Posamezen element je občutljiv v celotnem vidnem spektralnem območju, zato je nad fotodiodami barvnih CCD matric uporabljen svetlobni filter, ki prepušča le eno od treh barv: rdečo (Red), zeleno (Green), modro (Blue) ali rumeno. (Rumena), magenta (Magenta), turkizna (Cyan). Toda v črno-beli matriki CCD takih filtrov ni.

NAPRAVA IN PRINCIP DELOVANJA PIKSLA

Piksel je sestavljen iz p-substrata, prevlečenega s prozornim dielektrikom, na katerega je nameščena elektroda, ki prepušča svetlobo, in tvori potencialno jamo.

Nad slikovno piko je lahko svetlobni filter (uporablja se v barvnih matricah) in zbiralna leča (uporablja se v matricah, kjer občutljivi elementi ne zasedajo v celoti površine).

Pozitiven potencial se uporabi za elektrodo, ki prepušča svetlobo, ki se nahaja na površini kristala. Svetloba, ki pada na slikovno piko, prodre globoko v strukturo polprevodnika in tvori par elektron-luknja. Nastali elektron in luknjo raztegne električno polje: elektron se premakne v območje shranjevanja nosilca (potencialna jama), luknje pa tečejo v podlago.

Piksel ima naslednje značilnosti:

• Kapaciteta potencialne vrtine je število elektronov, ki jih potencialna jama lahko sprejme.
• Spektralna občutljivost piksla je odvisnost občutljivosti (razmerje med vrednostjo fototoka in vrednostjo svetlobnega toka) od valovne dolžine sevanja.
• Kvantna učinkovitost (merjena v odstotkih) je fizikalna količina, ki je enaka razmerju med številom fotonov, katerih absorpcija je povzročila nastanek kvazidelcev, in skupnim številom absorbiranih fotonov. V sodobnih matricah CCD ta številka doseže 95%. Za primerjavo, človeško oko ima kvantno učinkovitost približno 1 %.
• Dinamično območje je razmerje med nasičeno napetostjo ali tokom in povprečno kvadratno napetostjo ali tokom temnega šuma. Merjeno v dB.

CCD MATRIKA IN NAPRAVA ZA PRENOS NABOJA

CCD je razdeljen na vrstice, vsaka vrstica pa je razdeljena na slikovne pike. Vrstici sta med seboj ločeni z zapornimi plastmi (p +), ki preprečujeta pretok nabojev med njimi. Za premikanje podatkovnega paketa se uporabljajo vzporedni, znani tudi kot navpični (VCCD) in serijski, znani tudi kot vodoravni (HCCD) premikalni registri.

Najenostavnejši cikel delovanja trifaznega premičnega registra se začne z dejstvom, da se na prva vrata uporabi pozitivni potencial, kar povzroči nastanek vdolbinice, napolnjene z nastalimi elektroni. Nato na druga vrata pripeljemo višji potencial kot na prva, zaradi česar se pod drugimi vrati oblikuje globlja potencialna jama, v katero bodo pritekali elektroni izpod prvih vrat. Če želite nadaljevati gibanje naboja, morate zmanjšati potencialno vrednost na drugih vratih in uporabiti višji potencial na tretjih. Elektroni tečejo pod tretjimi vrati. Ta cikel se nadaljuje od točke kopičenja do vodoravnega upora neposrednega odčitavanja. Vse elektrode horizontalnega in vertikalnega pomičnega registra tvorijo faze (faza 1, faza 2 in faza 3).

Razvrstitev matrik CCD po barvah:

• Črno in belo
• Barvna

Razvrstitev matrik CCD po arhitekturi:

Zelena označuje fotoobčutljive celice, siva označuje neprozorna področja.

Matrika CCD ima naslednje značilnosti:

• Učinkovitost prenosa naboja je razmerje med številom elektronov v naboju na koncu poti skozi premični register in številom na začetku.
• Faktor polnjenja je razmerje med površino, napolnjeno s fotoobčutljivimi elementi, in celotno površino fotoobčutljive površine matrike CCD.
• Temni tok je električni tok, ki teče skozi fotoobčutljiv element v odsotnosti vpadnih fotonov.
• Bralni šum je šum, ki se pojavi v vezjih za pretvorbo in ojačanje izhodnega signala.

Matrice s prenosom okvirja. (Angleški okvirni prenos).

