunas tehnoloģijas, kas nodrošina praktisku CMOS matricu salīdzināšanu ar CCD jutības, signāla un trokšņa attiecības ziņā megapikseļu versijās.

Jaunā tehnoloģija Exmor matricu ražošanai ir balstīta uz gaismas plūsmas krišanas virziena matricu matricu. Tipiskā arhitektūrā gaisma ietriecas silīcija vafeles priekšējā virsmā caur bloka ķēdes vadītājiem un tiem garām. Šie elementi izkliedē un bloķē gaismu. Jaunajā modifikācijā gaisma iekļūst silīcija vafeles aizmugurē. Tas ievērojami palielināja CMOS matricas jutību un samazināja troksni. Attēlā 5. attēlā ir izskaidrotas atšķirības starp standarta matricas un Exmor matricas struktūrām, kas parādītas sadaļā.

1. fotoattēlā ir redzami testa objekta attēli, kas uzņemti 100 luksu (F4.0 un 1/30 s) apgaismojumā ar kameru ar CCD (priekšējais apgaismojums) un CMOS Exmor ar vienādu formātu un 10 megapikseļu izšķirtspēju. Acīmredzot CMOS kameras attēls ir vismaz tikpat labs kā CCD attēls.

Vēl viens veids, kā uzlabot CMOS sensoru jutību, ir attālināties no taisnstūra pikseļu izkārtojuma ar līniju nobīdītiem sarkaniem un ziliem elementiem. Šajā gadījumā viena izšķirtspējas elementa konstrukcijā tiek izmantoti divi zaļi pikseļi - zils un sarkans no dažādām rindām. Tā vietā tiek piedāvāts elementu izvietojums pa diagonāli, izmantojot sešus blakus esošos zaļos elementus, lai izveidotu vienu izšķirtspējas elementu. Šo tehnoloģiju sauc par ClearVid CMOS. Apstrādei tiek pieņemts jaudīgāks attēla signāla procesors. Krāsaino elementu izvietojuma struktūru atšķirība ir parādīta attēlā. 6.

Informāciju nolasa ātrgaitas paralēlais analogais-digitālais pārveidotājs. Tajā pašā laikā progresīvās skenēšanas kadru ātrums var sasniegt 180 un pat 240 kadrus sekundē. Paralēli ierakstot informāciju, tiek novērsta CMOS kamerām ar secīgu ekspozīciju un signāla nolasīšanu ierastā kadru diagonālā nobīde, tā sauktais Rolling Shutter efekts – kad ātri kustīgiem objektiem raksturīgā izplūšana pilnībā nepastāv.

2. fotoattēlā ir redzami rotējoša ventilatora attēli, kas uzņemti ar CMOS kameru ar kadru ātrumu 45 un 180 kadri sekundē.

Pilna konkurence

Kā piemērus minējām Sony tehnoloģijas. Protams, CMOS matricas, tāpat kā CCD, ražo arī citi uzņēmumi, lai gan ne tādā mērogā un ne tik labi. Jebkurā gadījumā visi tā vai citādi iet aptuveni vienu un to pašu ceļu un izmanto līdzīgus tehniskos risinājumus.

Jo īpaši labi zināmā Panasonic Live-MOS matricu tehnoloģija arī ievērojami uzlabo CMOS matricu īpašības un, protams, ar līdzīgām metodēm. Panasonic matricas ir samazinājušas attālumu no fotodiodes līdz mikroobjektīvam. Signālu pārraide no fotodiodes virsmas ir vienkāršota. Vadības signālu skaits ir samazināts no 3 (standarta CMOS) līdz 2 (kā CCD), kas ir palielinājis pikseļa gaismjutīgo laukumu. Tiek izmantots zema trokšņa līmeņa fotodiodes pastiprinātājs. Tiek izmantota plānāka sensora slāņa struktūra. Samazināts barošanas spriegums samazina troksni un matricas siltumu.

Var teikt, ka megapikseļu CMOS matricas jau tagad var veiksmīgi konkurēt ar CCD ne tikai cenā, bet arī tādās šai tehnoloģijai problemātiskajās īpašībās kā jutība un trokšņu līmenis. Tomēr tradicionālajos CCTV televīzijas formātos CCD matricas joprojām ir nepārspējamas.

Matrica ir galvenais kameras strukturālais elements un viens no galvenajiem parametriem, ko lietotājs ņem vērā, izvēloties kameru. Mūsdienu digitālo fotokameru matricas var klasificēt pēc vairākām zīmēm, bet galvenā un izplatītākā joprojām ir matricu sadalīšana pēc maksas nolasīšanas metode, uz: matricas CCD veids un CMOS matricas. Šajā rakstā apskatīsim šo divu veidu matricu darbības principus, kā arī priekšrocības un trūkumus, jo tieši tās tiek plaši izmantotas mūsdienu foto un video iekārtās.

