CMOS matritsasi: qurilmaning xususiyatlari, funktsiyalari va ishlash printsipi. CMOS va CCD matritsalari

Sensor raqamli kameraning asosiy elementidir

har qanday raqamli video yoki foto kameraning yuragi (bugungi kunda ushbu turdagi qurilmalar o'rtasidagi chegaralar asta-sekin xiralashib bormoqda) yorug'likka sezgir sensor. U elektron sxemalar yordamida qo'shimcha ishlov berish uchun ko'rinadigan yorug'likni elektr signallariga aylantiradi. Maktab fizikasi kursidan ma'lumki, yorug'likni elementar zarralar oqimi - fotonlar deb hisoblash mumkin. Ba'zi yarimo'tkazgichli materiallar yuzasiga tushgan fotonlar elektronlar va teshiklarning paydo bo'lishiga olib kelishi mumkin (esda tutingki, yarimo'tkazgichlardagi teshik, odatda yarimo'tkazgich moddaning atomlari orasidagi kovalent bog'lanishlarning uzilishi natijasida hosil bo'lgan elektron uchun bo'sh joy deb ataladi). Yorug'lik ta'sirida elektron teshiklari juftlarini yaratish jarayoni foton energiyasi elektronni "ona" yadrosidan "yulib" va uni o'tkazuvchanlik zonasiga o'tkazish uchun etarli bo'lgandagina mumkin bo'ladi. Fotonning energiyasi tushayotgan nurning to'lqin uzunligiga bevosita bog'liq, ya'ni nurlanish rangiga bog'liq. Ko'rinadigan (ya'ni inson ko'zi tomonidan seziladigan) diapazonda foton energiyasi silikon kabi yarimo'tkazgichli materiallarda elektron teshik juftlarini hosil qilish uchun etarli.

Yaratilgan fotoelektronlar soni intensivlikka to'g'ri proportsional bo'lgani uchun yorug'lik oqimi, tushayotgan yorug'lik miqdorini u hosil qilgan zaryadning kattaligi bilan matematik ravishda bog'lash mumkin bo'ladi. Fotosensitiv datchiklarning ishlash printsipi aynan shu oddiy fizik hodisaga asoslanadi. Sensor beshta asosiy operatsiyani bajaradi: fotonlarni yutadi, ularni zaryadga aylantiradi, saqlaydi, uzatadi va voltajga aylantiradi. Ishlab chiqarish texnologiyasiga qarab, har xil sensorlar fotoelektronlarni saqlash va to'plash vazifalarini turli yo'llar bilan bajaradilar. Bundan tashqari, saqlanadigan elektronlarni elektr kuchlanishiga aylantirish uchun turli xil usullardan foydalanish mumkin ( analog signal), bu esa o'z navbatida raqamli signalga aylanadi.

CCD sensorlari

Tarixiy jihatdan, birinchi CCD deb nomlangan videokameralar uchun sezgir elementlar sifatida ishlatilgan, ularning ommaviy ishlab chiqarilishi 1973 yilda boshlangan. CCD qisqartmasi Charge Coupled Device degan ma'noni anglatadi; ingliz adabiyotida CCD (Charge-Coupled Device) atamasi ishlatiladi. Eng oddiy CCD sensori - yorug'lik ta'sirida elektr zaryadini saqlashga qodir bo'lgan kondansatör. Dielektrik qatlam bilan ajratilgan ikkita metall plitalardan tashkil topgan an'anaviy kondansatör bu erda ishlamaydi, shuning uchun MOS kondansatkichlari ishlatiladi. Ichki tuzilishi bo'yicha bunday kondensatorlar metall, oksid va yarimo'tkazgich sendvichidir (ular o'zlarining nomlarini ishlatilgan komponentlarning birinchi harflaridan olgan). Yarimo'tkazgich sifatida p-tipli qo'shilgan kremniy, ya'ni nopoklik atomlari (doping) qo'shilishi tufayli ortiqcha teshiklar hosil bo'lgan yarimo'tkazgich ishlatiladi. Yarimo'tkazgich ustida dielektrikning yupqa qatlami (kremniy oksidi), tepasida esa dala effektli tranzistorlar terminologiyasiga rioya qilsangiz, darvoza vazifasini bajaradigan metall qatlami joylashgan (1-rasm).

Yuqorida ta'kidlab o'tilganidek, yarimo'tkazgichdagi yorug'lik ta'sirida elektron teshik juftlari hosil bo'ladi. Biroq, nasl berish jarayoni bilan birga teskari jarayon ham sodir bo'ladi - teshiklar va elektronlarning rekombinatsiyasi. Shuning uchun, hosil bo'lgan elektronlar va teshiklarni ajratish va ularni kerakli vaqt davomida ushlab turish uchun choralar ko'rish kerak. Darhaqiqat, so'rilgan yorug'likning intensivligi to'g'risida ma'lumot olib boradigan hosil bo'lgan fotoelektronlar soni. Darvoza va izolyatsiyalovchi dielektrik qatlami buning uchun mo'ljallangan. Deylik, darvozaga ijobiy salohiyat qo'llaniladi. Bu holda dielektrik orqali yarimo'tkazgichga kirib boradigan yaratilgan elektr maydonining ta'siri ostida asosiy zaryad tashuvchilar bo'lgan teshiklar dielektrikdan uzoqlasha boshlaydi, ya'ni yarimo'tkazgichga chuqur kirib boradi. Yarimo'tkazgich-izolyator interfeysida ko'pchilik tashuvchilarda tükenmiş bir mintaqa, ya'ni teshiklar hosil bo'ladi va bu mintaqaning kattaligi qo'llaniladigan potentsialning qiymatiga bog'liq. Aynan shu tükenmiş mintaqa fotoelektronlar uchun "ombor" hisoblanadi. Darhaqiqat, agar yarimo'tkazgich nurga duch kelsa, u holda hosil bo'lgan elektronlar va teshiklar qarama-qarshi yo'nalishda harakat qiladi - yarimo'tkazgichning ichki qismidagi teshiklar va tükenmiş qatlamga elektronlar. Ushbu qatlamda teshiklar bo'lmaganligi sababli, elektronlar kerakli vaqt davomida rekombinatsiya jarayonisiz u erda saqlanadi. Tabiiyki, elektronlarni to'plash jarayoni abadiy davom etishi mumkin emas. Ular bilan musbat zaryadlangan teshiklar o'rtasida elektronlar soni ko'payganda, darvoza tomonidan yaratilgan maydonga qarama-qarshi yo'naltirilgan induktsiya qilingan elektr maydoni paydo bo'ladi. Natijada yarimo'tkazgich ichidagi maydon nolga kamayadi, shundan so'ng teshiklar va elektronlarni fazoviy ajratish jarayoni imkonsiz bo'lib qoladi. Natijada, elektron teshikli juftlikning hosil bo'lishi uning rekombinatsiyasi bilan birga keladi, ya'ni tükenmiş qatlamdagi "ma'lumot" elektronlari soni ko'payishni to'xtatadi. Bunday holda, biz datchik hajmining oshib ketishi haqida gapirishimiz mumkin.

Biz ko'rib chiqqan sensor ikkita muhim vazifani bajarishga qodir - fotonlarni elektronga aylantirish va ularni saqlash. Ushbu ma'lumot elektronlarini tegishli konversion birliklarga o'tkazish, ya'ni ma'lumot olish muammosini hal qilish qoladi.

