So'nggi bir necha yil ichida CCD va CMOS datchiklari doimiy raqobatdosh bo'lib kelgan. Ushbu maqolada ushbu texnologiyalarning afzalliklari va kamchiliklarini ko'rib chiqishga harakat qilamiz. CCD-matritsa ("zaryad bilan bog'langan moslama" dan qisqartirilgan) yoki CCD-matritsa (CCD-dan qisqartirilgan, "Zaryadlangan-ulangan moslama") - bu silikon asosida tayyorlangan nurga sezgir fotodiodlardan tashkil topgan ixtisoslashgan analog integral mikrosxema. CCD texnologiyasi - zaryadlangan ulangan qurilmalar. CCD sensorida sensor pikseliga tushadigan yorug'lik (zaryad) mikrosxemadan bitta chiqish tuguni yoki bir nechta chiqish tugunlari orqali uzatiladi. Zaryadlar kuchlanish darajasiga o'tkaziladi, to'planadi va analog signal sifatida yuboriladi. Keyinchalik, bu signal yig'ilib, sensordan tashqaridagi analog-raqamli konvertor tomonidan raqamlarga aylantiriladi. CMOS (metall-oksidli yarimo'tkazgichli tranzistorlar bo'yicha qo'shimcha mantiq; CMOS; inglizcha CMOS, qo'shimcha-simmetriya / metall-oksidli yarimo'tkazgich) - bu elektron sxemalarni qurish texnologiyasi. Dastlabki bosqichlarda an'anaviy CMOS chiplari namoyish qilish uchun ishlatilgan, ammo CMOS elementlarining yorug'lik sezgirligi pastligi sababli rasm sifati yomon bo'lgan. Zamonaviy CMOS datchiklari ko'proq ixtisoslashgan texnologiyadan foydalangan holda ishlab chiqarilmoqda, bu so'nggi yillarda tasvir sifati va yorug'lik sezgirligining tez o'sishiga olib keldi. CMOS chiplari bir nechta afzalliklarga ega. CCD datchiklaridan farqli o'laroq, CMOS datchiklarida kuchaytirgichlar va analog-raqamli konvertorlar mavjud bo'lib, bu yakuniy mahsulot narxini sezilarli darajada pasaytiradi, chunki u allaqachon tasvirni olish uchun barcha kerakli elementlarni o'z ichiga oladi. Har bir CMOS pikselida elektron konvertorlar mavjud. CMOS datchiklari ko'proq funktsional va kengroq integratsiya qobiliyatlariga ega. CMOS datchiklarini videokameralarda ishlatishda asosiy muammolardan biri bu tasvir sifati edi. CCDlar shovqinning past darajasini ta'minladilar va hozirda ta'minlaydilar. Natijada, CMOS chiplari CCD chiplari bilan taqqoslaganda past nurda juda yomon ishlaydi. Va kam yorug'lik video tortishishdagi asosiy qiyinchiliklardan biri bo'lganligi sababli, bu CMOS datchiklaridan foydalanishda asosiy to'siq bo'lgan. Shu bilan birga, CMOS ishlab chiqarish yillarida to'plangan ishlab chiqarish tajribasi ushbu sensorlarning har bir yangi avlodi bilan tasvir sifatiga ta'sir qiluvchi doimiy va tasodifiy shovqinni sezilarli darajada kamaytirishga imkon berdi. CMOS-ning yana bir zaif tomoni - bu sensorning zaif sezgirligi tufayli dinamik tasvirni olish paytida paydo bo'ladigan buzilishdir. Avtomobil tasvirlarida faralar, quyosh kabi juda yorqin elementlar va raqamlar kabi juda qorong'i joylar bo'lishi mumkin. Shu sababli, katta kontrastli tomchilar bilan sahnalarni boshqarish uchun keng dinamik diapazon talab qilinadi. CCD sensori yaxshi dinamik diapazon parametrlariga ega, ammo CMOS ning individual piksellarga ulanishi yaxshi dinamik diapazonga ega bo'lish uchun ko'proq imkoniyatlar beradi. Shuningdek, CCD-lardan foydalanilganda sahnadagi yorqin dog'lar rasmda vertikal chiziqlar hosil qilishi va xira va xiralashganligi sababli davlat raqamini tanib olishiga xalaqit berishi mumkin. CCD-lar yuqori sezuvchanlik xususiyatiga ega bo'lishiga qaramay, ulardan foydalanishni cheklovchi asosiy omil - bu zaryadni o'qishning past darajasi va natijada tasvirning yuqori tezligini ta'minlay olmaslik. Matritsa o'lchamlari qanchalik baland bo'lsa, tasvir tezligi shunchalik past bo'ladi. O'z navbatida, nurga sezgir element va ishlov beradigan mikrosxemani birlashtirgan CMOS texnologiyasi, hatto 3 megapikselli sensorlar uchun ham yuqori kvadrat tezligini olishga imkon beradi. Biroq, video kuzatuv tizimlarida IP kameralar uchun megapikselli CMOS datchiklaridan foydalanish ma'lumotlar oqimini samarali siqishni talab qiladi. Hozirgi kunda eng keng tarqalgan IP CCTV siqishni algoritmlari M-JPEG, MPEG4 va H.264. Birinchisi, to'g'ridan-to'g'ri matritsa ishlab chiqaruvchisi tomonidan to'g'ridan-to'g'ri CMOS sensorida amalga oshiriladi. MPEG4 va H.264 algoritmlari samaraliroq, ammo kuchli protsessor talab etiladi. 2 megapikseldan yuqori piksellar soniga ega real vaqt oqimini yaratish uchun CMOS IP kameralari qo'shimcha hisob-kitoblarni ta'minlaydigan koprotsessorlardan foydalanadi. Hozirgi vaqtda CMOS datchiklariga asoslangan IP kameralar birinchi navbatda IP video nazorati rahbarlarining texnologik yordami tufayli tobora ommalashib bormoqda. Shu bilan birga, ularning narxi CCD-dagi o'xshash kameralardan yuqori. Bu qurilmaning analog va raqamli qismlarini birlashtirgan CMOS texnologiyasi arzonroq kameralar yaratishga imkon berishiga qaramay. Vaziyat shuki, bugungi kunda IP kameraning narxi uning imkoniyatlari va xususiyatlari bilan belgilanadi. Asosiy narsa matritsaning turi emas, balki kamera protsessori tomonidan amalga oshiriladigan dasturiy ta'minotdir.