Prednosti: Možnost zasedbe 100% površine s fotoobčutljivimi elementi; Časi odčitavanja so krajši kot pri senzorjih prenosa polnega formata; Manj zamegljenosti kot CCD s prenosom polnega formata; Ima prednost delovnega cikla pred arhitekturo polnega formata: CCD s prenosom okvirja nenehno zbira fotone. Napake: Pri branju podatkov morate vir svetlobe blokirati z zaklopom, da preprečite zamegljenost; Pot naboja se je povečala, kar negativno vpliva na učinkovitost prenosa naboja; Izdelava in proizvodnja teh senzorjev sta dražja kot prenosne naprave polnega formata.

Matrike z medvrstičnim prenosom ali matrike s stolpčnim medpomnilnikom (eng. Interline-transfer).
	Prednosti: Ni potrebe po uporabi zaklopa; Brez mazanja. Napake: Sposobnost zapolnitve površine z občutljivimi elementi za največ 50%. Hitrost branja je omejena s hitrostjo premikalnega registra; Ločljivost je nižja od CCD-jev s prenosom slike in polne slike.

Matrike s prenosom vrstica-okvir ali matrike s medpomnilnikom stolpcev (angleško interline).

Prednosti: Procesi kopičenja in prenosa naboja so prostorsko ločeni; Naboj iz hranilnih elementov se prenese v prenosne registre, zaprte od svetlobe matrike CCD; Prenos naboja celotne slike se izvede v 1 taktu; Brez mazanja; Interval med osvetlitvami je minimalen in primeren za video snemanje. Napake: Sposobnost zapolnitve površine z občutljivimi elementi za največ 50%; Ločljivost je nižja kot pri CCD-jih s prenosom slike in celotne slike; Pot naboja se poveča, kar negativno vpliva na učinkovitost prenosa naboja.

UPORABA CCD MATRIK

	ZNANSTVENA UPORABA za spektroskopijo; za mikroskopijo; za kristalografijo; za fluoroskopijo; za naravoslovje; za biološke vede.
	APLIKACIJA PROSTORA v teleskopih; v sledilnikih zvezd; pri sledenju satelitov; pri sondiranju planetov; vgrajena in ročna oprema posadke.
	INDUSTRIJSKA UPORABA za preverjanje kakovosti zvarov; za nadzor enakomernosti pobarvanih površin; preučiti odpornost proti obrabi mehanskih izdelkov; za branje črtnih kod; za nadzor kakovosti embalaže izdelkov.
	VLOGA ZA ZAŠČITO OBJEKTOV v stanovanjskih stanovanjih; na letališčih; na gradbiščih; na delovnih mestih; v »pametnih« kamerah, ki prepoznajo človekov obraz.
	UPORABA V FOTOGRAFIJI v profesionalnih kamerah; v amaterskih kamerah; v mobilnih telefonih.
	UPORABA V ZDRAVSTVU pri fluoroskopiji; v kardiologiji; pri mamografiji; v zobozdravstvu; v mikrokirurgiji; v onkologiji.
	AVTO-CESTNA APLIKACIJA za samodejno prepoznavanje registrskih tablic; za nadzor hitrosti; za nadzor prometa; za parkirno karto; v policijskih nadzornih sistemih.

Kako nastanejo popačenja pri fotografiranju premikajočih se predmetov na senzorju z navojnimi zaklopi:

Matrika kamere opravlja funkcijo digitalizacije svetlobnih parametrov na svoji površini. Danes je trg fotografske opreme razdeljen na dva tabora: naprave, ki uporabljajo matriko CMOS, in naprave, ki uporabljajo matriko CCD. Ne moremo govoriti o prednosti ene tehnologije pred drugo, čeprav je delež CMOS v prodajnih poročilih nekoliko višji, vendar je to razloženo z objektivnimi zahtevami uporabnika in ne z lastnostmi samih matrik. Stroški pogosto igrajo odločilno vlogo pri izbiri.

Opredelitev

CCD matrika- mikrovezje, sestavljeno iz fotoobčutljivih fotodiod in ustvarjeno na osnovi silicija. Delovanje temelji na principu delovanja nabojno sklopljene naprave.

CMOS senzor- mikrovezje, ustvarjeno na osnovi poljskih tranzistorjev z izoliranimi vrati s kanali različne prevodnosti.