Xuddi shu dielektrik yuzasida bir emas, balki bir-biridan yaqin joylashgan bir nechta eshiklarni tasavvur qiling (2-rasm). Fotogeneratsiya natijasida elektronlar eshiklardan biri ostida to'plansin. Agar qo'shni eshikka nisbatan yuqori ijobiy potentsial qo'llanilsa, u holda elektronlar kuchliroq maydon mintaqasiga oqib kira boshlaydi, ya'ni bitta eshikdan boshqasiga o'tishni boshlaydi. Endi shuni aniq aytish kerakki, agar bizda eshiklar zanjiri bo'lsa, u holda ularga tegishli nazorat kuchlanishlarini qo'llash orqali biz lokalizatsiya qilingan zaryad paketini shunday tuzilma bo'ylab siljitishimiz mumkin. Aynan shu oddiy printsip asosida qurilmalar ishlaydi zaryad bilan bog'langan.

CCD-ning ajoyib xususiyati shundan iboratki, to'plangan zaryadni harakatlantirish uchun faqat uchta turdagi eshiklar etarli - bitta uzatuvchi, bitta qabul qiluvchi va bitta ajratuvchi, bir-biridan qabul qilish va uzatish juftlarini ajratib turuvchi va shu kabi uchliklarning bir xil nomdagi eshiklari bitta soat ichida bir-biriga ulanishi mumkin. faqat bitta tashqi terminalni talab qiladigan avtobus (3-rasm). Bu CCD-da eng oddiy uch fazali siljish registri.

Hozircha biz CCD sensorini faqat bitta tekislikda - yon kesma bo'ylab ko'rib chiqdik. Ko'rish maydonimizdan transvers yo'nalishda elektronni ushlab turish mexanizmi mavjud bo'lib, unda panjur uzun chiziqqa o'xshaydi. Yarimo'tkazgichning yoritilishi bunday chiziq bo'ylab bir xil emasligini hisobga olsak, yorug'lik ta'sirida elektronlarning hosil bo'lish tezligi darvoza bo'ylab o'zgarib turadi. Agar elektronlarni hosil bo'lish mintaqasi yaqinida lokalizatsiya qilish choralari ko'rilmasa, u holda diffuziya natijasida elektronlarning kontsentratsiyasi tenglashadi va uzunlamasına yo'nalishda yorug'lik intensivligining o'zgarishi haqida ma'lumot yo'qoladi. Tabiiyki, uzunlik bo'ylab ham, ko'ndalang yo'nalishda ham eshik o'lchamini bir xil qilish mumkin edi, ammo buning uchun CCD matritsasida juda ko'p eshiklar ishlab chiqarilishi kerak edi. Shuning uchun hosil bo'lgan elektronlarni bo'ylama yo'nalishda lokalizatsiya qilish uchun tarkibida dopant miqdori ko'paygan tor yarimo'tkazgichli lenta bo'lgan to'xtash kanallari (4-rasm) ishlatiladi. Nopoklik konsentratsiyasi qanchalik yuqori bo'lsa, bunday o'tkazgich ichida shuncha ko'p teshiklar hosil bo'ladi (har bir nopoklik atomi teshik paydo bo'lishiga olib keladi). Ammo teshiklarning kontsentratsiyasi uning ostidagi tükenme hududi qaysi maxsus voltajda hosil bo'lishini aniqlaydi. Yarimo'tkazgichdagi teshiklarning kontsentratsiyasi qanchalik yuqori bo'lsa, ularni chuqurlikka qaytarish shunchalik qiyin kechishi intuitiv ravishda aniq.

Biz ko'rib chiqqan CCD matritsasining tuzilishi sirt uzatish kanaliga ega CCD deb nomlanadi, chunki to'plangan zaryad o'tkaziladigan kanal yarimo'tkazgich yuzasida joylashgan. Yuzaki uzatish usuli yarimo'tkazgich chegarasining xususiyatlari bilan bog'liq bir qator muhim kamchiliklarga ega. Haqiqat shundaki, yarimo'tkazgichning kosmosdagi chegaralanishi, uning oqibatlari bilan uning kristal panjarasining ideal simmetriyasini buzadi. Qattiq jismlar fizikasining murakkabliklariga kirmasdan, biz bunday cheklash elektronlar uchun energiya tuzoqlarini hosil bo'lishiga olib kelishini ta'kidlaymiz. Natijada, yorug'lik ta'sirida to'plangan elektronlar bir eshikdan ikkinchisiga o'tish o'rniga, ushbu tuzoqlarga tushishi mumkin. Boshqa narsalar bilan bir qatorda, bunday tuzoqlar kutilmagan tarzda elektronlarni chiqarishi mumkin, va bu har doim ham kerak bo'lganda emas. Ma'lum bo'lishicha, yarimo'tkazgich "shovqin" chiqara boshlaydi - boshqacha qilib aytganda, eshik ostida to'plangan elektronlar soni so'rilgan nurlanish intensivligiga to'liq mos kelmaydi. Bunday hodisalardan qochish mumkin, ammo buning uchun uzatish kanalining o'zi dirijyor chuqurligiga ko'chirilishi kerak. Ushbu echim Flibs mutaxassislari tomonidan 1972 yilda amalga oshirilgan. G'oya shundan iboratki, p tipidagi yarimo'tkazgichning sirt qismida n-tipli yarimo'tkazgichning yupqa qatlami, ya'ni elektronlar asosiy zaryad tashuvchisi bo'lgan yarimo'tkazgich hosil bo'lgan (5-rasm).

Ma'lumki, ikkita yarim o'tkazgichning aloqasi turli xil turlari o'tkazuvchanlik tutashganlik chegarasida tükenme qatlami hosil bo'lishiga olib keladi. Bu teshiklar va elektronlarning o'zaro qarama-qarshi yo'nalishlarda tarqalishi va ularning rekombinatsiyasi tufayli sodir bo'ladi. Darvozaga ijobiy potentsialni qo'llash tükenme mintaqasining hajmini oshiradi. Xarakterli jihati shundaki, endi tükenme mintaqasining o'zi yoki fotoelektronlar uchun imkoniyatlar sirtda emas va shuning uchun elektronlar uchun sirt tuzoqlari yo'q. Bunday uzatish kanali maxfiy uzatish kanali deb ataladi va barcha zamonaviy CCDlar yashirin uzatish kanali bilan ishlab chiqariladi.

Biz ko'rib chiqqan CCD sensorining ishlashining asosiy printsiplari turli xil arxitekturadagi CCD matritsalarini qurish uchun ishlatiladi. Strukturaviy ravishda ikkita asosiy matritsali sxemani ajratish mumkin: kadrma-ramka uzatish bilan va intervalgacha uzatish bilan.

Kadrlar bo'yicha o'tkazish matritsasida bir xil sonli qatorga ega bo'lgan ikkita ekvivalent bo'lim mavjud: yig'ish va saqlash. Ushbu bo'limlarning har bir qatori uchta eshik tomonidan (uzatuvchi, qabul qiluvchi va ajratuvchi) hosil bo'ladi. Bundan tashqari, yuqorida ta'kidlab o'tilganidek, barcha qatorlar gorizontal yo'nalishda to'planish xujayralarini hosil qiladigan to'xtash kanallarining ko'pligi bilan ajralib turadi. Shunday qilib, CCD matritsasining eng kichik strukturaviy elementi (piksel) uchta gorizontal eshikdan va ikkita vertikal to'xtash kanalidan hosil bo'ladi (6-rasm).