CCD matritsalarining afzalliklari: Kam shovqin darajasi, yuqori pikselli to'ldirish koeffitsienti (taxminan 100%), yuqori samaradorlik (ro'yxatdan o'tgan fotonlar sonining ularning umumiy soniga nisbati, matritsaning yorug'likka sezgir maydonini urish nisbati, CCD uchun - 95%), yuqori dinamik diapazon (sezgirlik) IQ diapazonida yaxshi sezgirlik.

CCD matritsalarining kamchiliklari: signalni o'qishning murakkab printsipi va shuning uchun texnologiya, yuqori quvvat sarflash darajasi (2-5 Vtgacha) ishlab chiqarish ancha qimmatga tushadi.

CMOS matritsalarining afzalliklari: Yuqori tezlik (500 kvadrat / s gacha), kam quvvat sarfi (CCD bilan taqqoslaganda deyarli 100 marta), arzonroq va ishlab chiqarish oson, istiqbolli texnologiyalar (bir xil kristallda, printsipial jihatdan, barcha kerakli qo'shimcha sxemalarni amalga oshirish uchun hech qanday xarajat talab qilinmaydi) : analog-raqamli konvertorlar, protsessor, xotira, shu bilan bitta chipda to'liq raqamli kamerani olish).

CMOS matritsalarining kamchiliklari: sezgirlikni pasaytiradigan past pikselli to'ldirish koeffitsienti (samarali piksel yuzasi ~ 75%, qolgan qismi tranzistorlar tomonidan ishg'ol qilingan), shovqinning yuqori darajasi (bu temp oqimlari deb ataladi - yorug'lik bo'lmagan taqdirda ham, fotodiod orqali juda katta oqim oqadi), unga qarshi kurash texnologiyaning narxini murakkablashtiradi va oshiradi, past dinamik diapazon.

Har qanday texnologiya singari, CMOS va CCD texnologiyalari ham ushbu maqolada ko'rib chiqishga harakat qilgan afzalliklari va kamchiliklariga ega. Kameralarni tanlashda yorug'likning sezgirligi, keng dinamik diapazon, quvvat sarfi, shovqin darajasi va kameraning narxi kabi parametrlarga e'tibor berib, ushbu texnologiyalarning barcha ijobiy va salbiy tomonlarini hisobga olish kerak.

Tasvir sensori har qanday videokameraning muhim elementidir. Bugungi kunda deyarli barcha kameralar CCD yoki CMOS tasvir sensorlaridan foydalanmoqda. Ikkala turdagi sensorlar ob'ektiv tomonidan sensorga o'rnatilgan tasvirni elektr signaliga aylantirish vazifasini bajaradi. Biroq, qaysi sensori eng yaxshisi degan savol hali ham ochiq.

N.I. Chura
Texnik maslahatchi
MChJ "Microvideo Group"

Yorug'likka sezgir tuzilishga qaramay, CCD analog sensordir. Yorug'lik matritsaga tushganda, har bir piksel zaryadni yoki elektronlar paketini to'playdi, u yukda o'qilganda piksellarning yoritilishiga mutanosib video signal kuchlanishiga aylanadi. Ushbu zaryadning oraliq o'tishlarining minimal soni va faol qurilmalarning yo'qligi sezgir CCD elementlarining yuqori identifikatsiyasini ta'minlaydi.

CMOS sensori - bu Active Pixel Sensorli raqamli qurilma. Har bir pikselning o'ziga xos kuchaytirgichi mavjud, bu sezgir elementning zaryadini voltajga aylantiradi. Bu har bir pikselni amalda individual ravishda boshqarish imkoniyatini beradi.

CCD ning rivojlanishi

1969 yilda Bell Laboratories (yoki Bell Labs) tomonidan CCD ixtiro qilinganidan beri tasvir sensori hajmi doimiy ravishda kamayib bormoqda. Shu bilan birga, sezgir elementlar soni ortdi. Bu tabiiy ravishda bitta sezgir element (piksel) hajmini va shunga mos ravishda uning sezgirligini pasayishiga olib keldi. Masalan, 1987 yildan beri bu o'lchamlar 100 baravar kamaydi. Ammo yangi texnologiyalar tufayli bitta elementning (va shuning uchun butun matritsaning) sezgirligi oshdi.

Hukmronlik qilishga nima imkon berdi
Dastlab, CCDlar dominant sensorlarga aylandi, chunki ular tasvir sifati yaxshiroq, shovqin kamroq, yuqori sezgirlik va piksellarning bir xilligini ta'minlaydi. Texnologiyani takomillashtirish bo'yicha asosiy harakatlar CCD ishlashini yaxshilashga qaratilgan.

Qanday sezgirlik o'sadi
1990-yillarning oxiridagi mashhur Sony HAD standart ta'rifi (500x582) bilan taqqoslaganda. (ICX055) Keyinchalik rivojlangan Super HAD texnologiyasining sezgirligi deyarli 3 baravar (ICX405) va Ex-view HAD - 4 baravar (ICX255) oshdi. Bundan tashqari, oq-oq va rangli versiyalar uchun.