Primerjava

Ključna razlika med senzorji CMOS in CCD je v popolnoma različnih principih delovanja. CCD digitalizira nastalo analogno sliko, CMOS digitalizira vsako slikovno piko naenkrat. Še malo podrobnosti: električni naboj v slikovnih pikah (LED) matrike CCD se pretvori v električni potencial, ojača v analognem ojačevalniku zunaj fotoobčutljivega senzorja in šele nato digitalizira z analogno-digitalnim pretvornikom. Električni naboj v slikovnih pikah matrike CMOS se kopiči v kondenzatorjih, iz katerih se električni potencial odstrani, prenese v analogni ojačevalnik in digitalizira prek istega pretvornika. Nekateri novi senzorji CMOS imajo analogne ojačevalnike signala, vgrajene neposredno v slikovno piko.

Druga pomembna točka: število ojačevalnikov za matrike CCD in CMOS je drugačno. Slednji imajo več ojačevalcev, zato se kakovost slike s prehodom signala nekoliko zmanjša. Zato se CCD uporablja pri ustvarjanju fotografske opreme, namenjene ustvarjanju slik z visoko stopnjo podrobnosti, na primer za raziskovalne, medicinske in industrijske namene. S CMOS se srečujemo vsak dan: večina kamer v mobilni elektroniki temelji prav na takšnih matricah.

Kakovost nastale slike je odvisna še od ene okoliščine - gostote fotodiod. Bližje kot so, manj je območij matrike, kjer se fotoni izgubijo. CCD ponuja samo postavitev brez vrzeli med fotodiodami, medtem ko v CMOS obstajajo - tranzistorji so nameščeni tam.

Matrike CCD so veliko dražje od CMOS in bolj energetsko intenzivne, zato je njihova namestitev tam, kjer je kakovost slike blizu povprečja zadostna, nepraktična. CCD matrike so zelo občutljive, njihov odstotek polnjenja slikovnih pik je višji in doseže skoraj 100 %, raven šuma pa je nizka. Matrike CMOS zagotavljajo visoko raven zmogljivosti, vendar so slabše od CCD glede občutljivosti in šuma. Tehnologija CCD za razliko od CMOS ne omogoča neprekinjenega fotografiranja ali snemanja videa. Zato njihova uporaba na primer v mobilni elektroniki ni upravičena z namenom samih naprav. Naj povemo, da je CCD matrika za profesionalno fotografsko opremo.

Spletna stran Sklepi

1. CCD je matrika na osnovi silicija, ki deluje kot nabojno sklopljena naprava, CMOS je matrika na osnovi tranzistorja z učinkom polja.
2. Analogni signal v matriki CCD se pretvori zunaj fotoobčutljivega senzorja, v matriki CMOS pa se pretvori neposredno v slikovno piko.
3. Kakovost slike, pridobljene s CCD, je višja kot s CMOS.
4. CCD je energetsko bolj intenziven.
5. CMOS vam omogoča snemanje videa in rafalnih fotografij.
6. CMOS je postal zelo razširjen v mobilni elektroniki.

Slikovni senzor je najpomembnejši element vsake video kamere. Danes skoraj vse kamere uporabljajo slikovna tipala CCD ali CMOS. Obe vrsti tipala opravljata nalogo pretvorbe slike, ki jo na senzorju zgradi leča, v električni signal. Še vedno pa ostaja odprto vprašanje, kateri senzor je boljši.

N.I. Chura
Tehnični svetovalec
Microvideo Group LLC

CCD je kljub diskretnosti svetlobno občutljive strukture analogni senzor. Ko svetloba zadene matriko, vsak piksel kopiči naboj ali paket elektronov, ki se pretvorijo, ko jih obremenitev odčita, v napetost video signala, ki je sorazmerna z osvetlitvijo pikslov. Najmanjše število vmesnih prehodov tega naboja in odsotnost aktivnih naprav zagotavljata visoko identiteto občutljivih elementov CCD.

Matrika CMOS je digitalna naprava z aktivnimi senzorji slikovnih pik. Vsak piksel ima svoj ojačevalnik, ki pretvarja naboj občutljivega elementa v napetost. Tako je mogoče nadzorovati vsako slikovno piko skoraj posebej.

