Типы матриц фотоаппаратов. Что же лучше: CCD или CMOS? Критерии выбора
Фотоаппарата, особенности, достоинства и недостатки таких матриц.
К достоинствам ПЗС-матриц можно отнести:
- Высокий коэффициент использования площади пиксела (близок к 100%);
- относительно низкий ;
- очень высокая эффективность;
- достаточно большой .
К недостаткам ПЗС-матриц относятся:
- высокая энергоемкость;
- достаточно сложный процесс считывания информации;
- дорогостоящее производство.
В современных цифровых фотоаппаратах применяются не только матрицы на основе ПЗС, но и КМОП-матрицы , доля фотоаппаратов, оснащенных такими матрицами постоянно растет.
КМОП-матрица фотоаппарата.
Еще в конце 60-х годов прошлого века ученые знали свойство КМОП-стуктур воспринимать свет. Однако ПЗС-структуры обеспечивали гораздо более высокую чувствительность к свету и высокое качество изображения. Вот почему матрицы на основе КМОП-технологии не получили столь широкого распространения. В начале 90-х годов характеристики КМОП-матриц и их производство были значительно улучшены, что привело к более широкому внедрению этих матриц. Революционные открытия были сделаны в лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory - JPL NASA), где были созданы активные пикселы (Active Pixel Sensors – APS). Суть состояла в том, что в каждый был добавлен транзисторный усилитель сигнала, что позволило преобразовывать заряд в напряжение непосредственно в самом пикселе. Благодаря этому стал возможен произвольный доступ к отдельным пикселам, в принципе аналогичный схемам ОЗУ.
В результате уже к 2008 году матрицы на КМОП-элементах стали альтернативой ПЗС-матрицам.
КМОП-матрица (комплиментарная структура металл-окисел-полупроводник), в английской транскрипции - CMOS (Complementary metal oxide semiconductor), в принципе похожа на ПЗС-матрицу. Также, как и в ПЗС под воздействием света рождаются электроны.
Ячейки КМОП-матриц представляют из себя полевые транзисторы с изолированным затвором и имеют каналы разной проводимости.
В отличие от ПЗС-элемента каждая ячейка КМОП-матрицы имеет дополнительно электронные устройства, называемые обвязкой пиксела, позволяющие преобразовывать заряд в напряжение непосредственно в ячейке.
На рис.1 показана эквивалентная схема устройства КМОП-элемента.
Рис.1. Эквивалентная электрическая схема КМОП-элемента.
1 - Светодиод. 2 - электронный затвор. 3 - конденсатор, накапливающий заряд с фотодиода. 4 - усилитель сигнала. 5 - шина считывания строки. 6 - шина, по которой происходит передача сигнала процессору. 7 - линия подачи сигнала сброса.
Принцип работы приведенной схемы:
перед съемкой изображения по линии 7 подается сигнал сброса;
при воздействии света на фотодиод в нем пропорционально интенсивности светового потока создается заряд, который заряжает конденсатор;
считывание сигнала с элемента происходит путем разряда конденсатора, возникающий при этом ток передается на усилитель и далее в обрабатывающую схему.
Синхронизация работы матрицы осуществляется через адресные шины столбцов и строк.
Благодаря такой схеме появляется возможность считывать заряд сразу из группы пикселей (а не последовательно ячейка за ячейкой, как в ПЗС-матрице) или даже выборочно из отдельных пикселей. В такой матрице отсутствует необходимость в регистрах сдвига столбцов и строк, что намного убыстряет процесс считывания информации с матрицы, . Значительно уменьшается и энергопотребление матрицы.
Прогресс в развитии технологий, в частности получения кремниевых пластин высокого качества и улучшения схемы усилителя КМОП-элемента, привел к тому, что последний вышел по качеству получаемого изображения практически на тот же уровень, что и ПЗС-элемент.
Преимущества КМОП-матрицы:
Прежде всего значительно снижено энергопотребление, благодаря тому, что в КМОП-матрице цепочка обработки информации не такая длинная, как в ПЗС-матрице, особенно низким энергопотреблением КМОП-матрица отличается в статическом режиме.
Схема ячейки КМОП-матрицы позволяет ее интегрировать непосредственно с аналого-цифровым преобразователем и даже с процессором. Это создает возможность объединения в одном кристалле как аналоговой схемы, так и цифровой и обрабатывающей. Благодаря этому стала возможной дальнейшая миниатюризация цифровых камер,снижение их стоимости из-за отсутствия необходимости в дополнительных процессорных микросхемах.