EHM paytida fotoelektronlar to'planish qismida hosil bo'ladi. Shundan so'ng, eshiklarga tatbiq etilgan soat zarbalari to'plangan zaryadlarni akkumulyatsiya qismidan soyali saqlash qismiga o'tkazadi, ya'ni aslida butun ramka uzatiladi. Shuning uchun, ushbu arxitektura kadrlar bo'yicha uzatish CCD deb nomlanadi. O'tkazgandan so'ng, akkumulyatsiya bo'limi tozalanadi va zaryadlarni qayta to'plashi mumkin, xotira qismidagi zaryadlar gorizontal o'qish registriga kiradi. Gorizontal registrning tuzilishi CCD sensorining tuzilishiga o'xshaydi - zaryadni uzatish uchun xuddi shu uchta eshik. Gorizontal registrning har bir elementida xotira qismining tegishli ustuni bilan zaryad aloqasi mavjud va har bir akkumulyator qismidan soat zarbasi uchun butun satr o'qiladigan registrga kiradi va keyinchalik uni qayta ishlash uchun chiqish kuchaytirgichiga o'tkaziladi.

CCD matritsasining ko'rib chiqilgan sxemasi bitta shubhasiz afzalliklarga ega - yuqori to'ldirish koeffitsienti. Ushbu atama odatda matritsaning fotosensitiv maydonining uning umumiy maydoniga nisbati deb ataladi. Kadrlarni uzatishda matritsalar uchun to'ldirish koeffitsienti deyarli 100% ga etadi. Ushbu xususiyat ularning asosida juda sezgir qurilmalarni yaratishga imkon beradi.

Ko'rib chiqilgan afzalliklarga qo'shimcha ravishda, ramka o'tkazilishi bilan matritsalar bir qator kamchiliklarga ega. Avvalo, biz transfer jarayonining o'zi darhol amalga oshirib bo'lmasligini ta'kidlaymiz. Aynan shu holat bir qator salbiy hodisalarni keltirib chiqaradi. Zaryadni saqlash qismidan saqlash qismiga o'tkazishda birinchisi yoritilgan bo'lib qoladi va unda fotoelektronlarni to'plash jarayoni davom etadi. Bu tasvirning yorqin joylari begona zaryadlar paketiga ular orqali o'tgan qisqa vaqt ichida ham o'z hissasini qo'shishga ulgurishiga olib keladi. Natijada, ramkada tasvirning yorqin joylaridan butun ramka bo'ylab cho'zilgan vertikal chiziqlar shaklida xarakterli buzilishlar paydo bo'ladi. Albatta, bunday hodisalarga qarshi kurashish uchun turli xil hiyla-nayranglardan foydalanish mumkin, ammo eng radikal usul - bu ko'chirish soyali joyda sodir bo'lishi uchun to'plash bo'limi va transfer qismini ajratish. Ushbu arxitekturaning matritsalari chiziqli uzatish CCDlari deb nomlanadi (7-rasm).

Oldin tasvirlangan kadrlar bo'yicha uzatiladigan matritsadan farqli o'laroq, bu erda fotodiodlar zaryadni saqlash elementlari sifatida ishlatiladi (fotodiodlar keyinroq batafsil muhokama qilinadi). Fotodiodlar tomonidan to'plangan zaryadlar soyali CCD xujayralariga o'tkazilib, ular keyinchalik zaryad uzatishni amalga oshiradilar. Butun ramkaning fotodiodlardan vertikal CCD uzatish registrlariga o'tkazilishi bitta soat siklida sodir bo'lishiga e'tibor bering. Tabiiy savol tug'iladi: nima uchun bu me'morchilik interlaced defis nomini oldi ("interlaced defhenation" atamasi ham mavjud)? Interline nomining kelib chiqishini, shuningdek kadrlar bo'yicha uzatishni tushunish uchun tasvir signalini shakllantirish ekranida tasvirni namoyish etishning asosiy printsipini eslaylik. Kadr signali chiziqlar oralig'i bilan ajratilgan chiziqli signallardan iborat, ya'ni ekran bo'ylab skanerlashda elektron nurlanish uchun bir satrning oxiridan ikkinchisining boshiga o'tish uchun zarur bo'lgan vaqt. Kadrlararo bo'shliqlar ham mavjud - nurni oxirgi satr oxiridan birinchi satr boshigacha siljitish uchun vaqt (yangi ramkaga o'tish).

Agar biz interfeyslarni uzatish bilan CCD matritsasining arxitekturasini esga olsak, ramkaning akkumulyatsiya qismidan saqlash qismiga uzatilishi video signalning kadrlararo oralig'ida sodir bo'lishi aniq bo'ladi. Bu tushunarli, chunki butun ramkani o'tkazish uchun juda ko'p vaqt kerak bo'ladi. Lineer uzatish bilan arxitekturada ramka bir soat tsiklida uzatiladi va buning uchun qisqa vaqt oralig'i etarli. Keyinchalik, rasm gorizontal siljish registriga kiradi va translyatsiya video signalning satrlari oralig'ida satrlar bilan sodir bo'ladi.

Ko'rib chiqilgan ikkita CCD-ga qo'shimcha ravishda, boshqa sxemalar ham mavjud. Masalan, kadrlararo va chiziqlararo mexanizmni (chiziqdan kadrga uzatish) birlashtirgan sxema CCD matritsasiga saqlash qismini qo'shib olinadi. Bunday holda, nurni sezgir elementlardan ramkaning uzatilishi interval oralig'i davomida bitta tsiklda sodir bo'ladi va intervalgacha oralig'ida ramka saqlash bo'limiga o'tkaziladi (ramka oralig'ida uzatish); saqlash qismidan ramka chiziqlar oralig'ida (kadrlararo uzatish) paytida gorizontal siljish registriga o'tkaziladi.

So'nggi paytlarda, super-CCD (Super CCD) deb ataladigan narsa keng tarqalgan bo'lib, sakkiz burchakli piksellar yordamida hosil bo'lgan asl uyali arxitekturadan foydalangan. Bu kremniyning ishchi yuzasini oshiradi va piksel zichligini oshiradi (CCD piksellari soni). Bundan tashqari, piksellarning sakkiz qirrali shakli yorug'likka sezgir sirt maydonini oshiradi.

CMOS sensorlari

Sensorning printsipial jihatdan boshqacha turi - CMOS sensori deb ataladi (CMOS qo'shimcha oksidli yarimo'tkazgich; inglizcha terminologiyada - CMOS).

CMOS datchiklarining ichki arxitekturasi har xil bo'lishi mumkin. Shunday qilib, fotodiodlar, fototransistorlar yoki fotosurat klapanlari nurga sezgir element sifatida xizmat qilishi mumkin. Fotosensitiv element turidan qat'i nazar, fotogeneratsiya jarayonida olingan teshiklarni va elektronlarni ajratish printsipi o'zgarishsiz qoladi. Fotodiodning eng oddiy turini ko'rib chiqamiz, uning namunasi bilan barcha fotoelementlarning ishlash printsipini tushunish oson.