Yuqori aniqlikdagi matritsalar uchun (752x582) muvaffaqiyat biroz ta'sirchan, ammo Super HAD rangli tasvir modellarini eng zamonaviy Ex-view HAD II va Super HAD II texnologiyalari bilan taqqoslasak, sezgirlikning o'sishi mos ravishda 2,5 va 2,4 marta bo'ladi. Va bu piksel o'lchamlari deyarli 30% ga kamayganiga qaramay, chunki PAL standarti uchun 976x582 gacha bo'lgan piksellar sonining ko'payishi bilan eng zamonaviy 960H formatidagi matritsalar haqida gapiramiz. Sony ushbu signalni qayta ishlash uchun bir qator Effio signal protsessorlarini taklif etadi.

IQ komponenti qo'shildi
Integral sezgirlikni oshirishning samarali usullaridan biri bu sezgirlikning spektral xususiyatlarini infraqizil diapazonga uzaytirishdir. Bu, ayniqsa, Ex-view matritsasi uchun to'g'ri keladi. IQ komponentini qo'shish ranglarning nisbiy yorqinligini uzatishni biroz buzadi, ammo bu oq va qora versiya uchun juda muhim emas. Yagona muammo doimiy IQ sezgirligi bilan, ya'ni mexanik IQ filtrsiz kunduzgi / tungi kameralarda ranglarni ko'paytirish bilan bog'liq.

Ex-view HAD II modellarida (ICX658AKA) ushbu texnologiyaning oldingi versiyasiga (ICX258AK) nisbatan rivojlanishi ajralmas sezgirlikni atigi 0,8 dB ga (1100 dan 1200 mV gacha) 950 nm to'lqin uzunligidagi sezgirlikni bir vaqtning o'zida 4 ga, 5 dB. Shakl. 1 ushbu matritsalarning spektral sezgirligining xususiyatlarini ko'rsatadi va shakl. 2 - ularning ajralmas sezgirligining nisbati.

Optik yangilik
CCD sezgirligini oshirishning yana bir usuli bu pikselli mikrolensiyalarning samaradorligini oshirish, yorug'likka sezgir maydon va rang filtrlarini optimallashtirishdir. Shakl. 3-rasmda so'nggi modifikatsiyadagi linzalar maydoni va yorug'likka sezgir maydon kattalashganligi ko'rsatilgan Super HAD va Super HAD II massivi ko'rsatilgan.

Bundan tashqari, Super HAD II matritsalari yorug'lik filtrlarining o'tkazilishini va ularning pasayishiga chidamliligini sezilarli darajada oshiradi. Bundan tashqari, spektrning qisqa to'lqinli mintaqasida (ko'k) uzatish kengaytirildi, bu ranglarni ko'rsatish va oq rang balansini yaxshilaydi.

Shakl. 4 Sony 1/3 "Super HAD (ICX229AK) va Super HAD II (ICX649AKA) matritsalarining sezgirligining spektral xususiyatlarini ko'rsatadi.

CCD: noyob sezgirlik

Ushbu chora-tadbirlar birgalikda CCDlarning ish faoliyatini yaxshilashda muhim natijalarga erishdi.

Zamonaviy modellarning xususiyatlarini oldingi versiyalar bilan taqqoslash mumkin emas, chunki o'sha paytda keng qo'llaniladigan rangli matritsalar, hattoki odatda yuqori aniqlikda ishlab chiqarilmadi. O'z navbatida, hozirda Ex-view HAD II va Super HAD II eng yangi texnologiyalaridan foydalangan holda standart aniqlikdagi oq-qora matritsalar ishlab chiqarilmaydi.

Qanday bo'lmasin, sezgirlik nuqtai nazaridan CCDlar hali ham CMOS uchun erishib bo'lmaydigan mezon hisoblanadi, shuning uchun ular juda qimmat va asosan maxsus vazifalar uchun ishlatiladigan megapikselli versiyalar bundan mustasno.

CMOS: ijobiy va salbiy tomonlari

CMOS datchiklari 1970-yillarning oxirlarida ixtiro qilingan, ammo texnologik muammolar tufayli ishlab chiqarish faqat 1990-yillarda boshlangan. Va darhol ularning asosiy afzalliklari va kamchiliklari bayon qilindi, ular bugungi kunda ham dolzarb bo'lib qolmoqda.

Afzalliklar orasida sensorning katta integratsiyasi va samaradorligi, kengroq dinamik diapazon, ishlab chiqarish qulayligi va arzonligi, ayniqsa megapikselli variantlar mavjud.

Boshqa tomondan, CMOS datchiklari past darajada sezgirlikka ega, chunki boshqa narsalar teng, RGB strukturasining filtrlarida katta yo'qotishlar, yorug'likka sezgir elementning kichikroq maydoni. O'tish elementlarining ko'pligi, shu jumladan har bir piksel yo'lidagi kuchaytirgichlar natijasida CCD ga nisbatan barcha sezgir elementlarning parametrlarining bir xilligini ta'minlash ancha qiyinlashadi. Ammo texnologiyaning rivojlanishi CMOS sezgirligini eng yaxshi CCD namunalariga, ayniqsa megapikselli versiyalarga yaqinlashtirdi.

CMOS-ning dastlabki tarafdorlari ushbu tuzilmalar ancha arzon bo'ladi, chunki ular xotira va mantiqiy chiplar bilan bir xil apparat va texnologiyalar asosida ishlab chiqarilishi mumkin edi. Ko'p jihatdan, bu taxmin tasdiqlandi, ammo to'liq emas, chunki texnologiyaning takomillashishi CCD uchun bo'lgani kabi murakkabligi jihatidan deyarli bir xil ishlab chiqarish jarayoniga olib keldi.