Razvoj CCD

Odkar so Bell Laboratories (ali Bell Labs) leta 1969 izumili CCD, so se velikosti slikovnih senzorjev nenehno zmanjševale. Hkrati se je povečalo število občutljivih elementov. To je seveda povzročilo zmanjšanje velikosti posameznega občutljivega elementa (piksla) in s tem njegove občutljivosti. Na primer, od leta 1987 so se te velikosti zmanjšale za 100-krat. A zaradi novih tehnologij se je občutljivost enega elementa (in torej celotne matrice) celo povečala.

Kaj nam je omogočilo prevlado
Od vsega začetka so CCD-ji postali prevladujoči senzorji, saj so zagotavljali boljšo kakovost slike, manj šuma, večjo občutljivost in večjo enotnost slikovnih pik. Glavna prizadevanja za izboljšanje tehnologije so bila usmerjena v izboljšanje zmogljivosti CCD.

Kako raste občutljivost
V primerjavi s priljubljeno matriko Sony HAD standardne ločljivosti (500x582) iz poznih devetdesetih. (ICX055) se je občutljivost modelov z naprednejšo tehnologijo Super HAD povečala skoraj 3-krat (ICX405) in Ex-view HAD - 4-krat (ICX255). In za črno-bele in barvne različice.

Pri matrikah visoke ločljivosti (752x582) so uspehi nekoliko manj impresivni, če pa barvne slikovne modele Super HAD primerjamo z najsodobnejšima tehnologijama Ex-view HAD II in Super HAD II, bo povečanje občutljivosti 2,5- oziroma 2,4-kratno. , oz. In to kljub zmanjšanju velikosti slikovnih pik za skoraj 30%, saj govorimo o matricah najsodobnejšega formata 960H s povečanim številom slikovnih pik na 976x582 za standard PAL. Za obdelavo takšnega signala Sony ponuja vrsto signalnih procesorjev Effio.

Dodana IR komponenta
Eden od učinkovitih načinov za povečanje integralne občutljivosti je razširitev spektralnih karakteristik občutljivosti v infrardeče območje. To še posebej velja za matriko Ex-view. Dodatek IR komponente nekoliko popači prenos relativne svetlosti barv, vendar za črno-belo različico to ni kritično. Edina težava nastane pri barvnem upodabljanju pri dnevno/nočnih kamerah s konstantno IR občutljivostjo, torej brez mehanskega IR filtra.

Razvoj te tehnologije v modelih Ex-view HAD II (ICX658AKA) v primerjavi s prejšnjo različico (ICX258AK) zagotavlja povečanje integralne občutljivosti le za 0,8 dB (iz 1100 na 1200 mV) s hkratnim povečanjem občutljivosti pri valovne dolžine 950 nm za 4,5 dB. Na sl. 1 prikazuje značilnosti spektralne občutljivosti teh matrik, sl. 2 – razmerje njihove integralne občutljivosti.

Optična inovacija
Druga metoda za povečanje občutljivosti CCD je povečanje učinkovitosti slikovnih mikroleč, fotoobčutljivega območja in optimizacija barvnih filtrov. Na sl. Slika 3 prikazuje strukturo matrik Super HAD in Super HAD II, ki prikazuje povečanje površine leče in fotoobčutljivega območja najnovejše modifikacije.

Poleg tega so matrike Super HAD II bistveno povečale prepustnost svetlobnih filtrov in njihovo odpornost proti bledenju. Poleg tega je bil razširjen prenos v območju kratke valovne dolžine spektra (modra), kar je izboljšalo barvno upodabljanje in ravnovesje beline.

Na sl. Slika 4 prikazuje značilnosti spektralne občutljivosti matrik Sony 1/3" Super HAD (ICX229AK) in Super HAD II (ICX649AKA).

CCD: edinstvena občutljivost

Skupaj so zgornji ukrepi dosegli pomembne rezultate pri izboljšanju učinkovitosti CCD.

Značilnosti sodobnih modelov ni mogoče primerjati s prejšnjimi različicami, saj takrat še niso bile izdelane barvne matrice za široko uporabo, tudi standardne visoke ločljivosti. Črno-bele matrice standardne ločljivosti, ki uporabljajo najnovejši tehnologiji Ex-view HAD II in Super HAD II, pa trenutno niso izdelane.

Vsekakor pa so CCD-ji glede občutljivosti še vedno nedosegljivo merilo za CMOS, zato so še vedno razširjeni z izjemo megapikselskih variant, ki so zelo drage in se uporabljajo predvsem za posebne naloge.

