Matrice CCD și CMOS. Compararea matricelor în camere video și camere (CMOS, CCD)

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

N.I. Chura
Consultant tehnic
Microvideo Group LLC

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

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

Evoluția CCD

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

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

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

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

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

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

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

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

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

CCD: Sensibilitate unica

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

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

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

CMOS: avantaje și dezavantaje

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

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

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

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

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

CMOS: sensibilitate îmbunătățită

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

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

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

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

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

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

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

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

Concurență completă

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

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

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

matrice CMOS

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

Poveste

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

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

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

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

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

Principiul de funcționare

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

Avantaje

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

Defecte

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

Senzorii CCD și CMOS au fost în concurență constantă în ultimii ani. În acest articol vom încerca să luăm în considerare avantajele și dezavantajele acestor tehnologii. O matrice CCD (abreviată de la „dispozitiv cuplat cu încărcare”) sau matrice CCD (abreviată din limba engleză CCD, „Dispozitiv cuplat la încărcare”) este un circuit integrat analogic specializat format din fotodiode fotosensibile, realizate pe siliciu, folosind tehnologia CCD - încărcare -dispozitive cuplate. Într-un senzor CCD, lumina (încărcarea) incidentă pe un pixel al senzorului este transmisă de la cip printr-un singur nod de ieșire sau prin doar câteva noduri de ieșire. Sarcinile sunt convertite la un nivel de tensiune, acumulate și trimise ca semnal analogic. Acest semnal este apoi însumat și convertit în numere de un convertor analog-digital, în afara senzorului. CMOS (logica complementară pe tranzistoare metal-oxid-semiconductor; CMOS; Complementary-symmetry/metal-oxide semiconductor) este o tehnologie de construcție a circuitelor electronice. Într-un stadiu incipient, cipurile CMOS convenționale au fost folosite pentru afișare, dar calitatea imaginii a fost slabă din cauza sensibilității scăzute la lumină a elementelor CMOS. Senzorii CMOS moderni sunt fabricați folosind o tehnologie mai specializată, ceea ce a dus la creșterea rapidă a calității imaginii și a sensibilității la lumină în ultimii ani. Cipurile CMOS au o serie de avantaje. Spre deosebire de senzorii CCD, senzorii CMOS conțin amplificatoare și convertoare analog-digitale, ceea ce reduce semnificativ costul produsului final, deoarece contine deja toate elementele necesare obtinerii imaginii. Fiecare pixel CMOS conține convertoare electronice. Senzorii CMOS au o funcționalitate mai mare și capacități de integrare mai mari. Una dintre principalele probleme legate de utilizarea senzorilor CMOS în camerele video a fost calitatea imaginii. Matricele CCD sunt furnizate și oferă acum niveluri de zgomot mai scăzute. Ca rezultat, cipurile CMOS au avut rezultate extrem de slabe la lumină scăzută în comparație cu cipurile CCD. Și deoarece lumina scăzută este una dintre principalele dificultăți în filmarea video, aceasta a fost o barieră majoră în calea utilizării senzorilor CMOS. Cu toate acestea, experiența în producție acumulată de-a lungul anilor de dezvoltare CMOS a făcut posibilă, cu fiecare nouă generație a acestor senzori, reducerea semnificativă a zgomotului fix și aleatoriu care afectează calitatea imaginii. Un alt punct slab al CMOS este distorsiunea care apare la captarea unei imagini dinamice din cauza sensibilitatii slabe a senzorului. Imaginile mașinii pot conține elemente foarte luminoase, cum ar fi farurile, soarele, precum și zone foarte întunecate, cum ar fi plăcuțele de înmatriculare. Din acest motiv, este necesară o gamă dinamică largă pentru a procesa scene cu diferențe mari de contrast. Senzorul CCD are o gamă dinamică bună, dar accesul CMOS la pixeli individuali îi oferă mult mai mult spațiu pentru a obține o gamă dinamică mai bună. De asemenea, atunci când utilizați matrice CCD, punctele luminoase din scenă pot crea linii verticale în imagine și pot interfera cu recunoașterea plăcuțelor de înmatriculare din cauza estompării și estompării. În ciuda faptului că matricele CCD au o caracteristică de sensibilitate mai mare, principalul factor care limitează utilizarea lor este viteza scăzută de citire a încărcării și, în consecință, incapacitatea de a oferi o viteză mare de formare a imaginii. Cu cât rezoluția matricei este mai mare, cu atât viteza de formare a imaginii este mai mică. La rândul său, tehnologia CMOS, care combină un element fotosensibil și un cip de procesare, permite o rată ridicată a cadrelor chiar și pentru senzorii de 3 MP. Cu toate acestea, utilizarea senzorilor CMOS megapixeli pentru camerele IP în sistemele de supraveghere video necesită o compresie eficientă a fluxului de date. Cei mai comuni algoritmi de compresie în IP CCTV în prezent sunt M-JPEG, MPEG4 și H.264. Primul este adesea implementat direct pe senzorul CMOS de către producătorul matricei însuși. Algoritmii MPEG4 și H.264 sunt mai eficienți, dar necesită un procesor puternic. Pentru a genera un flux în timp real cu o rezoluție de peste 2 megapixeli, camerele IP CMOS folosesc coprocesoare care oferă calcule suplimentare. În prezent, camerele IP bazate pe senzori CMOS devin din ce în ce mai populare, în primul rând datorită suportului tehnologiei de la liderii supravegherii video IP. Cu toate acestea, costul lor este mai mare decât camerele CCD similare. Acest lucru se întâmplă în ciuda faptului că tehnologia CMOS, care combină părți analogice și digitale ale dispozitivului, permite crearea de camere mai ieftine. Situația este că astăzi costul unei camere IP este determinat de capacitățile și caracteristicile acesteia. Important nu este tipul de matrice, ci software-ul implementat de procesorul camerei.