Iste'molchilar doirasi standart televizordan tashqarida kengayishi bilan matritsalarning o'lchamlari doimiy ravishda o'sishni boshladi. Bu maishiy videokameralar, elektron kameralar va aloqa vositalariga o'rnatilgan kameralar. Aytgancha, mobil qurilmalar uchun samaradorlik masalasi juda muhim va bu erda CMOS sensorining raqobatchisi yo'q. Masalan, 1990-yillarning o'rtalaridan boshlab. matritsalarning o'lchamlari har yili 1-2 million elementga ko'payib, endi 10-12 Mpx ga yetdi. Bundan tashqari, CMOS datchiklariga bo'lgan talab ustun bo'lib, bugungi kunda 100 million donadan oshdi.

CMOS: yaxshilangan sezgirlik

1990-yillarning oxiri - 2000-yillarning boshlarida CMOS datchiklari bilan kuzatuv kameralarining dastlabki namunalari 352x288 piksel o'lchamlari va hatto oq-qora versiyasi uchun ham 1 lyuksga sezgir edi. Standart ta'rifning rangli versiyalari taxminan 7-10 lyuks sezgirlikka ega edi.

Ta'minlovchilar nima taklif qiladilar
Hozirgi vaqtda CMOS matritsalarining sezgirligi albatta oshdi, ammo rangli tasvirning tipik versiyalari uchun u ob'ektiv sonning (1.2-1.4) o'rtacha F qiymatlarida bir nechta lyuks darajasining qiymatidan oshmaydi. Buni IP-video kuzatuv markalarining texnik xususiyatlari ma'lumotlari tasdiqlaydi, ular CMOS datchiklaridan progressiv skanerdan foydalanadilar. Lyuksning o'ndan bir qismiga nisbatan sezgirligini e'lon qiladigan ishlab chiqaruvchilar, odatda, bu pastroq kvadrat tezligi, to'planish rejimi yoki hech bo'lmaganda yoqilgan va etarlicha chuqur AGC (AGC) uchun ma'lumot ekanligini aniqlaydilar. Bundan tashqari, ba'zi bir IP-kameralar ishlab chiqaruvchilari uchun maksimal AGC aqlga sig'maydigan qiymatni -120 dB (1 million marta) ga etadi. Umid qilamizki, ushbu holatga nisbatan sezgirlik, ishlab chiqaruvchilarning fikriga ko'ra, shovqin-shovqin nisbati munosib bo'lib, ekrandagi qordan ko'proq narsani ko'rishga imkon beradi.

Innovatsiya video sifatini yaxshilaydi
CMOS datchiklarining xususiyatlarini yaxshilash maqsadida Sony bir qator yangi texnologiyalarni taklif qildi, ular megapikselli versiyalarda sezgirlik, signal-shovqin nisbati bo'yicha CMOS datchiklarini CCD bilan amaliy taqqoslashni ta'minlaydi.

Exmor matritsalarini ishlab chiqarishning yangi texnologiyasi yorug'lik oqimining matritsaga tushish yo'nalishini o'zgartirishga asoslangan. Odatdagi me'morchilikda yorug'lik silikon gofretning old yuzasiga matritsa zanjirining o'tkazgichlari orqali o'tib ketadi. Ushbu elementlar nurni tarqatib yuboradi va to'sib qo'yadi. Yangi modifikatsiyada yorug'lik silikon gofretning orqa qismiga kiradi. Bu CMOS matritsasining sezgirligi va shovqin pasayishini sezilarli darajada oshirishga olib keldi. Shakl. 5-rasmda ko'rsatilgan odatiy matritsa va Exmor matritsalarining tuzilmalari o'rtasidagi farqni aks ettiradi.

1-rasmda 100 lyuks yoritishda (F4.0 va 1/30 s) CCD (frontal yoritish) va CMOS Exmor kamerasi bilan bir xil formatdagi va o'lchamlari 10 Mpx bo'lgan holda olingan sinov ob'ekti tasvirlari ko'rsatilgan. Shubhasiz, CMOS kamera tasviri hech bo'lmaganda CCD tasviri bilan yaxshi.

CMOS datchiklarining sezgirligini oshirishning yana bir usuli - qizil va ko'k rangli elementlarning qatorma-navbat siljishi bilan piksellarning to'rtburchaklar tartibidan voz kechish. Bunday holda, bitta o'lchamdagi elementni qurishda ikkita yashil piksel - turli xil chiziqlardan ko'k va qizil ishlatiladi. Buning o'rniga bitta o'lcham elementini yaratish uchun oltita qo'shni yashil elementlardan foydalangan holda elementlarning diagonal joylashuvi taklif etiladi. Ushbu texnologiya ClearVid CMOS deb nomlanadi. Qayta ishlash uchun yanada kuchli tasvir signallari protsessori qabul qilinadi. Rangli elementlarning joylashish tuzilmalaridagi farq shakl. 6.

Ma'lumotlar yuqori tezlikdagi parallel analog-raqamli konvertor tomonidan o'qiladi. Shu bilan birga, progressiv skanerlashning kvadrat tezligi 180 va hatto 240 kvadrat / s ga yetishi mumkin. Parallel ma'lumot olish CMOS kameralari uchun odatiy diagonali siljishni ketma-ket ta'sir qilish va signallarni o'qish tezligini yo'q qiladi, bu tez harakatlanuvchi narsalarning xarakterli loyqalanishi umuman yo'q bo'lganda - Rolling Shutter effekti deb ataladi.