CMOS: prednosti in slabosti

Senzorji CMOS so bili izumljeni v poznih sedemdesetih letih prejšnjega stoletja, proizvodnja pa se je zaradi tehnoloških težav začela šele v devetdesetih letih prejšnjega stoletja. In takoj so se pojavile njihove glavne prednosti in slabosti, ki ostajajo pomembne še danes.

Prednosti vključujejo večjo integracijo senzorjev in stroškovno učinkovitost, širši dinamični razpon, enostavnost proizvodnje in nižje stroške, zlasti pri različicah z megapiksli.

Po drugi strani pa imajo senzorji CMOS nižjo občutljivost, ob drugih enakih pogojih, velikih izgub v filtrih RGB in manjše uporabne površine fotoobčutljivega elementa. Zaradi številnih prehodnih elementov, vključno z ojačevalniki na poti vsakega piksla, je zagotavljanje enotnosti parametrov vseh občutljivih elementov veliko težje v primerjavi s CCD. Toda izboljšave v tehnologiji so občutljivost CMOS približale najboljšim zasnovam CCD, zlasti v različicah z megapiksli.

Prvi zagovorniki CMOS so trdili, da bi bile te strukture veliko cenejše, ker bi jih bilo mogoče izdelati na isti strojni opremi in tehnologijah kot pomnilniške in logične čipe. V marsičem se je ta predpostavka potrdila, vendar ne v celoti, saj je izboljšanje tehnologije vodilo v proizvodni proces, ki je po kompleksnosti skoraj enak tistemu za CCD.

S širitvijo kroga potrošnikov izven standardne televizije se je ločljivost matrik začela nenehno povečevati. To so gospodinjske video kamere, elektronske kamere in kamere, vgrajene v komunikacijske naprave. Mimogrede, za mobilne naprave je vprašanje učinkovitosti precej pomembno in tukaj senzor CMOS nima konkurentov. Na primer, od sredine devetdesetih let prejšnjega stoletja. Ločljivost matrik se je letno povečala za 1–2 milijona elementov in zdaj dosega 10–12 Mpc. Poleg tega je povpraševanje po senzorjih CMOS postalo prevladujoče in danes presega 100 milijonov enot.

CMOS: izboljšana občutljivost

Prvi vzorci nadzornih kamer iz poznih 1990-ih - zgodnjih 2000-ih z matricami CMOS so imeli ločljivost 352x288 slikovnih pik in občutljivost za črno-belo približno 1 luks. Barvne različice standardne ločljivosti so se razlikovale po občutljivosti približno 7–10 luksov.

Kaj ponujajo dobavitelji?
Trenutno se je občutljivost matric CMOS zagotovo povečala, vendar za tipične možnosti barvne slike ne presega vrednosti reda nekaj luksov pri razumnih vrednostih števila F objektiva (1,2–1,4). To potrjujejo tehnične specifikacije blagovnih znamk videonadzorov IP, ki uporabljajo CMOS matrice s progresivnim skeniranjem. Tisti proizvajalci, ki zahtevajo občutljivost okoli desetink luksa, običajno navedejo, da gre za podatke za nižjo hitrost sličic, način kopičenja ali vsaj omogočen in dovolj globok AGC (AGC). Še več, pri nekaterih proizvajalcih kamer IP največji AGC doseže osupljivo vrednost –120 dB (1 milijonkrat). Lahko upamo, da občutljivost za ta primer v glavah proizvajalcev predpostavlja primerno razmerje med signalom in šumom, ki omogoča opazovanje več kot le "sneg" na zaslonu.

Inovacije izboljšujejo kakovost videa
V prizadevanju za izboljšanje zmogljivosti CMOS matrik je Sony predlagal številne nove tehnologije, ki omogočajo praktično primerjavo CMOS matrik s CCD v smislu občutljivosti, razmerja signal/šum v različicah z megapiksli.

Nova tehnologija izdelave matrik Exmor temelji na spreminjanju smeri vpadanja svetlobnega toka na matrico. V tipični arhitekturi svetloba pade na sprednjo površino silicijeve rezine skozi in mimo prevodnikov niza. Ti elementi razpršijo in blokirajo svetlobo. V novi modifikaciji svetloba vstopi na zadnjo stran silicijeve rezine. To je povzročilo znatno povečanje občutljivosti in zmanjšanje šuma matrike CMOS. Na sl. Slika 5 pojasnjuje razlike med strukturami standardne matrike in matrike Exmor, prikazane v razdelku.