Avantajele matricelor CCD: Nivel scăzut de zgomot, factor mare de umplere a pixelilor (aproximativ 100%), eficiență ridicată (raportul dintre numărul de fotoni înregistrați și numărul lor total incident pe zona fotosensibilă a matricei, pentru CCD - 95% ), interval dinamic ridicat (sensibilitate), sensibilitate bună în domeniul IR.

Dezavantajele matricelor CCD: Principiu complex de citire a semnalului, și deci tehnologie, nivel ridicat de consum de energie (până la 2-5W), mai scump de fabricat.

Avantajele matricelor CMOS: Performanță ridicată (până la 500 de cadre/s), consum redus de energie (de aproape 100 de ori față de CCD), mai ieftină și mai ușor de fabricat, tehnologie promițătoare (pe același cip, în principiu, nu costă nimic de implementat toate circuitele suplimentare necesare: convertoare analog-digitale, procesor, memorie, obținându-se astfel o cameră digitală completă pe un singur cip).

Dezavantajele matricelor CMOS: factor de umplere a pixelilor scăzut, care reduce sensibilitatea (suprafața efectivă a pixelilor ~75%, restul este preluat de tranzistori), nivel ridicat de zgomot (acest lucru este cauzat de așa-numiții curenți de ritm - chiar și în absența iluminare, un curent destul de semnificativ trece prin fotodiodă) pentru a combate care Intervalul dinamic scăzut face tehnologia mai complexă și mai costisitoare.

Ca orice tehnologie, tehnologiile CMOS și CCD au avantaje și dezavantaje, pe care am încercat să le luăm în considerare în acest articol. Atunci când alegeți camere, este necesar să luați în considerare toate avantajele și dezavantajele acestor tehnologii, acordând atenție unor parametri precum sensibilitatea la lumină, intervalul dinamic larg, consumul de energie, nivelul de zgomot și costul camerei.

matrice CMOS- fotosensibile matrice, realizată pe bază tehnologii CMOS.

matrice CMOS

Utilizarea matricilor CMOS tranzistoare cu efect de câmp cu o poartă izolată cu canale de conductivitate diferită.

Circuit echivalent al unei celule matrice CMOS: 1 - element sensibil la lumină (diodă); 2 - obturator; 3 - condensator care retine sarcina de la dioda; 4 - amplificator; 5 - magistrala de selectie a liniei; 6 - magistrală verticală care transmite un semnal către procesor; 7 - resetare semnal.