2-rasmda CMOS kamerasi tomonidan sekundiga 45 va 180 kvadrat tezlikda olingan aylanuvchi fanat tasvirlari ko'rsatilgan.

To'liq raqobat

Biz misol sifatida Sony texnologiyalarini keltirdik. Tabiiyki, CMOS matritsalari, CCD singari, boshqa kompaniyalar tomonidan ishlab chiqariladi, garchi bunday miqyosda va unchalik taniqli bo'lmasa ham. Qanday bo'lmasin, har bir kishi, biron bir tarzda, taxminan bir xil yo'l tutadi va shunga o'xshash texnik echimlardan foydalanadi.

Xususan, Panasonic Live-MOS matritsalarining taniqli texnologiyasi ham CMOS matritsalarining xususiyatlarini sezilarli darajada yaxshilaydi va tabiiy ravishda shunga o'xshash usullar bilan. Panasonic matritsalarida fotodioddan mikrolensgacha bo'lgan masofa kamayadi. Fotodiod yuzasidan signallarning soddalashtirilgan uzatilishi. Tekshirish signallari soni 3 dan (standart CMOS) 2 ga (CCDda bo'lgani kabi) qisqartirildi, bu esa pikselning yorug'lik sezgirligini oshirdi. Kam shovqinli fotodiodli kuchaytirgich ishlatiladi. Yupqaroq datchik qatlami tuzilishi ishlatiladi. Kamaytirilgan ta'minot kuchlanishi shovqin va matritsali isitishni kamaytiradi.

Megapikselli CMOS matritsalari CCD-lar bilan nafaqat narxlari bo'yicha, balki ushbu texnologiyaning sezgirligi va shovqin darajasi kabi muammoli xususiyatlarida ham muvaffaqiyatli raqobatlasha olishini ta'kidlash mumkin. Biroq, an'anaviy CCTV televizion formatlarida CCD matritsalari tengsiz bo'lib qolmoqda.

Matritsa har qanday foto yoki video qurilmaning asosidir. Olingan tasvirning sifati va hajmini aniqlaydi. Bugungi kunda matritsalarni ishlab chiqarishda ikkita turli xil texnologik printsiplar qo'llaniladi - CCD va CMOS. Kimdir ko'pincha savolni eshitadi: "Qaysi matritsani tanlash kerak: CCD yoki CMOS?" Foto va video texnika muxlislari orasida bu borada qizg'in bahs-munozaralar mavjud. Ushbu maqolada biz ushbu ikki turni ko'rib chiqamiz va qaysi matritsa yaxshiroq ekanligini aniqlashga harakat qilamiz - CCD yoki CMOS.

umumiy ma'lumot

Matritsalar ularning yuzasida yorug'lik nurlari parametrlarini raqamlashtirish uchun mo'ljallangan. Texnologiyalardan birining aniq ustunligi haqida gapirish mumkin emas. Taqqoslashlar aniq parametrlarga muvofiq amalga oshirilishi mumkin va u yoki bu jihatdan etakchini aniqlash mumkin. Foydalanuvchilarning afzalliklariga kelsak, ko'pincha ular uchun raqobatchisidan sifati yoki texnik xususiyatlari jihatidan pastroq bo'lsa ham, mahsulot tannarxi asosiy mezondir.

Keling, ikkala turdagi qurilmalarning nima ekanligini ko'rib chiqaylik. CCD-matritsa - bu nurga sezgir fotodiodlardan tashkil topgan mikrosxem; u kremniyga asoslangan. Uning ishining o'ziga xos xususiyati zaryadlangan qurilmaning ishlash printsipiga bog'liq. CMOS-matritsa - bu har xil o'tkazuvchanlik kanallari bo'lgan izolyatsiya qilingan eshikka ega bo'lgan yarimo'tkazgich asosida yaratilgan qurilma.

Ish printsipi

Tanlovni aniqlashga yordam beradigan farqlarni aniqlashga o'tamiz: qaysi biri yaxshiroq - CMOS matritsasi yoki CCD? Ushbu ikkita texnologiya o'rtasidagi asosiy farq ularning ishlashida. CCD qurilmalari zaryadni piksellardan elektr potentsialiga aylantiradi, bu esa sezgir sensorlardan tashqarida kuchaytiriladi. Natijada analog tasvir hosil bo'ladi. Shundan so'ng, butun rasm ADC-da raqamlashtiriladi. Ya'ni, qurilma ikki qismdan iborat - matritsaning o'zi va transduser. CMOS texnologiyasi har bir pikselni alohida raqamlashtirishi bilan ajralib turadi. Chiqish - bu tayyor raqamli rasm. Ya'ni, matritsa pikselidagi elektr zaryadi kondensatorda to'planib, undan elektr potentsiali chiqarib tashlanadi. U analog kuchaytirgichga uzatiladi (to'g'ridan-to'g'ri pikselga o'rnatilgan), undan keyin u konvertorda raqamlashtiriladi.

CCD yoki CMOS ni tanlashingiz kerakmi?

Ushbu texnologiyalar o'rtasida tanlovni belgilaydigan muhim parametrlardan biri bu matritsa kuchaytirgichlarining soni. CMOS qurilmalarida ushbu qurilmalarning soni ko'proq (har bir nuqtada), shuning uchun signal o'tayotganda rasm sifati biroz pasayadi. Shuning uchun CCD-matritsalari yuqori darajadagi tafsilotlarga ega bo'lgan rasmlarni yaratish uchun ishlatiladi, masalan, tibbiyot, tadqiqot va ishlab chiqarish maqsadlarida. Ammo CMOS texnologiyalari asosan maishiy texnika vositalarida qo'llaniladi: veb-kameralar, smartfonlar, planshetlar, noutbuklar va boshqalar.