Eng oddiy fotodiod - bu n va p tipdagi yarimo'tkazgichlarning aloqasi. Ushbu yarimo'tkazgichlarning aloqa chegarasida tükenme hududi, ya'ni teshiklari va elektronlari bo'lmagan qatlam hosil bo'ladi. Bunday mintaqa ko'pchilik zaryad tashuvchilarning o'zaro qarama-qarshi yo'nalishlarda tarqalishi natijasida hosil bo'ladi. Teshiklar p-yarimo'tkazgichdan (ya'ni ular ortiqcha bo'lgan hududdan) n-yarimo'tkazgichga (ya'ni, ularning kontsentratsiyasi past bo'lgan hududga), elektronlar esa teskari yo'nalishda, ya'ni n-yarim o'tkazgichdan p- ga o'tadi. yarimo'tkazgich. Ushbu rekombinatsiya natijasida teshiklar va elektronlar yo'qoladi va tükenme hududi hosil bo'ladi. Bundan tashqari, nopoklik ionlari tükenme hududi chegaralarida, n-mintaqasida musbat zaryadga ega bo'lgan va n-p-mintaqasida manfiy ionlar paydo bo'ladi. Tugash mintaqasi chegarasi bo'ylab taqsimlangan bu zaryadlar, ikkita plastinadan tashkil topgan tekis kondansatkichda hosil bo'lgan elektr maydonini hosil qiladi. Aynan shu maydon fotogeneratsiya jarayonida hosil bo'lgan teshiklar va elektronlarni fazoviy ajratish funktsiyasini bajaradi. Bunday mahalliy maydonning mavjudligi (uni potentsial to'siq deb ham atashadi) har qanday nurga sezgir sensorda (nafaqat fotodiodda) asosiy nuqta.

Faraz qilaylik, fotodiod yorug'lik bilan yoritilgan, yorug'lik n-yarimo'tkazgichga tushgan va p-n-birikma yorug'lik nurlariga perpendikulyar (8-rasm). Fotoelektronlar va fotoelektr teshiklari kristallga singib ketadi va rekombinatsiya qilishga ulgurmagan ba'zi bir qismi pn birikmasi yuzasiga etib boradi. Biroq, elektronlar uchun mavjud elektr maydoni engib bo'lmaydigan to'siq - potentsial to'siqdir, shuning uchun elektronlar pn birikmasini engib chiqa olmaydi. Teshiklar esa elektr maydon tomonidan tezlashadi va p-mintaqaga kirib boradi. Teshiklar va elektronlarning fazoviy ajratilishi natijasida n-mintaqa manfiy (fotoelektronlarning ortiqligi), p-mintaqa esa musbat zaryadlangan (fotoeleklarning ortiqcha).

CMOS datchiklari va CCD datchiklari orasidagi asosiy farq zaryadni yig'ishda emas, balki uni keyinchalik uzatish usulida. CMOS texnologiyasi, CCD-dan farqli o'laroq, ko'proq sezgir matritsa joylashgan chipda to'g'ridan-to'g'ri ko'proq operatsiyalarni bajarishga imkon beradi. CMOS datchiklari elektronlarni bo'shatish va ularni uzatishdan tashqari, tasvirlarni qayta ishlashi, tasvir konturlarini yaxshilashi, shovqinni kamaytirishi va analog-raqamli konversiyani amalga oshirishi mumkin. Bundan tashqari, dasturlashtiriladigan CMOS sensorlarini yaratish mumkin, shuning uchun juda moslashuvchan ko'p funksiyali qurilmani olish mumkin.

Bitta chip tomonidan bajariladigan bunday keng funktsiyalar CMOS texnologiyasining CCD dan ustunligi hisoblanadi. Bu kerakli tashqi komponentlarning sonini kamaytiradi. Raqamli kamerada CMOS sensoridan foydalanish bo'shliqqa boshqa chiplarni o'rnatishga imkon beradi - masalan, raqamli signal protsessorlari (DSP) va analog-raqamli konvertorlar.

CMOS texnologiyasining jadal rivojlanishi 1993 yilda faol pikselli datchiklar yaratilgan paytda boshlangan. Ushbu texnologiya yordamida har bir piksel o'z o'qish transistorli kuchaytirgichiga ega, bu zaryadni to'g'ridan-to'g'ri pikselda voltajga aylantirish imkonini beradi. Bundan tashqari, sensorning har bir pikseliga tasodifiy kirish imkoniyati paydo bo'ldi (shunga o'xshash tarzda) operativ xotira tasodifiy kirish). CMOS sensorining faol piksellaridan zaryad parallel ravishda o'qiladi (9-rasm), bu signalni har bir pikseldan yoki piksellar ustunidan to'g'ridan-to'g'ri o'qish imkonini beradi. Tasodifiy kirish CMOS datchigiga nafaqat butun matritsani, balki namuna olingan joylarni ham o'qish imkoniyatini beradi (oynani ochish usuli).

CMOS datchiklarining CCD-larga nisbatan sezilarli ustunliklariga qaramay (asosiysi pastroq narx), ular qator kamchiliklarga ham ega. CMOS chipida qo'shimcha sxemalarning mavjudligi tranzistor va diodning tarqalishi kabi bir qator shovqinlarning paydo bo'lishiga, shuningdek qoldiq zaryadning ta'siriga olib keladi, ya'ni CMOS matritsalari bugungi kunda ko'proq "shovqinli". Shu sababli, yaqin kelajakda yuqori sifatli CCD'lar professional raqamli kameralarda qo'llaniladi va CMOS datchiklari bozorga, xususan, veb-kameralarni o'z ichiga olgan arzonroq qurilmalar uchun kirib kelmoqda.

Rang qanday olinadi

Yuqorida ko'rib chiqilgan fotosensitiv datchiklar faqat so'rilgan yorug'likning intensivligiga javob berishga qodir - shiddat qancha yuqori bo'lsa, shunchalik ko'p zaryad yig'iladi. Tabiiy savol tug'iladi: rangli tasvir qanday olinadi?

Kamerani ranglarni farqlashini ta'minlash uchun to'g'ridan-to'g'ri faol pikselga rang filtrlari (CFA, rangli filtrlar qatorlari) massivi qo'llaniladi. Rangli filtrning ishlash printsipi juda oddiy: u faqat ma'lum bir rang nurini o'tkazadi (boshqacha aytganda, faqat ma'lum to'lqin uzunligidagi yorug'lik). Ammo turli xil rang soyalari deyarli cheksiz bo'lsa, ushbu filtrlardan qanchasi talab qilinadi? Ma'lum bo'lishicha, har qanday rang soyasini bir necha asosiy (asosiy) ranglarni ma'lum nisbatlarda aralashtirish orqali olish mumkin. Eng mashhur qo'shimchalar RGB modeli (Qizil, Yashil, Moviy) uchta rangga ega: qizil, yashil va ko'k. Bu shuni anglatadiki, faqat uchta rangli filtr talab qilinadi. E'tibor bering, RGB yagona rangli model emas, lekin u raqamli veb-kameralarning aksariyat qismida qo'llaniladi.

Eng mashhurlari Bayer naqshli filtri massivlari. Ushbu tizimda qizil, yashil va ko'k filtrlar pog'onali bo'lib, yashil filtrlar soni qizil yoki ko'kdan ikki baravar ko'p. Tartib shuki, qizil va ko'k filtrlar yashil ranglarning o'rtasida joylashgan (10-rasm).

Yashil, qizil va ko'k filtrlarning bu nisbati insonning vizual in'ikosining o'ziga xos xususiyatlari bilan izohlanadi: bizning ko'zlarimiz yashil rangga nisbatan sezgirroq.