Возможность произвольного доступа к ячейкам КМОП позволяет считывать отдельные группы пикселей. Эта возможность получила название кадрированного считывания, т. е. считывания только части всего кадра, в отличие от ПЗС-матрицы, где для обработки информации необходимо выгрузить всю матрицу. Благодаря этому для обеспечения быстрого просмотра изображения на встроенном дисплее фотоаппарата с относительно небольшим числом пикселей можно выводить только часть информации. Для просмотра этого будет достаточно, можно контролировать точность фокусировки и т. д.
Кроме того для большей скорости ведения репортажной съемки можно вести ее с меньшим размером кадра и меньшим разрешением.
Еще одним достоинством КМОП-матрицы является возможность добавления к имеющемуся внутри КМОП-элемента усилителю еще усилительные каскады, тем самым значительно увеличить чувствительность матрицы. А возможность регулировки усиления для каждого цвета позволяет улучшить .
Производство КМОП-матриц проще и дешевле, чем ПЗС, его может освоить практически любой завод, занимающийся производством микроэлектроники. Особенно это сказывается при производстве матриц большого размера.
Недостатки КМОП-матрицы:
К недостаткам КМОП-матрицы по сравнению с ПЗС-матрицей следует отнести прежде всего уменьшение светочувствительной части элемента из-за наличия электронной обвязки вокруг пиксела. Именно поэтому вначале КМОП-матрицы имели существенно более низкую чувствительность, чем ПЗС-матрицы. Положение изменилось с разработкой и выпуском на рынок компанией Sony в 2007 году КМОП-матриц, изготовленных по технологии EXMOR, применявшейся ранее для специфических устройств, таких как электронные телескопы. Размер светочувствительной части пиксела удалось увеличить за счет перемещения электронной обвязки в нижний слой элемента, где она не мешала попаданию света. Это привело к увеличению чувствительности каждого пиксела и всей матрицы.
В каждом из элементов КМОП-матрицы имеются еще электронные элементы, которые по свойствам электронных схем обладают своим шумом, и этот шум добавляется к шуму непосредственно светочувствительного элемента. Причем для каждого пиксела уровень этого шума разный.
Величина сигнала,получаемого с каждого пиксела зависит не только от характеристик самого фотодиода, но и от свойств каждого элемента электронной обвязки пиксела. Отсюда получается, что у каждого КМОП-элемента своя
1. Введение в датчики изображений
Когда изображение объективом видеокамеры, свет проходит через линзы и падает на датчик изображения. Датчик изображения, или матрица, состоит из множества элементов, также называемых пикселями, которые регистрируют количество света, упавшего на них. Полученное количество света пиксели преобразуют в соответствующее количество электронов. Чем больше света упадет на пиксель, тем больше электронов он сгенерирует. Электроны преобразуются в напряжение, а затем конвертируются в числа, согласно значениям АЦП (Аналого-Цифровой Преобразователь, A/D-converter). Сигнал, составленный из таких чисел, обрабатывается электронными цепями внутри видеокамеры.
В настоящее время, существует две основные технологии, которые могут быть использованы при создании датчика изображения в камере, это CCD (Charge-Coupled Device, ПЗС - прибор с зарядовой связью) и CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semiconductor, КМОП - комплементарный металлооксидный полупроводник). Их характеристики, достоинства и недостатки будут рассмотрены в данной статье. На рисунке ниже изображены ПЗС (наверху) и КМОП (внизу) датчики изображений.
Цветовая фильтрация . Как уже было описано выше, датчики изображений регистрируют объем света, упавшего на них, от светлого до темного, но без цветовой информации. Поскольку КМОП и ПЗС датчики изображений «не видят цвет», перед каждым из датчиков ставится фильтр, позволяющий присвоить каждому пикселю в датчике цветовой тон. Два основных метода цветовой регистрации это RGB (Red-Greed-Blue, Красный-Зеленый-Синий) и CMYG (Cyan-Magenta-Yellow-Green, Голубой-Пурпурный-Желтый-Зеленый). Красный, зеленый и синий являются основными цветами, различные комбинации которых могут составить большинство цветов, воспринимаемых глазом человека.
Фильтр Байера (или массив Байера, англ. Bayer array), состоящий из сменяющих друг друга строк красно-зеленых и сине-зеленых фильтров, является наиболее распространенным RGB-цветовым фильтром (см. Рис. 2). Фильтр Байера содержит удвоенное количество зеленых «ячеек», т.к. человеческий глаз более чувствителен к зеленому цвету, а не красному или синему. Это также означает, что, при таком соотношении цветов в фильтре, человеческий глаз увидит больше деталей, чем если бы три цвета использовались в равной пропорции в фильтре.