Qaysi turi yaxshiroq ekanligini aniqlaydigan keyingi parametr - CCD yoki CMOS - bu fotodiodlarning zichligi. U qanchalik baland bo'lsa, fotosuratlar shunchalik kamroq "yo'qoladi", mos ravishda tasvir yaxshi bo'ladi. Ushbu parametrda CCD matritsalari o'zlarining raqobatchilarini chetlab o'tishadi, chunki ular bunday bo'shliqlarga ega bo'lmagan tartibni taklif qilishadi, CMOS esa ularga ega (tranzistorlar ular ichida joylashgan).

Shunga qaramay, foydalanuvchi tanlovga ega bo'lganda: qaysi birini sotib olish kerak - CMOS yoki CCD - asosiy parametr paydo bo'ladi - qurilma narxi. CCD texnologiyasi raqobatchisiga qaraganda ancha qimmatroq va ko'proq energiya talab qiladi. Shuning uchun ularni o'rtacha sifatli tasvir etarli bo'lgan joyda o'rnatish maqsadga muvofiq emas.

CMOS sensori

CMOS massivlarida har xil o'tkazuvchanlik kanallari bo'lgan izolyatsiya qilingan eshikli dala effektli tranzistorlar qo'llaniladi.

Tarix

1960-yillarning oxirlarida. ko'plab tadqiqotchilar CMOS tuzilmalari yorug'likka sezgir ekanligini ta'kidladilar. Biroq, CCD qurilmalari shu qadar yuqori sezgirlik va tasvir sifatini ta'minladiki, CMOS datchiklari sezilarli darajada rivojlanmadi.

1990-yillarning boshlarida CMOS sensorlarining xususiyatlari, shuningdek ishlab chiqarish texnologiyasi sezilarli darajada yaxshilandi. Submikron fotolitografiyasining yutuqlari CMOS datchiklarida ingichka birikmalardan foydalanish imkonini berdi. Bu matritsaning nurlangan maydonining katta foizidan kelib chiqqan holda yorug'lik sezgirligini oshirishga olib keldi.

CMOS sensor texnologiyasidagi inqilob NASA ning Jet Propulsion Laboratoriyasi (JPL) Active Pixel Sensors (APS) ni muvaffaqiyatli tatbiq etganida yuz berdi. - faol pikselli sensorlar . Nazariy tadqiqotlar bir necha o'n yillar oldin amalga oshirildi, ammo faol sensorni amaliy ishlatish 1993 yilga qoldirildi. APS har bir pikselga o'qish uchun tranzistorli kuchaytirgich qo'shadi, bu zaryadni to'g'ridan-to'g'ri pikselda voltajga aylantirish imkonini beradi. Bundan tashqari, u RAM mikrosxemalarida bajarilganiga o'xshash fotodetektorlarga tasodifiy kirishni ta'minladi.

Natijada, 2008 yilga kelib CMOS deyarli CCD ga alternativa bo'ldi.

Bu yil Barselonadagi MWC-da Samsung smartfonlarga mo'ljallangan yangi turdagi CMOS datchiklarini namoyish etdi.

Ish printsipi

• Qayta tiklash signali tortishishdan oldin beriladi
• Ta'sir paytida zaryad fotodiod tomonidan to'planadi
• O'qish jarayonida kondansatördeki kuchlanish qiymati namuna olinadi

Foyda

• CMOS texnologiyasining asosiy afzalligi uning kam statik quvvat sarfidir. Bu bunday matritsalarni uchuvchan bo'lmagan qurilmalarning bir qismi sifatida, masalan, ko'pincha "uyqu" yoki "hodisani kutish" rejimida bo'lgan harakat sensorlari va kuzatuv tizimlarida ishlatishga imkon beradi.
• CMOS matritsasining muhim afzalligi - bu uskunaning qolgan qismi, raqamli elementlari bilan texnologiyaning birligi. Bu analog, raqamli va ishlov beradigan qismlarni bitta kristallda birlashtirish imkoniyatiga olib keladi (CMOS texnologiyasi, avvalambor protsessor texnologiyasi bo'lib, nafaqat yorug'likni "tutib olish" ni, balki signallarni konvertatsiya qilish, qayta ishlash, tozalash jarayonini ham nazarda tutadi. va CEA-ning uchinchi tomon komponentlari), bu juda ko'p turli xil uskunalar uchun kameralarni minatuallashtirish uchun asos bo'lib xizmat qildi va qo'shimcha protsessor chiplari rad etilishi sababli ularning narxini pasaytirdi.
• Tasodifiy kirish mexanizmi tanlangan piksel guruhlarini o'qiy oladi. Ushbu operatsiya derazalarni o'qish deb nomlanadi. Kesish sizga olingan tasvir hajmini kamaytirishga imkon beradi va CCD sensorlariga nisbatan o'qish tezligini oshirishi mumkin, chunki ikkinchisida keyingi ishlov berish uchun barcha ma'lumotlar tushirilishi kerak. Bir xil matritsani printsipial ravishda turli xil rejimlarda ishlatish mumkin bo'ladi. Xususan, piksellarning faqat kichik bir qismini tezda o'qib, qurilmaga o'rnatilgan ekrandagi tasvirni nisbatan past piksellar sonini yuqori sifatli jonli ko'rish rejimini ta'minlash mumkin. Siz kadrning faqat bir qismini skanerlashingiz va uni to'liq ekranli displeyda qo'llashingiz mumkin. Shunday qilib, yuqori sifatli qo'lda fokuslash imkoniyatini qo'lga kiritish. Kichikroq kvadrat o'lchamlari va o'lchamlari bilan reportajni yuqori tezlikda suratga olish mumkin.
• Piksel ichidagi kuchaytirgichga qo'shimcha ravishda, kuchaytirish davrlari signal yo'lining istalgan joyiga joylashtirilishi mumkin. Bu sizga kuchaytirish bosqichlarini yaratishga va kam yorug'lik sharoitida sezgirlikni oshirishga imkon beradi. Har bir rang uchun daromadni o'zgartirish qobiliyati, xususan, oq rang balansi yaxshilanadi.
• CCD matritsalari bilan solishtirganda ishlab chiqarishning arzonligi, ayniqsa katta matritsa o'lchamlari bilan.