Poveste

Data exactă de naștere a matricei CMOS este necunoscută. La sfârşitul anilor 1960. Mulți cercetători au observat că structurile CMOS sunt sensibile la lumină. in orice caz încărcarea dispozitivelor cuplate a oferit o fotosensibilitate și o calitate a imaginii atât de mai ridicate încât matricele de tehnologie CMOS nu au primit nicio dezvoltare notabilă.

La începutul anilor 90, caracteristicile senzorilor CMOS, precum și tehnologia de fabricație, au fost îmbunătățite semnificativ. Progres în submicron fotolitografie a permis utilizarea unor conexiuni mai subțiri în senzorii CMOS. Acest lucru a condus la o creștere a fotosensibilității datorită unui procent mai mare din suprafața matricei iradiate.

O revoluție în tehnologia senzorilor CMOS a avut loc atunci când Jet Propulsion Laboratory (JPL) al NASA a implementat cu succes Senzorii Active Pixel (APS). Studiile teoretice au fost efectuate cu câteva decenii în urmă, dar utilizarea practică a unui senzor activ a fost respinsă până când 1993. APS adaugă un amplificator de citire cu tranzistor la fiecare pixel, făcând posibilă convertirea sarcinii în tensiune direct în interiorul pixelului. Acest lucru a oferit, de asemenea, acces aleatoriu la fotodetectoare similare cu RAM implementată în microcircuite.

Drept urmare, să 2008 CMOS au devenit aproape o alternativă la CCD.

Principiul de funcționare

Înainte de fotografiere, este dat un semnal de resetare

În timpul expunerii, încărcarea este acumulată de fotodiodă

În timpul procesului de citire, valoarea tensiunii de pe condensator este eșantionată

Avantaje

Avantajul principal CMOS tehnologie - consum redus de energie în stare statică. Acest lucru face posibilă utilizarea unor astfel de matrici ca parte a dispozitivelor nevolatile, de exemplu, în senzorii de mișcare și sistemele de supraveghere care petrec cea mai mare parte a timpului în modul „somn” sau „în așteptarea unui eveniment”.

Un avantaj important al matricei CMOS este unitatea tehnologiei cu alte elemente digitale ale echipamentului. Acest lucru duce la posibilitatea combinării pieselor analogice și digitale pe un singur cip, care a servit drept bază pentru crearea de camere miniaturale încorporate pentru o mare varietate de echipamente și reducerea costului acestora.

Folosind un mecanism de acces aleatoriu, pot fi citite grupuri selectate de pixeli. Această operație se numește citire încadrată ( Engleză fereastra citi cu voce tare). Decuparea vă permite să reduceți dimensiunea imaginii capturate și să creșteți potențial viteza de citire în comparație cu senzorii CCD, deoarece în aceștia din urmă toate informațiile trebuie descărcate pentru procesare ulterioară. Devine posibilă utilizarea aceleiași matrice în moduri fundamental diferite. În special, citind rapid doar o mică parte a pixelilor, este posibil să se ofere un mod de vizualizare a imaginii live de înaltă calitate pe ecranul încorporat în dispozitiv cu un număr relativ mic de pixeli. Puteți scana doar o parte a cadrului și îl puteți aplica pentru a fi afișat pe întregul ecran. Astfel, veți putea obține o focalizare manuală de înaltă calitate. Este posibil să se efectueze filmări de reportaj de mare viteză cu o dimensiune și o rezoluție mai mică a cadrului.

Pe lângă amplificatorul din interiorul pixelului, circuitele de amplificare pot fi plasate oriunde de-a lungul căii semnalului. Acest lucru vă permite să creați etape de amplificare și să creșteți sensibilitatea în condiții de iluminare slabă. Capacitatea de a modifica câștigul pentru fiecare culoare se îmbunătățește, în special, echilibrarea albului

Defecte

Fotodioda celulară ocupă o zonă semnificativ mai mică a elementului matricei în comparație cu CCD de transfer full frame. Prin urmare, primii senzori CMOS aveau sensibilitate la lumină semnificativ mai mică decât CCD-urile.