Другой способ фильтровать (или регистрировать) цвет - использовать дополнительные цвета - голубой, пурпурный и желтый. Фильтр из дополнительных цветов обычно комбинируется с зеленым цветовым фильтром в форме CMYG-цветового фильтра (CMYG-color array), как показано на рисунке 2 (справа). CMYG-цветовой фильтр обычно предлагает более высокий сигнал пикселя, т.к. обладает более широкой спектральной полосой пропускания. Тем не менее, сигнал должен быть преобразован в RGB для использования в итоговом изображении, а это влечем за собой дополнительную обработку, и вносит шумы. Следствием этого является снижение отношения сигнал-шум, поэтому CMYG-системы, как правило, не столь хороши при передаче цветов.
CMYG-цветовой фильтр обычно используется в датчиках изображения с чересстрочной разверткой, в то время как RGB-системы в первую очередь используются в датчиках изображения с прогрессивной разверткой.
2. CCD-технология
В CCD-сенсоре, свет (заряд), падающий на пиксель сенсора, передается от микросхемы через один выходной узел, или через всего лишь несколько выходных узлов. Заряды преобразуются в уровень напряжения, накапливаются и рассылаются как аналоговый сигнал. Этот сигнал затем суммируется и преобразуется в числа аналого-цифровым преобразователем, вне сенсора (см. рис. 3).
CCD-технология была изобретена специально для использования в видеокамерах, и CCD-сенсоры используются на протяжении 30 лет. Традиционно, у CCD-сенсоров есть ряд преимуществ перед CMOS-сенсорами, а именно лучшая светочувствительность и низкий уровень шумов. В последнее время, однако, различия едва заметны.
Недостатки CCD-сенсоров заключаются в том, что они являются аналоговыми компонентами, что требует наличия большего числа электроники «около» сенсора, они дороже в производстве и могут потреблять до 100 раз больше энергии, чем CMOS-сенсоры. Повышенное энергопотребление может также привести к повышению температуры в самой камере, что негативно сказывается не только на качестве изображения и увеличивает стоимость конечного продукта, но и степень воздействия на окружающую среду.
CCD-сенсоры также требуют более скоростную передачу данных, т.к. все данные проходят через всего лишь через один или несколько выходных усилителей. Сравните рисунки 4 и 6, показывающие платы с CCD-сенсором и CMOS-сенсором соответственно.
3. CMOS-технология
На ранней стадии, обычные CMOS-чипы использовались для отображения, однако качество картинки было низким, в связи с низкой световой чувствительностью КМОП-элементов. Современные CMOS-сенсоры изготавливаются по более специализированной технологии, что привело к стремительному росту качества изображения и светочувствительности за последние годы.
CMOS-чипы обладают рядом преимуществ. В отличие от CCD-сенсоров, CMOS-сенсоры содержат в себе усилители и аналого-цифровые преобразователи, что значительно снижает стоимость конечного продукта, т.к. он уже содержит все необходимые элементы для получения изображения. Каждый CMOS-пиксель содержит электронные преобразователи. По сравнению с CCD-сенсорами, CMOS-сенсоры обладают большим функционалом и более широкими возможностями интеграции. Из других преимуществ следует также отметить более быстрое считывание, меньшее потребление энергии, высокую сопротивляемость шумам и меньший размер системы.
Тем не менее, наличие электронных схем внутри чипа приводит к риску появления более структурированного шума, например полос. Калибровка CMOS-сенсоров при производстве также более сложна, по сравнению в CCD-сенсорами. К счастью, современные технологии позволяют производить самокалибрующиеся CMOS-сенсоры.
В CMOS-сенсорах существует возможность считывания изображения с отдельных пикселей, что позволяет «оконизировать» изображение, т.е. считывать показание не всего сенсора, а лишь его определенного участка. Таким образом, можно получить большую частоту кадров с части сенсора для последующей цифровой PTZ (англ. pan/tilt/zoom, панорама/наклон/масштаб) обработки. Кроме того, это дает возможность передавать несколько видеопотоков с одного CMOS-сенсора, имитируя несколько «виртуальных камер»
4. HDTV и мегапиксельные камеры
Мегапиксельные сенсоры и телевиденье высокой четкости позволяет цифровым IP-камерам обеспечивать более высокое разрешение изображения, чем аналоговые CCTV-камеры, т.е. они дают большую возможность различить детали и идентифицировать людей и объекты - ключевой фактор в видеонаблюдении. Мегапиксельная IP-камера обладает как минимум вдвое большей разрешающей способностью, по сравнению с аналоговой CCTV-камерой. Мегапиксельные сенсоры являются ключевым моментов в телевидении высокой четкости, мегапиксельных и мульти-мегапиксельных камерах. И могут быть использованы для обеспечения экстремально высокой детализации изображения и многопотокового видео.
Мегапиксельные CMOS-сенсоры более широко распространены и гораздо дешевле чем мегапиксельные CCD-сенсоры, несмотря на то, что есть и довольно дорогие CMOS-сенсоры.