CCD matrica

Matrica CCD ko sauc arī par CCD matrica(Uzlādējiet savienotās ierīces). CCD matrica ir taisnstūrveida gaismjutīgu elementu (fotodiodu) plāksne, kas atrodas uz pusvadītāja silīcija kristāla. Tās darbības princips ir balstīts uz lādiņu kustību, kas uzkrājusies caurumos, ko veido fotoni silīcija atomos. Tas ir, saduroties ar fotodiodi, gaismas fotons tiek absorbēts un elektrons tiek atbrīvots (rodas iekšējs fotoelektrisks efekts). Rezultātā veidojas lādiņš, kas kaut kā jāuzglabā tālākai apstrādei. Šim nolūkam matricas silīcija substrātā ir iebūvēts pusvadītājs, virs kura atrodas caurspīdīgs elektrods, kas izgatavots no polikristāliskā silīcija. Un šī elektroda elektriskā potenciāla pielikšanas rezultātā zem pusvadītāja izsīkuma zonā veidojas tā sauktā potenciāla aka, kurā glabājas no fotoniem saņemtais lādiņš. Nolasot elektrisko lādiņu no matricas, lādiņi (kas tiek glabāti potenciāla iedobēs) tiek pārnesti pa pārvades elektrodiem uz matricas malu (sērijas nobīdes reģistrs) un virzienā uz pastiprinātāju, kas pastiprina signālu un pārraida to uz analogo- digitālais pārveidotājs (ADC), no kura pārveidotais signāls tiek nosūtīts uz procesoru, kas apstrādā signālu un saglabā iegūto attēlu atmiņas kartē .

Polisilīcija fotodiodes izmanto CCD matricu ražošanai. Šādas matricas ir maza izmēra un ļauj iegūt diezgan augstas kvalitātes fotogrāfijas, fotografējot normālā apgaismojumā.

CCD priekšrocības:

1. Matricas dizains nodrošina augstu fotoelementu (pikseļu) izvietojuma blīvumu uz pamatnes;
2. Augsta efektivitāte (reģistrēto fotonu attiecība pret to kopējo skaitu ir aptuveni 95%);
3. Augsta jutība;
4. Laba krāsu atveide (ar pietiekamu apgaismojumu).

CCD trūkumi:

1. Augsts trokšņu līmenis pie augsta ISO (pie zema ISO trokšņu līmenis ir mērens);
2. Zems darbības ātrums, salīdzinot ar CMOS matricām;
3. Liels enerģijas patēriņš;
4. Sarežģītāka signālu nolasīšanas tehnoloģija, jo ir nepieciešamas daudzas vadības mikroshēmas;
5. Ražošana ir dārgāka nekā CMOS matricas.

CMOS matrica

Matrica CMOS, vai CMOS matrica(Papildu metāla oksīda pusvadītāji) izmanto aktīvo punktu sensorus. Atšķirībā no CCD, CMOS sensori katrā gaismas jutīgajā elementā (pikselī) satur atsevišķu tranzistoru, kā rezultātā lādiņa konversija tiek veikta tieši pikselī. Iegūto lādiņu var nolasīt no katra pikseļa atsevišķi, tādējādi novēršot lādiņa pārsūtīšanas nepieciešamību (kā tas notiek ar CCD). CMOS sensora pikseļi ir integrēti tieši ar analogo-digitālo pārveidotāju vai pat procesoru. Šādas racionālas tehnoloģijas izmantošanas rezultātā enerģijas ietaupījums rodas, samazinot darbību ķēdes salīdzinājumā ar CCD matricām, kā arī samazinot ierīces izmaksas vienkāršākas konstrukcijas dēļ.

Īss CMOS sensora darbības princips: 1) Pirms uzņemšanas atiestatīšanas tranzistoram tiek ievadīts atiestatīšanas signāls. 2) Ekspozīcijas laikā gaisma caur objektīvu un filtru iekļūst fotodiodē un fotosintēzes rezultātā potenciālajā akā uzkrājas lādiņš. 3) Tiek nolasīta saņemtā sprieguma vērtība. 4) Datu apstrāde un attēlu saglabāšana.

CMOS sensoru priekšrocības:

1. Zems enerģijas patēriņš (īpaši gaidīšanas režīmā);
2. Augsta veiktspēja;
3. Nepieciešamas mazākas ražošanas izmaksas, jo tehnoloģija ir līdzīga mikroshēmu ražošanai;
4. Tehnoloģiju vienotība ar citiem digitālajiem elementiem, kas ļauj vienā mikroshēmā apvienot analogās, digitālās un apstrādes daļas (t.i., papildus gaismas uztveršanai pikselī, jūs varat pārveidot, apstrādāt un notīrīt signālu no trokšņa).
5. Iespēja nejauši piekļūt katram pikselim vai pikseļu grupai, kas ļauj samazināt uzņemtā attēla izmēru un palielināt nolasīšanas ātrumu.

CMOS matricu trūkumi:

1. Fotodiode aizņem nelielu pikseļa laukumu, kā rezultātā matricai ir zema gaismas jutība, taču mūsdienu CMOS matricās šis trūkums ir praktiski novērsts;
2. Siltuma trokšņa klātbūtne no sildīšanas tranzistoriem pikseļa iekšpusē lasīšanas procesā.
3. Salīdzinoši liela izmēra fotoiekārtām ar šāda veida matricu ir raksturīgs liels svars un izmērs.