Fotodioda celulei matricei are o dimensiune relativ mică, iar valoarea tensiunii de ieșire rezultată depinde nu numai de parametrii fotodiodei în sine, ci și de proprietățile fiecărui element pixel. Astfel, fiecare pixel al matricei are al său curba caracteristica, și apare problema dispersării fotosensibilitateȘi Raport de contrast pixeli matricei. Ca urmare, primele matrice CMOS produse au avut o rezoluție relativ scăzută și un nivel ridicat de așa-numit „zgomot structural” ( Engleză zgomot de tipar).

Prezența unui volum mare de elemente electronice pe matrice în comparație cu fotodioda creează o încălzire suplimentară a dispozitivului în timpul procesului de citire și duce la o creștere a zgomotului termic.

Camera, caracteristici, avantaje și dezavantaje ale unor astfel de matrici.

La avantaje matrici CCD pot fi atribuite:

• Rată mare de utilizare a zonei de pixeli (aproape de 100%);
• relativ scăzut;
• eficiență foarte mare;
• suficient de mare .

Spre dezavantaje matrici CCD raporta:

• intensitate energetică ridicată;
• un proces destul de complex de citire a informațiilor;
• producție scumpă.

Camerele digitale moderne folosesc nu numai matrici bazate pe CCD, ci și Matrice CMOS, ponderea camerelor echipate cu astfel de matrice este în continuă creștere.

Matricea CMOS a camerei.

Înapoi la sfârșitul anilor 60 ai secolului trecut, oamenii de știință cunoșteau proprietatea structurilor CMOS de a percepe lumina. Cu toate acestea, structurile CCD au oferit o sensibilitate mult mai mare la lumină și o calitate ridicată a imaginii. Acesta este motivul pentru care matricele bazate pe tehnologia CMOS nu au devenit atât de răspândite. La începutul anilor 90 caracteristici Matrice CMOS iar producția lor a fost îmbunătățită semnificativ, ducând la adoptarea mai largă a acestor matrici. Descoperiri revoluționare au fost făcute la Jet Propulsion Laboratory (JPL) al NASA, unde au fost creați Active Pixel Sensors (APS). Concluzia a fost că la fiecare a fost adăugat un amplificator de semnal cu tranzistor, ceea ce a făcut posibilă transformarea sarcinii în tensiune direct în pixelul însuși. Datorită acestui fapt, a devenit posibil accesul aleatoriu la pixeli individuali, în principiu similar cu circuitele RAM.

Ca rezultat, până în 2008, matricele bazate pe elemente CMOS au devenit o alternativă la matricele CCD.

O matrice CMOS (structură complementară metal-oxid-semiconductor), în transcripție engleză - CMOS (Complementary metal oxide semiconductor), este în principiu similară cu o matrice CCD. La fel ca într-un CCD, electronii sunt creați sub influența luminii.

Celulele matricei CMOS sunt tranzistoare cu efect de câmp cu o poartă izolată și au canale de conductivitate diferită.

Spre deosebire de un element CCD, fiecare celulă Matrice CMOS are dispozitive electronice suplimentare numite pixel binding, care permit transformarea sarcinii în tensiune direct în celulă.

Figura 1 prezintă schema circuitului echivalent a unui element CMOS.

Fig.1. Circuit electric echivalent al unui element CMOS.

1 - LED. 2 - obturator electronic. 3 - condensator care acumulează sarcină de la fotodiodă. 4 - amplificator de semnal. 5 - autobuz de citire linie. 6 - magistrală prin care semnalul este transmis către procesor. 7 - resetarea liniei de semnal.

Principiul de funcționare al circuitului de mai sus:

înainte de a face o imagine, un semnal de resetare este trimis prin linia 7;

atunci când lumina este expusă unei fotodiode, în aceasta se creează o sarcină proporțională cu intensitatea fluxului luminos, care încarcă condensatorul;

Semnalul este citit din element prin descărcarea condensatorului, curentul rezultat este transferat la amplificator și apoi la circuitul de procesare.

Sincronizarea matricei se realizează prin magistralele de adrese de coloane și rânduri.