Сложно изготовить быстрый мегапиксельный CCD-сенсор, что конечно же является недостатком, и следовательно сложно изготовить мульти-мегапиксельную камеру с использованием CCD-технологии.
Большинство сенсоров в мегапиксельных камерах в целом аналогичны по размеру изображения VGA-сенсорам, с разрешением 640х480 пикселей. Однако мегапиксельный сенсор содержит больше пикселей, чем VGA-сенсор, соответственно размер каждого пикселя в мегапиксельном сенсоре меньше размера пикселя в VGA-сенсоре. Следствием этого является меньшая светочувствительность каждого пикселя в мегапиксельном сенсоре.
Так или иначе, прогресс не стоит на месте. Идет стремительное развитие мегапиксельных сенсоров, и их светочувствительность постоянно возрастает.
5. Основные отличия
CMOS-сенсоры содержат в себе усилители, А/Ц-преобразователи и часто микросхемы дл дополнительной обработки, в то время как в камере с CCD-сенсором большинство функций по обработке сигнала проводятся за пределами сенсора. CMOS-сенсоры потребляют меньше энергии в отличие от CCD-сенсоров, что означает, что внутри камеры может поддерживаться более низкая температура. Повышенная температура CCD-сенсоров может увеличить интерференцию. С другой стороны CMOS-сенсоры могут страдать от структурированного шума (полосы и т.д.).
CMOS-сенсоры поддерживают «оконизацию» изображения и многопотоковое видео, что невозможно в CCD-сенсорах. CCD-сенсоры обладают как правило одним А/Ц-преобразователем, в то время как в CMOS-сенсорах им обладает каждый пиксель. Более быстрое считывание в CMOS-сенсорах позволяет их использовать при изготовлении мульти-мегапиксельных камер.
Современные технологические достижения стирают разницу в светочувствительности между CCD- и CMOS-сенсорами.
6. Заключение
CCD и CMOS-сенсоры обладают различными преимуществами и недостатками, но технологии стремительно развиваются и ситуация постоянно меняется. Вопрос о том выбрать ли камеру с CCD-сенсором или с CMOS-сенсором становится несущественным. Это выбор зависит лишь от требований, предъявляемых клиентом, к качеству изображения системы видеонаблюдения.
Сенсоры CCD и CMOS последние несколько лет находятся в состоянии непрерывного соперничества. В данной статье мы постараемся рассмотреть преимущества и недостатки данных технологий. ПЗС-матрица (сокр. от «прибор с зарядовой связью») или CCD-матрица (сокр. от англ. CCD, «Charge-Coupled Device») - специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС - приборов с зарядовой связью. В CCD-сенсоре, свет (заряд), падающий на пиксель сенсора, передается от микросхемы через один выходной узел, или через всего лишь несколько выходных узлов. Заряды преобразуются в уровень напряжения, накапливаются и рассылаются как аналоговый сигнал. Этот сигнал затем суммируется и преобразуется в числа аналого-цифровым преобразователем, вне сенсора. КМОП (комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник; КМДП; англ. CMOS, Complementary-symmetry/metal-oxide semiconductor) - технология построения электронных схем. На ранней стадии, обычные CMOS-чипы использовались для отображения, однако качество картинки было низким, в связи с низкой световой чувствительностью КМОП-элементов. Современные CMOS-сенсоры изготавливаются по более специализированной технологии, что привело к стремительному росту качества изображения и светочувствительности за последние годы. CMOS-чипы обладают рядом преимуществ. В отличие от CCD-сенсоров, CMOS-сенсоры содержат в себе усилители и аналого-цифровые преобразователи, что значительно снижает стоимость конечного продукта, т.к. он уже содержит все необходимые элементы для получения изображения. Каждый CMOS-пиксель содержит электронные преобразователи. CMOS-сенсоры обладают большим функционалом и более широкими возможностями интеграции. Одной из основных проблем при использовании CMOS-матриц в видеокамерах было качество изображения. CCD-матрицы обеспечивали и обеспечивают сейчас более низкий шумовой уровень. В результате CMOS-чипы чрезвычайно плохо вели себя при низкой освещенности, по сравнению с CCD-чипами. И поскольку низкая освещенность - одна из основных трудностей при видеосъемке, это было главным барьером для использования CMOS-матриц. Однако, опыт производства, накопленный за годы развития CMOS, позволил с каждым новым поколением этих сенсоров существенно снижать фиксированные и случайные шумы, влияющие на качество картинки. Еще одно слабое место CMOS - искажения, появляющиеся при захвате динамического изображения вследствие слабой чувствительности сенсора. Изображения автомобилей могут содержать очень яркие элементы, такие как фары, солнце, а также очень темные участки, например, на номерных знаках. По этой причине для обработки сцен с большими