CCD kameralarida uchta birikma rangli kanallar signalni analogdan raqamliga o'tkazgandan so'ng tasvirlash moslamasida ishlab chiqariladi. CMOS datchiklarida bu hizalama to'g'ridan-to'g'ri chipda ham bo'lishi mumkin. Qanday bo'lmasin, har bir filtrning asosiy ranglari qo'shni filtrlarning rangiga qarab matematik ravishda interpolatsiyalanadi. Shuning uchun tasvir pikselining haqiqiy rangini olish uchun nafaqat ushbu pikselning filtridan o'tgan yorug'likning intensivligini, balki atrofdagi piksellarning filtrlaridan o'tgan yorug'lik intensivligining qiymatlarini ham bilish kerak.

Yuqorida ta'kidlab o'tilganidek, RGB rang modeli uchta asosiy rangdan foydalanadi, ular yordamida siz ko'rinadigan spektrning har qanday soyasini olishingiz mumkin. Raqamli kameralar nechta soyani ajratishi mumkin? Turli xil rang soyalarining maksimal soni rang chuqurligi bilan belgilanadi, bu esa rangni kodlash uchun ishlatiladigan bitlar soniga qarab belgilanadi. Ommabop 24-bitli RGB 24 modeli har bir rang uchun 8 bit ajratadi. 8 bit bilan qizil, yashil va ko'k uchun navbati bilan 256 xil rang ohanglari belgilanishi mumkin. Har bir soyaga 0 dan 255 gacha qiymat beriladi. Masalan, qizil rang 256 gradatsiyani olishi mumkin: sof qizil (255) dan qora (0) gacha. Maksimal kod qiymati bir tekis rangga to'g'ri keladi va har bir rangning kodi odatda quyidagi tartibda joylashgan: qizil, yashil va ko'k. Masalan, sof qizil kod (255, 0, 0), yashil kod (0, 255, 0), ko'k kod (0, 0, 255) sifatida yoziladi. Sariqni qizil va yashil ranglarni aralashtirish orqali olish mumkin va uning kodi (255, 255, 0) sifatida yoziladi.

RGB modelidan tashqari YUV va YSrCb modellari ham keng qo'llaniladi, ular bir-biriga o'xshash va yorug'lik va xrominans signallarini ajratishga asoslangan. Y signali qizil, yashil va ko'k ranglarni aralashtirish orqali aniqlanadigan yorug'lik signalidir. U va V (Cr, Cb) signallari rang farqiga ega. Shunday qilib, U signali ko'k va sariq komponentlar orasidagi farqga yaqin rangli tasvir, va V signali rangli tasvirning qizil va yashil komponentlari orasidagi farqga yaqin.

YUV modelining (YCrCb) asosiy afzalligi shundaki, ushbu kodlash usuli RGB ga qaraganda ancha murakkab bo'lsa-da, u kamroq tarmoqli kengligini talab qiladi. Haqiqat shundaki, inson ko'zining yorqinligi Y-komponenti va rang farqi tarkibiy qismlariga sezgirligi bir xil emas, shuning uchun Y-komponentlari to'rtta qo'shni piksellar guruhi (2 × 2) uchun hisoblab chiqilganda, bu o'zgarishni rang farqi komponentlarini parchalanishi (interleaving) bilan bajarish juda maqbul ko'rinadi. va rang farqi komponentlari birgalikda ishlatiladi (4: 1: 1 sxemasi deb ataladi). Hisoblash oson, allaqachon 4: 1: 1 sxemasi chiqish oqimining yarmini kamaytirishga imkon beradi (12 bayt o'rniga oltita to'rtta qo'shni piksel uchun etarli). YUV 4: 2: 2 kodlash bilan har bir nuqta uchun yorug'lik signallari uzatiladi va U va V rang farqlari signallari faqat chiziqning har bir ikkinchi nuqtasi uchun uzatiladi.

Raqamli qanday ishlaydi

Veb-kameralar

barcha turdagi raqamli kameralarning ishlash printsipi taxminan bir xil. Eng oddiy veb-kameraning odatdagi sxemasini ko'rib chiqamiz, uning boshqa turdagi kameralardan asosiy farqi kompyuterga ulanish uchun USB interfeysi mavjudligidir.

Optik tizim (ob'ektiv) va fotosensitiv CCD yoki CMOS sensoridan tashqari, yorug'lik sezgir sensori analog signallarini raqamli kodga aylantiradigan analog-raqamli konvertor (ADC) talab qilinadi. Bundan tashqari, rangli tasvirlash tizimi talab qilinadi. Kameraning yana bir muhim elementi bu ma'lumotlarni siqish va kerakli formatda uzatishga tayyorlanish uchun mas'ul bo'lgan elektron tizimdir. Masalan, ko'rib chiqilayotgan veb-kamerada video ma'lumotlar kompyuterga uzatiladi uSB interfeysishuning uchun USB interfeys tekshiruvi uning chiqishida bo'lishi kerak. Strukturaviy sxema raqamli kamera shakl. o'n bir.

Analog-raqamli konvertor uzluksiz analog signalni namuna olish uchun mo'ljallangan va analog signal o'lchanadigan vaqt oraliqlarini hamda uning imkoniyatlarini aniqlaydigan namuna olish chastotasi bilan tavsiflanadi. ADC hajmi - bu signaldagi har bir namunani namoyish qilish uchun ishlatiladigan bitlar soni. Masalan, agar 8 bitli ADC ishlatilsa, u holda signalni ifodalash uchun 8 bit ishlatiladi, bu esa asl signalning 256 gradatsiyasini ajratishga imkon beradi. 10-bitli ADC-dan foydalanilganda analog signalning allaqachon 1024 ta turli gradatsiyalarini ajratib ko'rsatish mumkin.

USB 1.1 o'tkazuvchanligi pastligi sababli (faqat 12 Mbit / s, shundan veb-kamerasi 8 Mbit / s dan oshmaydi), kompyuterga uzatilishidan oldin ma'lumotlar siqilgan bo'lishi kerak. Masalan, kvadrat o'lchamlari 320 × 240 piksel va rang chuqurligi 24 bit bo'lsa, siqilmagan kvadrat hajmi 1,76 Mbit / s ni tashkil qiladi. USB kanalining o'tkazuvchanligi 8 Mbit / s bo'lgan holda, siqilmagan maksimal uzatish tezligi sekundiga 4,5 kvadratni tashkil qiladi va qabul qilish uchun sifatli video sekundiga 24 kvadrat yoki undan ko'proq bit tezligi talab qilinadi. Shunday qilib, uzatilgan ma'lumotni qo'shimcha ravishda siqmasdan kameraning normal ishlashi mumkin emasligi ayon bo'ladi.

Texnik hujjatlarga muvofiq ushbu CMOS matritsasi 664 × 492 (326 688 piksel) piksellar soniga ega va sekundiga 30 kvadratgacha ishlashga qodir. Sensor progressiv va gorizontal skanerlash turlarini qo'llab-quvvatlaydi va 48 dB dan ortiq signal-shovqin nisbatlarini ta'minlaydi.

Blok-sxemadan ko'rinib turibdiki, rangni shakllantirish birligi (analog signal protsessori) ikkita kanalga ega - RGB va YSrCb, va YSrCb modeli uchun yorqinlik va rang farqlari formulalar bo'yicha hisoblanadi:

Y \u003d 0.59G + 0.31R + 0.11B,

Cr \u003d 0,713 × (R - Y),

Cb \u003d 0,564 × (B - Y).