Slika 1 prikazuje slike testnega predmeta, posnete pri osvetlitvi 100 luksov (F4.0 in 1/30 s) s kamero s CCD (sprednja osvetlitev) in CMOS Exmor, enakega formata in ločljivosti 10 milijonov slikovnih pik. Očitno je slika kamere CMOS vsaj tako dobra kot slika CCD.

Drug način za izboljšanje občutljivosti senzorjev CMOS je odmik od pravokotne razporeditve slikovnih pik z črtno zamaknjenimi rdečimi in modrimi elementi. V tem primeru se pri konstrukciji enega elementa ločljivosti uporabljata dve zeleni slikovni piki - modra in rdeča iz različnih vrstic. Namesto tega je predlagana diagonalna razporeditev elementov z uporabo šestih sosednjih zelenih elementov za izdelavo enega ločljivostnega elementa. Ta tehnologija se imenuje ClearVid CMOS. Za obdelavo je predviden zmogljivejši slikovni signalni procesor. Razlika v strukturah razporeditve barvnih elementov je prikazana na sl. 6.

Informacije bere hitri vzporedni analogno-digitalni pretvornik. Hkrati lahko hitrost sličic progresivnega skeniranja doseže 180 in celo 240 sličic na sekundo. Pri vzporednem snemanju informacij se odpravi diagonalni premik okvirja, ki je značilen za kamere CMOS z zaporedno osvetlitvijo in branjem signala, tako imenovani učinek Rolling Shutter - ko je značilna zamegljenost hitro premikajočih se predmetov popolnoma odsotna.

Slika 2 prikazuje slike vrtečega se ventilatorja, posnete s kamero CMOS pri hitrosti sličic 45 in 180 fps.

Popolna konkurenca

Kot primere smo navedli Sonyjeve tehnologije. Seveda CMOS matrike, tako kot CCD, proizvajajo tudi druga podjetja, čeprav ne v tolikšnem obsegu in manj znana. Vsekakor gredo vsi tako ali drugače po približno isti poti in uporabljajo podobne tehnične rešitve.

Zlasti dobro znana tehnologija matrik Panasonic Live-MOS prav tako bistveno izboljša lastnosti matrik CMOS in seveda s podobnimi metodami. Matrike Panasonic so zmanjšale razdaljo od fotodiode do mikroleč. Prenos signalov s površine fotodiode je poenostavljen. Število kontrolnih signalov se je zmanjšalo s 3 (standardni CMOS) na 2 (kot pri CCD), kar je povečalo fotoobčutljivo območje slikovne pike. Uporabljen je nizkošumni fotodiodni ojačevalnik. Uporabljena je tanjša struktura plasti senzorja. Zmanjšana napajalna napetost zmanjša hrup in toploto matrice.

Lahko rečemo, da lahko matrice CMOS z milijoni slikovnih pik že uspešno tekmujejo s CCD ne le po ceni, ampak tudi po tako problematičnih lastnostih te tehnologije, kot sta občutljivost in raven hrupa. Vendar pa v tradicionalnih televizijskih formatih CCTV ostajajo matrike CCD nekonkurenčne.

Matrika je glavni strukturni element kamere in eden ključnih parametrov, ki jih uporabnik upošteva pri izbiri kamere. Matrike sodobnih digitalnih fotoaparatov lahko razvrstimo po več znakih, vendar je glavni in najpogostejši še vedno delitev matrik glede na način odčitavanja naboja, na: matrike CCD tip in CMOS matrice. V tem članku si bomo ogledali principe delovanja, pa tudi prednosti in slabosti teh dveh vrst matrik, saj se ravno te pogosto uporabljajo v sodobni fotografski in video opremi.