kamchiliklar

• Hujayra fotodiodasi matritsa elementining to'liq kadr uzatish CCD ga nisbatan ancha kichik maydonini egallaydi. Shuning uchun dastlabki CMOS datchiklari CCD sezgirlariga nisbatan sezilarli darajada past nur sezgirligiga ega edi. Ammo 2007 yilda Sony Exmor texnologiyasiga ega yangi avlod CMOS video va kameralarining yangi liniyasini ishga tushirdi, u ilgari faqat CMOS datchiklari uchun faqat elektron teleskoplar kabi o'ziga xos optik qurilmalarda ishlatilgan. Ushbu matritsalarda fotonlarning yorug'likka sezgir elementni urishiga to'sqinlik qiladigan pikselning elektron "bog'lanishi" matritsaning yuqori qismidan pastki qatlamiga ko'chirildi, bu pikselning fizik hajmini matritsaning bir xil geometrik o'lchamlari bilan va shu bilan birga elementlarning nurga kirish imkoniyatini oshirishga imkon berdi. har bir pikselning va umuman matritsaning yorug'lik sezgirligi. Birinchi marta CMOS matritsalari yorug'lik sezgirligi jihatidan CCD bilan taqqoslandi, ammo ular energiyani tejaydigan va CCD texnologiyasining asosiy kamchiligidan mahrum bo'lgan nuqta nuridan "qo'rqish" bo'lib chiqdi. 2009 yilda Sony EXMOR CMOS sensorini "Orqa yoritish yoritgichi" texnologiyasi bilan kuchaytirdi. Texnologiyaning g'oyasi sodda va nomga to'liq mos keladi.
• Matritsa katakchasining fotodiodasi nisbatan kichik o'lchamga ega, natijada hosil bo'lgan kuchlanish kuchi nafaqat fotodiodning parametrlariga, balki har bir piksel elementining xususiyatlariga ham bog'liq. Shunday qilib, matritsaning har bir pikseli o'ziga xos xarakterli egri chiziqqa ega va tarqalish muammosi paydo bo'ladi

Kamera, bunday matritsalarning xususiyatlari, afzalliklari va kamchiliklari.

Xizmatiga CCDlar tegishli bo'lishi mumkin:

• Piksel maydonidan yuqori darajada foydalanish (100% ga yaqin);
• nisbatan past;
• juda yuqori samaradorlik;
• etarlicha katta.

Kamchiliklari CCDlar bog'liq:

• yuqori energiya intensivligi;
• ma'lumotni o'qishning ancha murakkab jarayoni;
• qimmat ishlab chiqarish.

Zamonaviy raqamli kameralar nafaqat CCD asosida ishlaydigan sensorlardan foydalanadi CMOS sensorlari, bunday matritsalar bilan jihozlangan kameralar ulushi doimiy ravishda o'sib bormoqda.

Kameraning CMOS-matritsasi.

O'tgan asrning 60-yillari oxirlarida olimlar CMOS tuzilmalarining yorug'likni idrok etish qobiliyatini bilishar edi. Biroq, CCD tuzilmalari yorug'likka va tasvirning yuqori sifatiga nisbatan yuqori sezgirlikni ta'minladi. Shuning uchun CMOS matritsalari keng qo'llanilmagan. 90-yillarning boshlarida xarakteristikalar CMOS matritsalari va ularning ishlab chiqarilishi ancha yaxshilandi, bu esa bu o'liklarni kengroq qabul qilinishiga olib keldi. Faol pikselli sensorlar (APS) yaratilgan Jet Propulsion Laboratoriyasida (JPL NASA) yangi kashfiyotlar qilindi. Xulosa shuki, har biriga tranzistor signal kuchaytirgichi qo'shildi, bu zaryadni to'g'ridan-to'g'ri pikselning o'zida voltajga aylantirishga imkon berdi. Shu tufayli, printsipial ravishda RAM zanjirlariga o'xshash individual piksellarga tasodifiy kirish mumkin bo'ldi.

Natijada, 2008 yilga kelib CMOS matritsalari CCD matritsalariga alternativa bo'ldi.

CMOS matritsasi (qo'shimcha metall-oksid-yarimo'tkazgich tuzilishi), ingliz tilida transkripsiyasi - CMOS (Qo'shimcha metall oksidi yarimo'tkazgich), asosan CCD matritsasiga o'xshaydi. Xuddi CCDda bo'lgani kabi, elektronlar yorug'lik ta'sirida hosil bo'ladi.

CMOS xujayralari izolyatsiyalangan eshikli dala effektli tranzistorlar va har xil o'tkazuvchanlik kanallariga ega.

CCD elementidan farqli o'laroq, har bir katak CMOS sensorlari qo'shimcha ravishda zaryadni to'g'ridan-to'g'ri kamerada voltajga aylantiradigan pikselli kamarlar deb nomlangan elektron qurilmalar mavjud.

1-rasmda CMOS elementi uchun ekvivalent sxemasi ko'rsatilgan.

Shakl.1. CMOS elementining ekvivalent elektr davri.

1 - LED. 2 - elektron deklanşör. 3 - fotodioddan zaryad yig'adigan kondensator. 4 - signal kuchaytirgichi. 5 qatorli o'qish avtobusi. 6 - signal protsessorga uzatiladigan avtobus. 7 - qayta tiklash signalini etkazib berish liniyasi.