Analog signal protsessori tomonidan ishlab chiqarilgan RGB va YCrCb analog signallari ikkita 10 bitli ADC tomonidan qayta ishlanadi, ularning har biri piksel tezligini sinxronlashtirish uchun 13,5 MSPS da ishlaydi. Raqamlashtirilgandan so'ng ma'lumotlar 16-bitli YUV 4: 2: 2 yoki 8-bit Y 4: 0: 0-da video ma'lumotlarni yaratadigan raqamli konvertorga o'tadi, ular chiqish portiga 16-bitli yoki 8-bitli avtobus orqali yuboriladi.

Bundan tashqari, ko'rib chiqilayotgan CMOS datchigi tasvirni to'g'rilashning keng imkoniyatlariga ega: oq rang balansi, ekspozitsiyani boshqarish, gamma tuzatish, ranglarni tuzatish va hk. Sensorni SCCB (Serial Camera Control Bus) interfeysi orqali boshqarish mumkin.

OV511 + mikrosxemasi, uning blok diagrammasi shakl. 13 - bu USB tekshiruvi.

Tekshirgich sizga USB-avtobus orqali 7,5 Mbit / s gacha tezlikda video ma'lumotlarni uzatish imkonini beradi. Bunday tarmoqli kengligi oldindan siqilmasdan video oqimni qabul qilinadigan tezlikda uzatishga imkon bermasligini hisoblash oson. Aslida, siqish USB tekshirgichining asosiy maqsadi. Haqiqiy vaqtda siqishni nisbati 8: 1 gacha bo'lgan siqishni ta'minlagan holda, kontroller video oqimini sekundiga 10-15 kvadrat tezlikda 640 × 480 piksellar sonida va sekundiga 30 kvadrat tezlikda 320 × 240 va undan past piksellar sonida uzatishga imkon beradi.

OmniCE bloki xususiy siqish algoritmini amalga oshiradigan ma'lumotlarni siqish uchun javobgardir. OmniCE nafaqat kerakli video oqim tezligini, balki minimal CPU yuki bilan tezkor dekompressiyani ham ta'minlaydi (hech bo'lmaganda ishlab chiquvchilarning fikriga ko'ra). OmniCE birligi tomonidan taqdim etilgan siqishni darajasi, kerakli video oqim tezligiga qarab, 4 dan 8 gacha.

ComputerPress 12 "2001 yil

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 ("zaryadlangan moslama" qisqartmasi) yoki CCD matritsasi (ingliz tilidan qisqartirilgan. CCD, "Charge-Coupled Device") - ixtisoslashtirilgan analog integral mikrosxema, silikon asosida tayyorlangan nurga sezgir fotodiodlardan iborat, CCD texnologiyasidan foydalangan holda - zaryad bilan bog'langan 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;
KMDP; Ingliz tili CMOS, Qo'shimcha simmetriya / metall oksidli yarimo'tkazgich) bu elektron sxemalarni yaratish texnologiyasi.

Dastlabki kunlarda an'anaviy CMOS chiplari namoyish qilish uchun ishlatilgan, ammo CMOS elementlarining yorug'lik sezgirligi pastligi sababli rasm sifati yomon edi. 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 funksionallik va kengroq integratsiya imkoniyatlarini taqdim etadi.

Foydalanishda asosiy muammolardan biri CMOS matritsalari videokameralar tasvir sifatiga ega edi. CCD matritsalari shovqinning past darajasini ta'minladilar va ta'minlaydilar. Natijada CMOS chiplari bilan taqqoslaganda kam nurda o'zini juda yomon tutgan CCD chiplari... Va kam yorug'lik filmni suratga olishdagi asosiy qiyinchiliklardan biri bo'lganligi sababli, undan foydalanish uchun katta to'siq bo'lgan. CMOS matritsalari... Shu bilan birga, CMOS-ning rivojlanishi davomida to'plangan ishlab chiqarish tajribasi ushbu sensorlarning har bir yangi avlodi bilan tasvir sifatiga ta'sir qiladigan qattiq va tasodifiy shovqinni sezilarli darajada kamaytirishga imkon berdi.

Boshqa zaiflik CMOS - sensorning yomon sezgirligi tufayli dinamik tasvirni olishda paydo bo'ladigan buzilishlar. Avtomobil tasvirlarida faralar, quyosh kabi juda yorqin elementlar yoki davlat raqamlari kabi juda qorong'i joylar bo'lishi mumkin. Shu sababli, katta kontrastli tomchilar bilan sahnalarni boshqarish uchun keng dinamik diapazon talab qilinadi. CCD sensori mavjud yaxshi parametrlar dinamik diapazon, ammo CMOS-dan individual piksellarga kirish yaxshi dinamik intervalgacha ega bo'lish uchun sizga ko'proq imkoniyat beradi. Shuningdek, CCD-lardan foydalanilganda sahnadagi yorqin dog'lar rasmda vertikal chiziqlar hosil qilishi va xira va xiralashganligi sababli davlat raqamini tanib olishga xalaqit berishi mumkin.

CCD-lar yuqori sezuvchanlik xususiyatiga ega bo'lishiga qaramay, ulardan foydalanishni cheklovchi asosiy omil past tezlik zaryadni o'qish va natijada tasvirni shakllantirishning yuqori tezligini ta'minlashning iloji yo'qligi. Matritsa o'lchamlari qanchalik baland bo'lsa, tasvir tezligi shunchalik past bo'ladi. O'z navbatida, nurga sezgir element va ishlov berish mikrosxemasini birlashtirgan CMOS texnologiyasi, hatto 3 megapikselli sensorlar uchun ham yuqori kvadrat tezligini olishga imkon beradi.

Shu bilan birga, video kuzatuv tizimlarida IP kameralar uchun megapikselli CMOS datchiklaridan foydalanish ma'lumotlar oqimini samarali siqishni talab qiladi. Bugungi kunda IP CCTV-da eng keng tarqalgan siqish algoritmlari M-JPEG, MPEG4 va H.264. Birinchisi, ko'pincha to'g'ridan-to'g'ri matritsa ishlab chiqaruvchisi tomonidan 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, CCD uchun - 95%).
• Yuqori dinamik diapazon (sezgirlik).
• IQ sezgirligi yaxshi.

• Signalni o'qishning murakkab printsipi va shuning uchun texnologiya.
• Yuqori energiya sarfi (2-5 Vtgacha).
• Ishlab chiqarish qimmatroq.

• Yuqori ishlash (500 kvadrat / s gacha).
• Kam quvvat sarfi (CCD bilan taqqoslaganda deyarli 100 marta).
• Arzonroq va ishlab chiqarish osonroq.
• Texnologiyaning istiqbolli xususiyati (bir xil kristallda, printsipial jihatdan, zarur bo'lgan barcha narsani amalga oshirish uchun hech qanday xarajat talab qilinmaydi) qo'shimcha sxemalar: analog-raqamli konvertorlar, protsessor, xotira, shu bilan bitta chipda to'liq raqamli kamerani olish).

• Kam pikselli to'ldirish koeffitsienti, bu sezgirlikni pasaytiradi (samarali piksel yuzasi ~ 75%, qolgan qismini tranzistorlar egallaydi).
• Shovqinning yuqori darajasi (bu temp oqimlari deb ataladi - hatto yorug'lik bo'lmagan taqdirda ham, fotodiod orqali juda katta oqim oqadi), unga qarshi kurash texnologiyani murakkablashtiradi va narxini oshiradi.
• Kam dinamik diapazon.