контрастными перепадами необходим широкий динамический диапазон. ПЗС-сенсор обладает хорошими параметрами динамического диапазона, однако предусмотренный в КМОП доступ к отдельным пикселям, дает куда больше возможностей для получения лучшего динамического диапазона. Также при использовании CCD-матриц яркие пятна сцены могут создавать вертикальные линии на картинке и мешать распознаванию номерного знака из-за выцветания и смазывания. Несмотря на то что CCD-матрицы имеют более высокую характеристику чувствительности, основным фактором, ограничивающим их применение, является низкая скорость считывания заряда и, как следствие, невозможность обеспечения высокой скорости формирования изображения. Чем выше разрешение матрицы, тем ниже скорость формирования изображения. В свою очередь, технология CMOS, объединяющая светочувствительный элемент и микросхему обработки, позволяет получать высокую скорость формирования кадра даже для 3 Мп сенсоров. Однако использование мегапиксельных CMOS-сенсоров для IP-камер систем видеонаблюдения требует эффективного сжатия потока данных. Наиболее распространенными алгоритмами компрессии в IP CCTV в настоящее время являются M-JPEG, MPEG4 и H.264. Первый нередко реализуется непосредственно на CMOS-сенсоре самим производителем матрицы. Алгоритмы MPEG4 и H.264 – более эффективные, но требуют мощного процессора. Для формирования потока реального времени с разрешением более 2 мегапикселей в CMOS IP-камерах используются сопроцессоры, обеспечивающие дополнительные вычисления. В настоящее время IP-камеры на основе CMOS-сенсоров становятся все популярнее в первую очередь благодаря поддержке технологии со стороны лидеров IP видеонаблюдения. При этом их стоимость выше, чем аналогичных камер на CCD. И это несмотря на то, что технология CMOS, объединяющая аналоговую и цифровую части устройства, позволяет создавать более дешевые камеры. Ситуация такова, что сегодня стоимость IP-камеры определяется ее возможностями и характеристиками. Принципиальным является не тип матрицы, а программное обеспечение, реализуемое процессором камеры.
Преимущества CCD матриц: Низкий уровень шумов, высокий коэффициент заполнения пикселов (около 100%), высокая эффективность (отношение числа зарегистрированных фотонов к их общему числу, попавшему на светочувствительную область матрицы, для CCD - 95%), высокий динамический диапазон (чувствительность), хорошая чувствительность в IR-диапазоне.
Недостатки CCD матриц: Сложный принцип считывания сигнала, а следовательно и технология, высокий уровень энергопотребления (до 2-5Вт), дороже в производстве.
Преимущества CMOS матриц: Высокое быстродействие (до 500 кадров/с), низкое энергопотребление (почти в 100 раз по сравнению с CCD), дешевле и проще в производстве, перспективность технологии (на том же кристалле в принципе ничего не стоит реализовать все необходимые дополнительные схемы: аналого-цифровые преобразователи, процессор, память, получив, таким образом, законченную цифровую камеру на одном кристалле).
Недостатки CMOS матриц: Низкий коэффициент заполнения пикселов, что снижает чувствительность (эффективная поверхность пиксела ~75%,остальное занимают транзисторы), высокий уровень шума (он обусловлен так называемыми темповыми токами - даже в отсутствие освещения через фотодиод течет довольно значительный ток) борьба с которым усложняет и удорожает технологию, невысокий динамический диапазон.
Как и любая технология, технологии CMOS и CCD обладают преимуществами и недостатками, которые мы постарались рассмотреть в данной статье. При выборе камер необходимо учитывать все плюсы и минусы данных технологий, обращая внимание на такие параметры как светочувствительность, широкий динамический диапазон, энергопотребление, уровень шума, стоимость камеры.
Матрица - это основа любого фото- или видеоустройства. Она определяет качество и размер получаемого изображения. На сегодняшний день в изготовлении матриц используются два разных технологичных принципа - CCD и CMOS. Очень часто можно услышать вопрос: «Какую матрицу выбрать: CCD или CMOS?» Среди любителей фото- и видеотехники по этому поводу идут жаркие споры. В этой статье мы проведем обзор этих двух типов и попробуем разобраться, какая матрица лучше - CCD или CMOS.
Общая информация
Матрицы предназначены для оцифровки параметров световых лучей на их поверхности. Говорить о явном преимуществе одной из технологий не представляется возможным. Можно проводить сравнение по конкретным параметрам и выявлять лидера в том или ином аспекте. Что касается предпочтений пользователей, то зачастую для них главным критерием является стоимость изделия, даже если оно будет уступать по качеству или техническим характеристикам своему конкуренту.