CCD matriko

Matrix CCD imenovan tudi CCD matriko(naprave s polnjenjem). CCD Matrica je pravokotna plošča fotoobčutljivih elementov (fotodiod), ki se nahajajo na polprevodniškem silicijevem kristalu. Načelo njegovega delovanja temelji na vrstičnem gibanju nabojev, ki so se nabrali v luknjah, ki jih tvorijo fotoni v atomih silicija. To pomeni, da se ob trku s fotodiodo foton svetlobe absorbira in sprosti elektron (pojavi se notranji fotoelektrični učinek). Posledično nastane naboj, ki ga je treba nekako shraniti za nadaljnjo obdelavo. V ta namen je v silicijev substrat matrice vgrajen polprevodnik, nad katerim se nahaja prozorna elektroda iz polikristalnega silicija. In kot posledica uporabe električnega potenciala na to elektrodo, se v območju izčrpanosti pod polprevodnikom oblikuje tako imenovana potencialna jamica, v kateri se shranjuje naboj, prejet iz fotonov. Pri odčitavanju električnega naboja iz matrike se naboji (shranjeni v potencialnih jamicah) prenesejo vzdolž prenosnih elektrod do roba matrike (serijski premični register) in proti ojačevalniku, ki ojača signal in ga prenese v analogni digitalni pretvornik (ADC), od koder se pretvorjeni signal pošlje v procesor, ki obdela signal in shrani nastalo sliko na pomnilniško kartico .

Polisilicijeve fotodiode se uporabljajo za izdelavo CCD matrik. Takšne matrice so majhne in vam omogočajo, da dobite dokaj kakovostne fotografije pri fotografiranju pri normalni svetlobi.

Prednosti CCD-jev:

1. Zasnova matrike zagotavlja visoko gostoto namestitve fotocelic (pikslov) na podlago;
2. Visoka učinkovitost (razmerje med registriranimi fotoni in njihovim skupnim številom je približno 95%);
3. Visoka občutljivost;
4. Dobra barvna reprodukcija (z zadostno osvetlitvijo).

Slabosti CCD-jev:

1. Visoka raven šuma pri visokem ISO (pri nizkem ISO je raven šuma zmerna);
2. Nizka hitrost delovanja v primerjavi z matricami CMOS;
3. Visoka poraba energije;
4. Bolj zapletena tehnologija branja signala, saj je potrebnih veliko krmilnih čipov;
5. Izdelava je dražja od CMOS matrik.

CMOS matrika

Matrix CMOS, oz CMOS matrika(Complementary Metal Oxide Semiconductors) uporablja aktivne točkovne senzorje. Za razliko od CCD senzorji CMOS vsebujejo ločen tranzistor v vsakem svetlobno občutljivem elementu (pikslu), zaradi česar se pretvorba naboja izvaja neposredno v pikslu. Nastali naboj je mogoče prebrati iz vsake slikovne pike posebej, s čimer se odpravi potreba po prenosu naboja (kot se zgodi pri CCD-jih). Piksli senzorja CMOS so integrirani neposredno z analogno-digitalnim pretvornikom ali celo procesorjem. Zaradi uporabe takšne racionalne tehnologije pride do prihrankov energije zaradi zmanjšanja verig dejanj v primerjavi s CCD matricami, pa tudi zaradi zmanjšanja stroškov naprave zaradi enostavnejše zasnove.

Kratek princip delovanja senzorja CMOS: 1) Pred fotografiranjem se na tranzistor za ponastavitev uporabi signal za ponastavitev. 2) Med osvetlitvijo svetloba prodre skozi lečo in filter do fotodiode in zaradi fotosinteze se v potencialni jami kopiči naboj. 3) Odčita se vrednost prejete napetosti. 4) Obdelava podatkov in shranjevanje slik.

Prednosti senzorjev CMOS:

1. Nizka poraba energije (zlasti v stanju pripravljenosti);
2. Visokozmogljivo;
3. Zahteva manj proizvodnih stroškov zaradi podobnosti tehnologije s proizvodnjo mikrovezij;
4. Enotnost tehnologije z drugimi digitalnimi elementi, ki vam omogoča združevanje analognih, digitalnih in procesnih delov na enem čipu (tj. Poleg zajemanja svetlobe v pikslu lahko pretvorite, obdelate in očistite signal pred šumom).
5. Možnost naključnega dostopa do posameznega piksla ali skupine pikslov, kar omogoča zmanjšanje velikosti zajete slike in povečanje hitrosti branja.

Slabosti CMOS matrik:

1. Fotodioda zavzema majhno površino slikovnih pik, kar ima za posledico nizko svetlobno občutljivost matrike, vendar je v sodobnih CMOS matrikah ta pomanjkljivost praktično odpravljena;
2. Prisotnost toplotnega šuma zaradi ogrevanja tranzistorjev znotraj slikovne pike med postopkom branja.
3. Fotooprema s to vrsto matrike je relativno velika po velikosti in je značilna velika teža in velikost.