Har qanday texnologiya singari, CMOS va CCD texnologiyalari ham ushbu maqolada ko'rib chiqishga harakat qilgan afzalliklari va kamchiliklariga ega. Ikkala texnologiya ham VeSta kameralari uchun datchiklar ishlab chiqarishda qo'llaniladi. Ikkala raqamli va analog VeSta kameralar CMOS va CCD datchiklari asosida ishlab chiqariladi. VeSta analog kameralari asosan CCD datchiklari asosida ishlab chiqariladi. CMOS datchiklariga asoslangan VeSta analog kameralari "C" belgisi bilan belgilanadi, masalan, VC-200c. VeSta IP kameralari asosan CMOS datchiklaridan foydalanadi, ammo CCD matritsalariga asoslangan kameralar ham mavjud, masalan, VC-6304 IR, 928 * 576 (960H) gacha bo'lgan o'lchamdagi video tasvirlarni yaratishga qodir CCD sensori asosida yaratilgan. VeSta kameralarini tanlashda yorug'likning sezgirligi, keng dinamik diapazon, quvvat sarfi, shovqin darajasi, kamera narxi kabi parametrlarga e'tibor berib, ushbu texnologiyalarning barcha ijobiy va salbiy tomonlarini hisobga olish kerak.

Shuning uchun, bitta fokus bo'lmaydi va ko'z ob'ektlarning rasmlarini aniq ko'ra olmaydi.

Astigmatizm belgilari juda aniq emas; dastlabki bosqichlarda kasallik ko'pincha o'zini biroz xiralashgan ko'rinish sifatida namoyon qiladi, shuning uchun ko'pincha ko'zning charchashi bilan adashadi.

Ular odatdagilaridan sharsimon shaklni silindrsimon bilan birlashtirib, qalinroq yuzasiga ega bo'lishlari bilan farq qiladi. Linzalarni tayinlash mutaxassis tomonidan amalga oshirilgan diagnostika asosida amalga oshiriladi.

Gormonlar jinsiy rivojlanishda ishtirok etadi, nafas olishni boshqaradi, reproduktiv funktsiya va insonning sezgi idrokiga javobgardir. Gormonlarning ko'pligi yoki etishmasligi odamning hayot sifatini yomonlashtiradi.

Albatta, ushbu variant har ikkala kontrendikatsiyaga va narx ko'rinishidagi minusga ega.

Bildirishnoma olish uchun kerakli shakl (elektron pochta)

shikastlanishlar yoki operatsiyalar yoki kasalliklar, shox pardaning to'g'ri shakli buzilgan.

Miyopiyadan farqli o'laroq, astigmatizm rivojlanmaydi, shuning uchun ko'zoynaklar yoki linzalarni to'g'ri va erta tanlash hayot uchun ko'rish keskinligini to'liq tiklashi mumkin.

FTC ko'zning optik tizimini mutanosiblikning yuqori darajasiga etkazish imkonini beradi, bu umuman vizual analizatorning ishlash darajasida aks etadi.

Astigmatizmdan qanday qutulganman.

Miya ko'zdan keladigan signallarni normal ishlashini davom ettira olmaydi. Ko'rishdagi bunday pasayishni ko'zoynak bilan tuzatish mumkin emas.

Sferik linzalarni biriktirish orqali ushbu meridianning sinishi aniqlanadi. Keyin oftalmolog yoriqni 90 darajaga buradi, bemor esa ko'rish qobiliyatining yomonlashishini qayd etadi.

Bunday linzalar tufayli bir meridianda nurlarning sinishi o'zgaradi, o'zgargan ko'zlarning optik tizimidagi nuqsonlar esa tuzatiladi.

Manbaga faol havolasiz materiallarni nusxalash taqiqlanadi.

Eng oddiy baholash varianti - bu eng kuchli va eng zaif sinish o'rtasidagi farq.

Shu vaqt ichida shox pardaning yuqori qatlami ko'tariladi, lazer yordamida ortiqcha to'qima olinadi, so'ngra tanaffus kollagen bilan o'rnatiladi.

Olingan egri chiziqlar astigmatik fokusli sirtlarning shakli va shu asosda o'rganilayotgan tizimning ba'zi xususiyatlari haqida hukm chiqarishga imkon beradi.

Ko'zlarning sovuqdan, quyoshdan, shamoldan va boshqalardan mexanik tirnash xususiyati oldini olishga harakat qiling.

Tug'ma astigmatizmni aniqlash uchun yosh jadvaliga muvofiq bolalarni tibbiy ko'rikdan o'tkazish kerak.

Har xil o'tkazuvchanlik kanallari bo'lgan izolyatsiya qilingan eshik bilan.

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 berish qismlarini 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 turli xil uskunalar uchun kameralarni miniatyuralash va qo'shimcha protsessor chiplarini rad etish sababli ularning narxini pasaytirish uchun asos bo'lib xizmat qilgan elektron uskunalarning uchinchi tomon komponentlari).
• Tasodifiy kirish mexanizmi tanlangan piksel guruhlarini o'qiy oladi. Ushbu operatsiya qisqartirilgan o'qish deb nomlanadi (ing. derazalarni o'qish). 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'qish orqali, qurilmaga o'rnatilgan ekranda yuqori sifatli jonli tasvirni ko'rish rejimini nisbatan kam sonli piksel bilan 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 kiriting. Kichikroq kvadrat o'lchamlari va o'lchamlari bilan reportajni yuqori tezlikda suratga olish mumkin.
• Piksel ichidagi kuchaytirgichdan tashqari, 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'la kadrli uzatish CCD matritsasiga nisbatan ancha kichik maydonni egallaydi. Shuning uchun, dastlabki CMOS datchiklari sezgirlik CCD ga qaraganda ancha past edi. Ammo 2007 yilda Sony EXMOR texnologiyasiga ega bo'lgan yangi avlod CMOS video va kameralarining yangi liniyasini ishga tushirdi, bu ilgari faqat CMOS datchiklari uchun faqat elektron teleskoplar kabi o'ziga xos optik qurilmalarda ishlatilgan. Ushbu matritsalarda fotonlarning fotosensitiv elementga o'tishiga to'sqinlik qiladigan pikselning elektron "biriktirilishi" matritsaning yuqori qismidan pastki qatlamiga ko'chirildi, bu pikselning fizik hajmini matritsaning bir xil geometrik o'lchamlari bilan va shu bilan elementlarning nurga kirish imkoniyatini oshirishga imkon berdi. har bir pikselning va umuman matritsaning yorug'lik sezgirligi. Birinchi marta CMOS matritsalari yorug'likning sezgirligi bo'yicha CCD matritsalari bilan taqqoslandi, ammo ular energiyani tejaydigan va CCD texnologiyasining asosiy kamchiliklaridan mahrum bo'lgan - nuqta nurining "qo'rquvi" bo'lib chiqdi. 2009 yilda Sony EXMOR CMOS datchiklarini "Orqa nuri yoritishi" texnologiyasi bilan takomillashtirdi. Texnologiyaning g'oyasi sodda va nomga to'liq mos keladi.
• Matritsa xujayrasining 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 egri chiziqqa aylanadi va matritsa piksellarining yorug'lik sezgirligi va kontrast nisbati tarqalishi muammosi paydo bo'ladi. Natijada, birinchi ishlab chiqarilgan CMOS matritsalari nisbatan past piksellar soniga va "tuzilgan shovqin" deb nomlangan yuqori darajaga ega edi (ing. naqsh shovqini).
• Fotodiod bilan taqqoslaganda katta hajmdagi elektron elementlarning matritsasida mavjudligi o'qish jarayonida qurilmaning qo'shimcha isitilishini keltirib chiqaradi va issiqlik shovqinining oshishiga olib keladi.