Yuqoridagi sxemaning ishlash printsipi:

rasm olishdan oldin 7-qator bo'ylab reset signal yuboriladi;

fotodiodga yorug'lik tushganda, unda yorug'lik oqimining intensivligiga mutanosib ravishda zaryad hosil bo'ladi, bu esa kondensatorni zaryad qiladi;

kondensatorni zaryadsizlantirish orqali signal elementdan o'qiladi, hosil bo'lgan oqim kuchaytirgichga, so'ngra ishlov berish pallasiga uzatiladi.

Matritsani sinxronlashtirish ustunlar va qatorlarning manzilli avtobuslari orqali amalga oshiriladi.

Ushbu sxema tufayli zaryadni to'g'ridan-to'g'ri piksellar guruhidan (va CCD matritsasidagi kabi hujayralar bo'yicha ketma-ket emas) yoki hatto alohida piksellardan o'qish mumkin bo'ladi. Bunday matritsada ustunlar va qatorlarni almashtirish registrlariga ehtiyoj qolmaydi, bu esa matritsadan ma'lumotlarni o'qish jarayonini ancha tezlashtiradi. Matritsaning quvvat sarfi ham sezilarli darajada kamayadi.

Texnologiyalarni rivojlantirishdagi yutuqlar, xususan, yuqori sifatli kremniy plitalarini ishlab chiqarish va CMOS elementining kuchaytirgich sxemasini takomillashtirish, ikkinchisi natijada olingan tasvir sifatiga CCD elementi bilan deyarli bir xil darajada erishishiga olib keldi.

CMOS afzalliklari:

Avvalo, CMOS matritsasida axborotni qayta ishlash zanjiri CCD matritsasida bo'lgani kabi uzoq bo'lmaganligi sababli quvvat iste'moli sezilarli darajada kamayadi, ayniqsa kam quvvat sarfida CMOS matritsasi statik rejimda farq qiladi.

CMOS matritsali hujayra sxemasi uni to'g'ridan-to'g'ri analog-raqamli konvertor bilan va hatto protsessor bilan birlashtirishga imkon beradi. Bu analog kristalni ham raqamli, ham ishlov beruvchini bitta kristallda birlashtirishga imkon beradi. Shu tufayli, qo'shimcha protsessor chiplariga ehtiyoj qolmagani uchun raqamli kameralarni yanada minatuallashtirish, ularning narxini pasaytirish mumkin bo'ldi.

CMOS hujayralariga tasodifiy kirish individual piksel guruhlarini o'qishga imkon beradi. Ushbu xususiyat qisqartirilgan o'qish deb nomlanadi, ya'ni CCD matritsasidan farqli o'laroq butun kadrning faqat bir qismini o'qish, bu erda ma'lumotni qayta ishlash uchun butun matritsani tushirish kerak. Bu tasvirning tezkor ko'rinishini ta'minlash uchun kameraning o'rnatilgan displeyida ma'lumotlarning faqat bir qismini nisbatan kichik piksellar soniga ega bo'lishiga imkon beradi. Bu ko'rish uchun etarli bo'ladi, siz diqqatni aniqligini boshqarishingiz mumkin va hokazo.

Bunga qo'shimcha ravishda, tezroq ketma-ket tortishish uchun siz uni kichikroq o'lchamdagi va pastroq aniqlikda o'tkazishingiz mumkin.

CMOS matritsasining yana bir afzalligi - bu CMOS elementi ichidagi kuchaytirgichga kuchaytiruvchi bosqichlarni qo'shish va shu bilan matritsaning sezgirligini sezilarli darajada oshirishdir. Va har bir rang uchun daromadni sozlash qobiliyati yaxshilanishi mumkin.

CMOS massivlarini ishlab chiqarish CCD-larga qaraganda sodda va arzonroq; uni mikroelektronika ishlab chiqaradigan deyarli har qanday zavod o'zlashtirishi mumkin. Bu, ayniqsa, katta matritsalarni ishlab chiqarishda to'g'ri keladi.

CMOS sensorining kamchiliklari:

CMOS matritsasining CCD matritsasi bilan taqqoslaganda kamchiliklariga, avvalambor, piksel atrofida elektron tasma borligi sababli elementning fotosensitiv qismining pasayishi kiradi. Shuning uchun dastlab CMOS datchiklari CCD ga nisbatan sezgirligini ancha past bo'lgan. Bu 2007 yilda Sony tomonidan ilgari elektron teleskoplar kabi maxsus qurilmalarda ishlatilgan EXMOR texnologiyasidan foydalangan holda ishlab chiqarilgan CMOS datchiklarini ishlab chiqishi va sotishi bilan o'zgargan. Elektron pog'onani elementning pastki qatlamiga ko'chirish orqali pikselning fotosensitiv qismi kattalashtirildi, u erda yorug'lik tushishiga xalaqit bermadi. Bu har bir piksel va butun matritsaning sezgirligini oshirishga olib keldi.

CMOS matritsasi elementlarining har birida elektron elementlar ham mavjud bo'lib, ular elektron sxemalarning xususiyatlariga ko'ra o'zlarining shovqinlariga ega va bu shovqin fotosensitiv elementning o'zi shovqiniga qo'shiladi. Va har bir piksel uchun bu shovqin darajasi boshqacha.

Har bir pikseldan olingan signalning kattaligi nafaqat fotodiodning o'ziga xos xususiyatlariga, balki pikselning elektron tasmasining har bir elementining xususiyatlariga ham bog'liqdir. Demak, har bir CMOS elementining o'ziga xos xususiyati bor