Papildus iepriekšminētajiem veidiem ir arī trīsslāņu matricas, no kurām katrs slānis ir CCD. Atšķirība ir tāda, ka šūnas vienlaikus spēj uztvert trīs krāsas, kuras veido dihroiskas prizmas, kad uz tām trāpa gaismas stars. Pēc tam katrs stars tiek novirzīts uz atsevišķu matricu. Rezultātā zilās, sarkanās un zaļās krāsas spilgtums tiek noteikts uzreiz uz fotoelementa. Augsta līmeņa videokamerās tiek izmantotas trīsslāņu matricas, kurām ir īpašs apzīmējums - 3CCD.

Rezumējot, vēlos atzīmēt, ka līdz ar CCD un CMOS matricu ražošanas tehnoloģiju attīstību mainās arī to raksturlielumi, tāpēc arvien grūtāk ir pateikt, kura no matricām noteikti ir labāka, bet tajā pašā laikā CMOS matricas pēdējā laikā kļūst arvien populārākas spoguļkameru ražošanā. Pamatojoties uz dažāda veida matricu raksturīgajām iezīmēm, var gūt skaidru priekšstatu par to, kāpēc profesionāla fototehnika, kas nodrošina augstas kvalitātes fotografēšanu, ir diezgan apjomīga un smaga. Šī informācija noteikti ir jāatceras, izvēloties kameru – tas ir, jāņem vērā matricas fiziskie izmēri, nevis pikseļu skaits.

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

Kura matrica ir labāka CMOS vai CCD?

Pēdējos gados CCD (charge-coupled device, CCD - charge feedback device) un CMOS (komplementāra metāla-oksīda-pusvadītāja, CMOS komplementārā loģika uz metāla-oksīda-pusvadītāju tranzistoriem) matricas turpina cīnīties savā starpā. Katram no tiem ir savi plusi un mīnusi, un mēs tos apskatīsim tagad.

CCD un CMOS matricas tiek pastāvīgi pakļautas dažādiem testiem, lai noskaidrotu, kura ir labāka.

Vispirms apskatīsim diagrammu, kā izskatās šīs matricas.

CMOS sensoru priekšrocības un trūkumi

Viens no galvenajiem CMOS matricu plašās izmantošanas iemesliem ir zemās ražošanas izmaksas, zems enerģijas patēriņš, kā arī augsta veiktspēja.

CMOS matricām ir iespēja nejauši nolasīt šūnas, savukārt CCD matrica nolasa visas šūnas vienlaikus.

Pateicoties šai nolasīšanas metodei, CMOS matricas nepiedzīvo tā saukto “smērēšanas” efektu, kas ir raksturīgs CCD matricām un parādās kadrā vertikālu “gaismas stabu” veidā no punktveida spilgtiem objektiem, piemēram, , saule, laternas.

Neskatoties uz priekšrocībām, CMOS tehnoloģijai ir arī savi trūkumi. Gaismas jutīgais elements ir ārkārtīgi mazs attiecībā pret pikseļu laukumu. Laukuma lauvas tiesu aizņem pikselī iebūvētā elektronika. Tas ietekmē zemo jutību, un signāla priekšpastiprināšana palielina attēla troksni.

Cita starpā CMOS izceļas ar “ritošā slēdža” efektu. Tas ir saistīts ar to, ka signāls tiek nolasīts rindu pa rindiņai.

Faktiski ritošā slēdža efekts ir pamanāms, uzņemot ātri kustīgus objektus. Vispirms nolasot augšējās rindiņas un pēc tam apakšējo, attēls var tikt izkropļots. Piemēram, braucošas automašīnas var izvilkt.

CCD matricu priekšrocības un trūkumi

CCD tehnoloģija pastāv jau daudzus gadus, gadu gaitā tā ir ievērojami uzlabota, un tai ir vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar CMOS.

Kamerām, kuru pamatā ir CCD matrica, ir uzlabots elektroniskais aizvars, kas ir īpaši svarīgi ātri kustīgu objektu vai attēlu uzņemšanai.

Vēl viena atšķirīga iezīme ir zems trokšņu līmenis un augsta jutība tuvajā infrasarkanajā diapazonā. Pateicoties tam, CCD matricas labi tiek galā ar vāja apgaismojuma apstākļiem.

CCD sensoriem nav CMOS sensoriem ierastā vibrācijas un slēdža efekta. Piemēram, noskatieties video, kurā salīdzināti CCD un CMOS sensori.

Secinājumi. Tātad, kura matrica ir labāka automašīnu videokamerām?

Ņemot vērā iepriekš minēto, mēs varam izdarīt šādus secinājumus:

Kameras, kas aprīkotas ar CCD matricu:

+ labāk strādāt tumsā; + neizkropļo kustīgus objektus; + ir piesātinātākas krāsas; - jutīga pret punktveida gaismas avotiem;

Kameras ar CMOS matricu:

+lētāk, reizēm divreiz dārgāk;-dinamisko bilžu kropļojumi;<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.