Shuningdek qarang

Havolalar

Vikimedia fondi. 2010 yil.

"CMOS matritsasi" nima ekanligini boshqa lug'atlarda ko'ring:

Matritsa yoqilgan bosilgan elektron karta raqamli kamera Matritsa yoki fotosensitiv matritsa - bu fotodiodlarning yorug'lik sezgir elementlaridan tashkil topgan ixtisoslashgan analog yoki raqamli-analog integral mikrosxema. ... ... Vikipediya Vikipediyasi uchun mo'ljallangan

Statik CMOS inverter CMOS (K MOS; tranzistorlar uchun qo'shimcha mantiq metall oksidi yarimo'tkazgich; CMOS ... Vikipediya

Statik CMOS inverter CMOS (K MOS; tranzistorlar bo'yicha qo'shimcha mantiq metall oksidi yarimo'tkazgich; ingliz CMOS, qo'shimcha simmetriya / metall oksidi yarimo'tkazgich) elektron sxemalarini yaratish texnologiyasi. CMOS texnologiyasi dala ... Vikipediyadan foydalanadi

Matritsa (datchik)

Matritsa (datchik) - Kameraning yorug'likni sezgir elementi, yorug'likni elektr signaliga aylantiradigan piksel hujayralaridan iborat. Matritsalarning asosiy turlari: CCD (CCD) va CMOS (CMOS), hujayradan ma'lumotlarni o'qish usuli bilan ajralib turadi. CCD eng yaxshi narsalarga ega ... ... Samsung uy va kompyuter shartlari lug'ati

Matritsa raqamli kameraning bosilgan elektron platasida Matritsa yoki fotosensitiv matritsa - bu fotodiodlarning yorug'lik sezgir elementlaridan tashkil topgan ixtisoslashgan analog yoki raqamli-analog integral mikrosxemadir. ... ... Vikipediya uchun mo'ljallangan

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'lik 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 CCD sezgir elementlarining yuqori identifikatsiyasini ta'minlaydi.

CMOS-matritsa - bu faol sezgir elementlarga ega raqamli qurilma (Active Pixel Sensor). Har bir pikselning o'ziga xos kuchaytirgichi mavjud, bu sezgir elementning zaryadini voltajga aylantiradi. Bu har bir pikselni amalda individual ravishda boshqarish imkonini 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 bir elementning (va natijada, butun matritsaning) sezgirligi hatto oshdi.

Hukmronlik qilishga nima imkon berdi
Dastlab, CCDlar ta'minlaydigan dominant sensorlarga aylandi eng yaxshi sifat tasvirlar, kamroq shovqin, yuqori sezuvchanlik va bir xil piksel parametrlari. 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.

Matritsalar uchun yuqori piksellar sonini (752x582) yutuqlar biroz kamroq ta'sirchan, ammo agar biz Super HAD rangli tasvir modellarini eng ko'p taqqoslasak zamonaviy texnologiyalar Ex-view HAD II va Super HAD II, sezgirlik o'sishi mos ravishda 2,5 va 2,4 marta bo'ladi. Va bu piksel o'lchamining qariyb 30 foizga pasayishiga qaramay, chunki biz 976x582 piksellar sonini ko'paytirish bilan eng zamonaviy 960H formatidagi matritsalar haqida gapiramiz pAL standarti... 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 diapazoniga etkazishdir. 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 ravishda IQ sezgirligi bo'lgan, ya'ni mexanik IQ filtrsiz kunduzgi / tungi kameralarda ranglarni ko'paytirish bilan bog'liq.

Ex-view HAD II (ICX658AKA) modellarida ushbu texnologiyaning rivojlanishi oldingi versiyasiga (ICX258AK) nisbatan 950 nm to'lqin uzunligidagi sezgirlikni 4 baravar ko'payishi bilan integral sezgirlikni atigi 0,8 dB (1100 dan 1200 mV gacha) oshirishni ta'minlaydi, 5 dB. Shakl. 1 ushbu matritsalarning spektral sezgirligining xususiyatlarini ko'rsatadi va shakl. 2 - ularning ajralmas sezgirligi 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 kengayadi, bu ranglarning ko'payishini 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

Birgalikda, yuqoridagi chora-tadbirlar CCD ish faoliyatini yaxshilashda sezilarli natijalarga erishdi.

Zamonaviy modellarning xususiyatlarini oldingi versiyalar bilan taqqoslash mumkin emas, chunki o'sha paytda keng tarqalgan rangli matritsalar, hatto odatdagi yuqori aniqlikda ham ishlab chiqarilmadi. O'z navbatida, endi standart aniqlikdagi oq-qora matritsalar ishlab chiqarilmaydi eng yangi texnologiyalar Ex-view HAD II va Super HAD II.

Qanday bo'lmasin, sezgirlik nuqtai nazaridan CCD-lar 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 hozir 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. Har bir piksel yo'lidagi kuchaytirgichlarni o'z ichiga olgan o'tish elementlarining ko'pligi natijasida barcha sezgir elementlarning parametrlarini CCD bilan taqqoslaganda bir xilligini ta'minlash ancha qiyinlashadi. Ammo texnologiyaning rivojlanishi CMOS sezgirligini eng yaxshi CCD namunalariga, ayniqsa megapikselli versiyalarga yaqinlashtirdi.

CMOSning dastlabki tarafdorlari ushbu tuzilmalar ancha arzon bo'ladi, chunki ular xotira va mantiq chiplari bilan bir xil apparat va texnologiyada ishlab chiqarilishi mumkin edi. Ko'p jihatdan, bu taxmin tasdiqlandi, ammo to'liq emas, chunki texnologiyani takomillashtirish 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 raqobatchilari 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 talab ustun bo'lib, bugungi kunda 100 million donadan oshdi.

CMOS: yaxshilangan sezgirlik

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

Ta'minlovchilar nimani taklif qiladilar
Hozirgi vaqtda CMOS matritsalarining sezgirligi, albatta, oshdi, ammo rangli tasvirning odatiy versiyalari uchun u ob'ektiv sonining (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-shovqinning munosib nisbatiga ega bo'lib, ekrandagi qorlardan 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. Yorug'lik tarqaladi va bu elementlar tomonidan to'sib qo'yiladi. Yangi versiyada 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 yoritgich) 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 kamerasining tasviri hech bo'lmaganda CCD tasviri kabi 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 piksellar sonini elementini qurishda ikkita yashil piksel ishlatiladi - turli xil chiziqlardan ko'k va qizil. Buning o'rniga bitta o'lcham elementini qurish 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 strukturasidagi 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, tez harakatlanuvchi moslamalarning xarakterli xiralashishi umuman yo'q bo'lganda, ketma-ket ta'sir qilish va signallarni o'qishga ega bo'lgan "Rolling Shutter" effekti deb nomlangan CMOS kameralari uchun odatiy bo'lgan diagonali kadr siljishini yo'q qiladi.

2-rasmda CMOS kamerasi tomonidan 45 va 180 kvadrat / kvadrat tezlikka ega bo'lgan aylanadigan fanning tasvirlari ko'rsatilgan.

To'liq raqobat

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

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 hali ham raqobatdan tashqarida.