Datorită acestei scheme, devine posibilă citirea încărcăturii imediat dintr-un grup de pixeli (și nu secvenţial celulă cu celulă, ca într-o matrice CCD) sau chiar selectiv de la pixeli individuali. Într-o astfel de matrice nu este nevoie de registre de deplasare pe coloane și rânduri, ceea ce accelerează foarte mult procesul de citire a informațiilor din matrice. Consumul de energie al matricei este, de asemenea, redus semnificativ.

Progresul în dezvoltarea tehnologiilor, în special producția de plachete de siliciu de înaltă calitate și îmbunătățirea circuitului de amplificare al elementului CMOS, a condus la faptul că calitatea imaginii rezultate a atins aproape același nivel ca și CCD. element.

Avantajele matricei CMOS:

În primul rând, consumul de energie este redus semnificativ, datorită faptului că într-o matrice CMOS lanțul de procesare a informațiilor nu este atât de lung ca într-o matrice CCD, matricea CMOS este deosebit de scăzută în modul static;

Designul celulei matrice CMOS îi permite să fie integrat direct cu un convertor analog-digital și chiar cu un procesor. Acest lucru creează posibilitatea combinării atât a circuitelor analogice, cât și a celor digitale și a circuitelor de procesare într-un singur cip. Datorită acestui fapt, a devenit posibilă o miniaturizare suplimentară a camerelor digitale, reducând costul acestora din cauza absenței necesității de cipuri suplimentare de procesor.

Abilitatea de a accesa aleatoriu celulele CMOS permite citirea unor grupuri individuale de pixeli. Această caracteristică se numește citire decupată, adică citirea doar a unei părți a întregului cadru, spre deosebire de o matrice CCD, în care întreaga matrice trebuie să fie descărcată pentru a procesa informații. Datorită acestui fapt, pentru a asigura vizualizarea rapidă a imaginii, doar o parte a informațiilor poate fi afișată pe afișajul încorporat al camerei cu un număr relativ mic de pixeli. Acest lucru va fi suficient pentru vizualizare, puteți controla precizia focalizării etc.

În plus, pentru o fotografiere de reportaj mai rapidă, o puteți realiza cu o dimensiune mai mică a cadrului și o rezoluție mai mică.

Un alt avantaj al unei matrice CMOS este capacitatea de a adăuga mai multe etape de amplificare amplificatorului în interiorul elementului CMOS, crescând astfel semnificativ sensibilitatea matricei. Iar capacitatea de a regla câștigul pentru fiecare culoare vă permite să vă îmbunătățiți.

Producția de matrice CMOS este mai simplă și mai ieftină decât aproape orice plantă implicată în producția de microelectronice o poate stăpâni. Acest lucru este valabil mai ales atunci când se produc matrici mari.

Dezavantajele matricei CMOS:

Dezavantajele unei matrice CMOS în comparație cu o matrice CCD includ, în primul rând, reducerea părții sensibile la lumină a elementului datorită prezenței legării electronice în jurul pixelului. Acesta este motivul pentru care la început matricele CMOS aveau o sensibilitate semnificativ mai mică decât matricele CCD. Situația s-a schimbat odată cu dezvoltarea și lansarea de către Sony în 2007 a matricelor CMOS realizate folosind tehnologia EXMOR, folosită anterior pentru dispozitive specifice precum telescoapele electronice. Dimensiunea părții fotosensibile a pixelului a fost mărită prin mutarea ornamentului electronic în stratul inferior al elementului, unde nu a interferat cu intrarea luminii. Acest lucru a dus la o creștere a sensibilității fiecărui pixel și a întregii matrice.

Fiecare dintre elementele matricei CMOS conține și elemente electronice, care, datorită proprietăților circuitelor electronice, au propriul zgomot, iar acest zgomot se adaugă la zgomotul elementului fotosensibil în sine. Mai mult, pentru fiecare pixel nivelul acestui zgomot este diferit.

Mărimea semnalului primit de la fiecare pixel depinde nu numai de caracteristicile fotodiodei în sine, ci și de proprietățile fiecărui element al cablajului electronic al pixelului. Se pare că fiecare element CMOS are propriul său element