Poleg zgornjih vrst obstajajo tudi trislojne matrice, od katerih je vsaka plast CCD. Razlika je v tem, da lahko celice hkrati zaznavajo tri barve, ki jih tvorijo dihroične prizme, ko vanje zadene snop svetlobe. Vsak žarek je nato usmerjen na ločeno matrico. Posledično se na fotocelici takoj določi svetlost modre, rdeče in zelene barve. V video kamerah visokega nivoja se uporabljajo trislojne matrice, ki imajo posebno oznako - 3CCD.

Če povzamem, bi rad omenil, da se z razvojem tehnologij za izdelavo matrik CCD in CMOS spreminjajo tudi njihove lastnosti, zato je vse težje reči, katera od matrik je zagotovo boljša, hkrati pa CMOS. matrice so v zadnjem času vse bolj priljubljene v proizvodnji SLR fotoaparatov. Na podlagi značilnih lastnosti različnih vrst matric je mogoče dobiti jasno predstavo o tem, zakaj je profesionalna fotografska oprema, ki zagotavlja visokokakovostno fotografiranje, precej obsežna in težka. Te informacije si je vsekakor treba zapomniti pri izbiri kamere - to pomeni, da upoštevate fizične dimenzije matrike in ne števila slikovnih pik.

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

Katera matrika je boljša CMOS ali CCD?

V zadnjih letih se matrice CCD (charge-coupled device, CCD - charge feedback device) in CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS complementary logic on metal-oxide-semiconductor tranzistorji) še naprej bojujejo. Vsak ima svoje prednosti in slabosti in zdaj si jih bomo ogledali.

Matrike CCD in CMOS so nenehno podvržene različnim testom, da bi ugotovili, katera je boljša.

Najprej si oglejmo diagram, kako te matrice izgledajo.

Prednosti in slabosti senzorjev CMOS

Eden od glavnih razlogov za široko uporabo CMOS matrik so nizki stroški proizvodnje, nizka poraba energije, pa tudi visoka zmogljivost.

Matrike CMOS imajo možnost naključnega branja celic, medtem ko matrika CCD bere vse celice hkrati.

Zaradi tega načina branja matrice CMOS ne doživljajo tako imenovanega učinka "razmazovanja", ki je značilen za matrike CCD in se v okvirju pojavlja v obliki navpičnih "svetlobnih stebrov" iz točkastih svetlih predmetov, npr. , sonce, luči.

Tehnologija CMOS ima kljub svojim prednostim tudi slabosti. Fotoobčutljivi element je izjemno majhen glede na površino pikslov. Levji delež površine zavzema elektronika, vgrajena v piksel. To vpliva na nizko občutljivost, predhodno ojačanje signala pa povzroči povečan šum v sliki.

CMOS med drugim odlikuje učinek “rolling shutter”. To je povezano z dejstvom, da se signal bere vrstico za vrstico.

Pravzaprav je učinek Rolling shutter opazen pri fotografiranju hitro premikajočih se predmetov. Če najprej berete zgornje in nato spodnje vrstice, je lahko slika popačena. Na primer, premikajoče se avtomobile je mogoče izvleči.

Prednosti in slabosti CCD matrik

Tehnologija CCD je prisotna že vrsto let, z leti je bila močno nadgrajena in ima vrsto prednosti pred CMOS.

Fotoaparati na osnovi CCD matrike imajo naprednejši elektronski zaklop, kar je še posebej pomembno pri zajemanju hitro premikajočih se objektov ali slik.

Druga značilnost je nizka raven hrupa in visoka občutljivost v bližnjem infrardečem območju. Zaradi tega se matrike CCD dobro spopadajo s slabimi svetlobnimi pogoji.

Senzorji CCD nimajo vibracij in učinka zaklopa, ki je značilen za senzorje CMOS. Za primer si oglejte videoposnetek primerjave senzorjev CCD in CMOS.

Sklepi. Torej, katera matrika je boljša za avtomobilske video kamere?

Glede na zgoraj navedeno lahko sklepamo naslednje:

Kamere opremljene s CCD matriko:

+ deluje bolje v temi; + ne popači premikajočih se predmetov; + ima bolj nasičene barve; - občutljiv na točkovne vire svetlobe;

Kamere z matriko CMOS:

+cenejši, včasih dvakrat dražji -popačenje dinamične slike;<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.