Итак, давайте разберемся, что представляют собой оба типа устройств. CCD-матрица - это микросхема, которая состоит из светочувствительных фотодиодов; она создана на кремниевой основе. Особенность ее работы заключается в принципе действия устройства с зарядовой связью. CMOS-матрица - это прибор, созданный на основе полупроводниковых имеющих изолированный затвор с каналами различной проводимости.
Принцип работы
Перейдем к выявлению отличий, которые помогут определиться в выборе: что же лучше - матрица CMOS или CCD? Главным различием этих двух технологий является принцип их работы. CCD-устройства заряд от пикселей преобразуют в электрический потенциал, который усиливается за пределами светочувствительных сенсоров. В результате получается изображение в аналоговом виде. После этого проводится оцифровка всей картинки в АЦП. То есть прибор состоит из двух частей - непосредственно матрицы и преобразователя. CMOS-технология характеризуются тем, что производит оцифровывание каждого пикселя в отдельности. На выходе получается уже готовая цифровая картинка. То есть электрический заряд в пикселе матрицы накапливается в конденсаторе, с которого снимается электрический потенциал. Он передается на аналоговый усилитель (встроенный непосредственно в пикселе), после чего оцифровывается в преобразователе.
Что же выбрать: CCD или CMOS?
Одним из немаловажных параметров, которые определяют выбор между этими технологиями, является количество усилителей матрицы. CMOS-устройства имеют большее количество этих приборов (в каждой точке), поэтому при прохождении сигнала несколько снижается качество картинки. Поэтому CCD-матрицы используют для создания изображений с высокой степенью детализации, например, в медицинских, исследовательских, промышленных целях. А вот CMOS-технологии применяют в основном в бытовой технике: веб-камерах, смартфонах, планшетах, ноутбуках и т. п.
Следующим параметром, который определяет, какой тип лучше - CCD или CMOS, - является плотность фотодиодов. Чем она выше, тем меньше фотонов «пропадет вхолостую», соответственно, изображение будет лучше. В этом параметре CCD-матрицы обходят своих конкурентов, так как предлагают макет, не имеющий таких зазоров, в то время как у CMOS они присутствуют (в них расположены транзисторы).
Тем не менее, когда перед пользователем встает выбор: какой - CMOS или CCD - приобрести, всплывает главный параметр - цена устройства. CCD-технология значительно дороже своего конкурента и энергозатратнее. Поэтому устанавливать их там, где достаточно изображения среднего качества, нецелесообразно.
Сенсор изображения является важнейшим элементом любой видеокамеры. Сегодня практически во всех камерах используются датчики изображения CCD или CMOS. Оба типа датчика выполняют задачу преобразования изображения, построенного на сенсоре объективом, в электрический сигнал. Однако вопрос, какой датчик лучше, до сих пор остается открытым
Н.И. Чура
Технический консультант
ООО "Микровидео Группа"
CCD является аналоговым датчиком, несмотря на дискретность светочувствительной структуры. Когда свет попадает на матрицу, в каждом пикселе накапливается заряд или пакет электронов, преобразуемый при считывании на нагрузке в напряжение видеосигнала, пропорциональное освещенности пикселей. Минимальное количество промежуточных переходов этого заряда и отсутствие активных устройств обеспечивают высокую идентичность чувствительных элементов CCD.
CMOS-матрица является цифровым устройством с активными чувствительными элементами (Active Pixel Sensor). С каждым пикселем работает свой усилитель, преобразующий заряд чувствительного элемента в напряжение. Это дает возможность практически индивидуально управлять каждым пикселем.
Эволюция CCD
С момента изобретения CCD лабораторией Белла (Bell Laboratories, или Bell Labs) в 1969 г. размеры сенсора изображения непрерывно уменьшались. Одновременно увеличивалось число чувствительных элементов. Это естественно вело к уменьшению размеров единичного чувствительного элемента (пикселя), а соответственно и его чувствительности. Например, с 1987 г. эти размеры сократились в 100 раз. Но благодаря новым технологиям чувствительность одного элемента (а следовательно, и всей матрицы) даже увеличилась.
Что позволило доминировать
С самого начала CCD стали доминирующими сенсорами, поскольку обеспечивали лучшее качество изображения, меньший шум, более высокую чувствительность и большую равномерность параметров пикселей. Основные усилия по совершенствованию технологии были направлены на улучшение характеристик CCD.
Как растет чувствительность
По сравнению с популярной матрицей Sony HAD стандартного разрешения (500х582) конца 1990-х гг. (ICX055) чувствительность моделей более совершенной технологии Super HAD выросла почти в 3 раза (ICX405) и Ex-view HAD – в 4 раза (ICX255). Причем для черно-белого и цветного варианта.
Для матриц высокого разрешения (752х582) успехи несколько менее впечатляющие, но если сопоставлять модели цветного изображения Super HAD с самыми современными технологиями Ex-view HAD II и Super HAD II, то рост чувствительности составит в 2,5 и 2,4 раза соответственно. И это несмотря на уменьшение размеров пикселя почти на 30%, поскольку речь идет о матрицах самого современного формата 960H с увеличенным количеством пикселей до 976х582 для стандарта PAL. Для обработки такого сигнала Sony предлагает ряд сигнальных процессоров Effio.
Добавилась ИК-составляющая
Одним из эффективных методов роста интегральной чувствительности является расширение спектральных характеристик чувствительности в область инфракрасного диапазона. Это особенно характерно для матрицы Ex-view. Добавление ИК-составляющей несколько искажает передачу относительной яркости цветов, но для черно-белого варианта это не критично. Единственная проблема возникает с цветопередачей в камерах "день/ночь" с постоянной ИК-чувствительностью, то есть без механического ИК-фильтра.
Развитие этой технологии в моделях Ex-view HAD II (ICX658AKA) в сравнении с предыдущим вариантом (ICX258AK) обеспечивает рост интегральной чувствительности всего на 0,8 дБ (с 1100 до 1200 мВ) с одновременным увеличением чувствительности на длине волны 950 нм на 4,5 дБ. На рис. 1 приведены характеристики спектральной чувствительности этих матриц, а на рис. 2 – отношение их интегральной чувствительности.
Оптические инновации
Другим методом роста чувствительности CCD являются увеличение эффективности пиксельных микролинз, светочувствительной области и оптимизация цветовых фильтров. На рис. 3 представлено устройство матриц Super HAD и Super HAD II, показывающее увеличение площади линзы и светочувствительной области последней модификации.
Дополнительно в матрицах Super HAD II значительно увеличено пропускание светофильтров и их устойчивость к выцветанию. Кроме того, расширено пропускание в коротковолновой области спектра (голубой), что улучшило цветопередачу и баланс белого.
На рис. 4 представлены спектральные характеристики чувствительности матриц Sony 1/3" Super HAD (ICX229AK) и Super HAD II (ICX649AKA).
CCD: уникальная чувствительность
В совокупности перечисленных мер удалось добиться значительных результатов по улучшению характеристик CCD.
Сравнить характеристики современных моделей с более ранними вариантами не представляется возможным, поскольку тогда не производились цветные матрицы широкого применения даже типового высокого разрешения. В свою очередь, сейчас не производятся черно-белые матрицы стандартного разрешения по новейшим технологиям Ex-view HAD II и Super HAD II.
В любом случае по чувствительности CCD до сих пор являются пока недостижимым ориентиром для CMOS, поэтому они все еще широко используются за исключением мегапиксельных вариантов, которые очень дорого стоят и применяются в основном для специальных задач.
CMOS: достоинства и недостатки
Сенсоры CMOS были изобретены в конце 1970-х гг., но их производство удалось начать только в 1990-е по причине технологических проблем. И сразу наметились их основные достоинства и недостатки, которые и сейчас остаются актуальными.
К достоинствам можно отнести большую интеграцию и экономичность сенсора, более широкий динамический диапазон, простоту производства и меньшую стоимость, особенно мегапиксельных вариантов.
С другой стороны, CMOS-сенсоры обладают меньшей чувствительностью, обусловленной, при прочих равных условиях, большими потерями в фильтрах структуры RGB, меньшей полезной площадью светочувствительного элемента. В результате множества переходных элементов, включая усилители в тракте каждого пикселя, обеспечить равномерность параметров всех чувствительных элементов значительно сложнее в сравнении с CCD. Но совершенствование технологий позволило приблизить чувствительность CMOS к лучшим образцам CCD, особенно в мегапиксельных вариантах.
Ранние сторонники CMOS утверждали, что эти структуры будут гораздо дешевле, потому что могут быть произведены на том же оборудовании и по тем же технологиям, что и микросхемы памяти и логики. Во многом данное предположение подтвердилось, но не полностью, поскольку совершенствование технологии привело к практически идентичному по сложности производственному процессу, как и для CCD.
С расширением круга потребителей за рамки стандартного телевидения разрешение матриц стало непрерывно расти. Это бытовые видеокамеры, электронные фотоаппараты и камеры, встроенные в средства коммуникации. Кстати, для мобильных устройств вопрос экономичности довольно важный, и здесь у CMOS-сенсора нет конкурентов. Например, с середины 1990-х гг. разрешение матриц ежегодно вырастало на 1–2 млн элементов и теперь достигает 10–12 Мпкс. Причем спрос на CMOS-сенсоры стал доминирующим и сегодня превышает 100 млн единиц.
CMOS: улучшение чувствительности
Первые образцы камер наблюдения конца 1990-х – начала 2000-х с CMOS-матрицами имели разрешение 352х288 пкс и чувствительность даже для черно-белого варианта около 1 лк. Цветные варианты уже стандартного разрешения отличались чувствительностью около 7–10 лк.
Что предлагают поставщики
В настоящее время чувствительность CMOS-матриц, безусловно, выросла, но не превышает для типовых вариантов цветного изображения величины порядка нескольких люксов при разумных величинах F числа объектива (1,2– 1,4). Это подтверждают данные технических характеристик брендов IP-видеонаблюдения, в которых применяются CMOS-матрицы с прогрессивной разверткой. Те производители, которые заявляют чувствительность около десятых долей люкса, обычно уточняют, что это данные для меньшей частоты кадров, режима накопления или по крайней мере включенной и достаточно глубокой АРУ (AGC). Причем у некоторых производителей IP-камер максимальная АРУ достигает умопомрачительной величины –120 дБ (1 млн раз). Можно надеяться, что чувствительность для этого случая в представлении производителей предполагает пристойное отношение "сигнал/шум", позволяющее наблюдать не один только "снег" на экране.
Инновации улучшают качество видео
В стремлении улучшить характеристики CMOS-матриц компания Sony предложила ряд новых технологий, обеспечивающих практическое сравнение CMOS-матриц с CCD по чувствительности, отношению "сигнал/шум" в мегапиксельных вариантах.
Новая технология производства матриц Exmor основана на изменении направления падения светового потока на матрицу. В типовой архитектуре свет падает на фронтальную поверхность кремниевой пластины через и мимо проводников схемы матрицы. Свет рассеивается и перекрывается этими элементами. В новой модификации свет поступает на тыльную сторону кремниевой пластины. Это привело к существенному росту чувствительности и снижению шума CMOS-матрицы. На рис. 5 поясняется различие структур типовой матрицы и матрицы Exmor, показанных в разрезе.
На фото 1 приведены изображения тестового
объекта, полученные при освещенности 100 лк (F4.0 и 1/30 с) камерой с CCD (фронтальное освещение) и CMOS Exmor, имеющих одинаковый формат и разрешение 10 Мпкс. Очевидно, что изображение камеры с CMOS по крайней мере не хуже изображения с CCD.
Другим способом улучшения чувствительности CMOS-сенсоров является отказ от прямоугольного расположения пикселей с построчным сдвигом красного и синего элементов. При этом в построении одного элемента разрешения используются по два зеленых пикселя – синий и красный из разных строк. Взамен предлагается диагональное расположение элементов с использованием шести соседних зеленых элементов для построения одного элемента разрешения. Такая технология получила название ClearVid CMOS. Для обработки предполагается более мощный сигнальный процессор изображений. Различие структур расположения цветных элементов иллюстрируются рис. 6.
Считывание информации осуществляется быстродействующим параллельным аналого-цифровым преобразователем. При этом частота кадров прогрессивной развертки может достигать 180 и даже 240 кадр/с. При параллельном съеме информации устраняется диагональный сдвиг кадра, привычный для CMOS-камер с последовательным экспонированием и считыванием сигнала, так называемый эффект Rolling Shutter – когда полностью отсутствует характерный смаз быстро движущихся объектов.
На фото 2 приведены изображения вращающегося вентилятора, полученные CMOS-камерой с частотой кадров 45 и 180 кадр/с.
Полноценная конкуренция
В качестве примеров мы приводили технологии Sony. Естественно, CMOS-матрицы, как и CCD, производят и другие компании, хотя не в таких масштабах и не столь известные. В любом случае все так или иначе идут примерно одним путем и используют похожие технические решения.
В частности, известная технология матриц Panasonic Live-MOS также существенно улучшает характеристики CMOS-матриц и, естественно, похожими методами. В матрицах Panasonic уменьшено расстояние от фотодиода до микролинзы. Упрощена передача сигналов с поверхности фотодиода. Уменьшено количество управляющих сигналов с 3 (стандартные CMOS) до 2 (как в CCD), что увеличило фоточувствительную область пикселя. Применен малошумящий усилитель фотодиода. Используется более тонкая структура слоя датчиков. Сниженное напряжение питания уменьшает шум и нагрев матрицы.
Можно констатировать, что мегапиксельные матрицы CMOS уже могут успешно конкурировать с CCD не только по цене, но и по таким проблемным для этой технологии характеристикам, как чувствительность и уровень шума. Однако в традиционном CCTV телевизионных форматов CCD-матрицы остаются пока вне конкуренции.
