Rozumiemy matryce światłoczułe: CMOS i CCD. Różnica między czujnikami CCD i CMOS Porównanie czujników cmos i ccd

Istnieją dwa rodzaje matryc - CCD (CCD) i CMOS (CMOS).

Co to oznacza i jaka jest różnica?

Czujniki CCD i CMOS zostały wynalezione w latach 60. i 70. XX wieku i zastąpiły wideokony z wiązką katodową. Na rynku początkowo dominowały czujniki CCD, przeznaczone do zastosowań w badaniach naukowych (a także w przemyśle i medycynie) i pozwalały na osiągnięcie doskonałej jakości obrazu odpowiadającej ówczesnemu poziomowi technologii. Produkcja półprzewodników po prostu nie była wówczas w stanie „uwolnić” wszystkich możliwości czujników CMOS. Zainteresowanie produkcją CMOS wzrosło ponownie w latach 90-tych, kiedy zidentyfikowano potrzebę masowej produkcji matryc o niższym poborze mocy i niższych kosztach.

W czujniku CCD światło padające na piksel zmienia jego stan „elektryczny”. „Informacja” na ten temat przekazywana jest tylko jednym kanałem wyjściowym (rzadziej - dwoma). Następnie jest on przekształcany na poziom napięcia, poddawany procedurze buforowania i podawany na wyjście w postaci analogowego sygnału elektrycznego. Sygnał ten jest następnie wzmacniany i przekształcany na wartość cyfrową dzięki przetwornikowi analogowo-cyfrowemu (ADC) umieszczonemu na zewnątrz czujnika.

Czujniki CMOS dzięki technologii produkcji zawierają już wzmacniacze i przetworniki ADC, dlatego procedura akwizycji obrazu pozwala na osiągnięcie znacznie wyższych prędkości odczytu.

Wszystko to wpływa na ogólny sposób uzyskiwania obrazu - technologia CCD umożliwia odczyt tylko z jednego kanału lub maksymalnie z dwóch (i to jest „wąskie gardło” tej technologii). Natomiast w matrycy CMOS wzmacniacze cyfrowe stosowane są w każdym pojedynczym pikselu (obecnie w matrycach CMOS można zastosować odczyt 8 i 16-kanałowy). Wydawać by się mogło, że odczyt każdego piksela z osobna trwałby dłużej, jednak ponieważ procesy odczytu w sensorach CMOS zachodzą równolegle, pozwala to na osiągnięcie większej przepustowości w porównaniu z sensorami CCD.

Źródło obrazu: dslrclub. ru

Można to porównać do drogi CCD będącej ładną, ale dwupasmową autostradą, podczas gdy czujniki CMOS można porównać do autostrady o ośmiu, a nawet 16 pasach.

Każda technologia ma swoją własną charakterystykę

Czujniki CCD mają lepszą czułość na światło i są mniej podatne na „szum cyfrowy” (wadę obrazu, w której widoczne są piksele o losowym kolorze i jasności), ponieważ rozmiar piksela jest zwykle większy, ponieważ w aparatach wyposażonych w czujniki CMOS skomplikowany układ elektroniczny zmniejsza rozmiar piksela . W rezultacie część światła nie dociera do światłoczułych fotodiod. Z tego powodu podczas fotografowania w warunkach słabego oświetlenia zaleca się stosowanie aparatów wyposażonych w czujniki CCD.

Ale tutaj należy zauważyć, że już w 2009 roku Sony zaprezentowało tzw. technologię. „podświetlenie”. W rezultacie czujniki CMOS stały się znacznie skuteczniejsze podczas fotografowania obiektów przy słabym oświetleniu i/lub o niskim kontraście. I w tej chwili ta wada czujników CMOS została praktycznie wyeliminowana.

Czujniki CCD wymagają bardziej złożonego elektronicznego układu pomocniczego, co w efekcie skutkuje wyższym kosztem gotowego produktu przy ich zastosowaniu.

Według niektórych obliczeń zużycie energii przez czujniki CCD przekracza zużycie energii przez czujniki CMOS nawet 100 razy! (to dzięki niskiemu poborowi energii i bardziej kompaktowym rozmiarom czujników CMOS stały się one głównym nurtem na rynku konsumenckim. Przykładowo wszystkie aparaty w nowoczesnych telefonach komórkowych i tabletach korzystają z czujników CMOS). A większe zużycie energii może prowadzić do problemów z nagrzewaniem, co nie tylko negatywnie wpływa na obraz, ale może również dodatkowo zwiększyć koszt gotowego produktu (ze względu na zastosowanie specjalistycznego chłodzenia).

W matrycach CMOS, dzięki technologii indywidualnego „odczytu” każdego piksela, możliwa jest tzw. operacja. „okno”, które pozwala na wybranie do odczytu określonej części czujnika (obrazu) zamiast od razu całego obszaru czujnika. Pozwala to osiągnąć dużą prędkość fotografowania w wybranym obszarze (w porównaniu do CCD).

Różne typy czujników wykorzystują różne zasady naświetlania: CCD wykorzystuje globalną migawkę, a CMOS wykorzystuje technologie Rolling Shutter (przyjrzymy się temu tematowi bardziej szczegółowo w osobnym artykule).

Dlatego biorąc pod uwagę wszystkie powyższe, jeśli:

Wymagana duża prędkość fotografowania - Potrzebujesz kamer z czujnikami CMOS.

Wymagana jest wysoka czułość na światło - Potrzebujesz kamer z czujnikami CCD (lub CMOS z technologią „back-iluminated”).

Potrzebujesz niewielkiej ilości „szumu cyfrowego” - potrzebujesz kamer z czujnikami CCD.

Potrzebujesz nieco tańszego rozwiązania - potrzebujesz kamer z matrycami CMOS.

Podsumowując, należy zauważyć, że w każdym przypadku wybór aparatu powinien zależeć od zakresu zastosowania, a nie tylko na podstawie właściwości technicznych.

Nasi specjaliści pomogą Ci wybrać aparat specjalnie dla Twoich potrzeb!

Nowoczesne kamery wideo aktywnie wykorzystują 2 rodzaje matryc: CMOS i CCD. Czujnik CMOS (CMOS) zbudowany w oparciu o technologię CMOS, od której wzięła się nazwa tego produktu (komplementarna struktura metal-tlenek-półprzewodnik, komplementarna struktura metal-tlenek-półprzewodnik). Jeśli w kamerach segmentu średniej ceny obie opcje są używane w przybliżeniu w równych proporcjach, to w budżetowych systemach wideo częściej stosuje się CMOS.

Zasada działania tej technologii jest następująca:

• Podawany jest sygnał resetujący;
• Diody gromadzą ładunek podczas ekspozycji;
• Trwa odczytywanie parametrów.

Pomimo długiej historii stosowania matryce tego typu nie są przestarzałe. W dalszym ciągu pozwalają one na realizację zadania organizacji monitoringu wizyjnego na terenie obiektu. Co roku wypuszczane są nowe modele aparatów wyposażonych w matrycę CMOS.

Główne zalety

Kluczowe powody, dla których warto wybrać Matryce CMOS (CMOS).:

• Niski koszt w porównaniu do analogów CCD. Wraz ze wzrostem rozmiarów różnica w kosztach nadal rośnie;
• Niskie zużycie energii. Istotny czynnik w przypadku zasilania kamery z akumulatora, przestarzałej sieci elektrycznej obiektu lub znacznej liczby podłączonych urządzeń;
• Możliwość przycięcia odczytu - analiza dowolnych pikseli, zwiększenie prędkości zapisu. Nie ma potrzeby odczytywania wszystkich informacji na raz, jak w przypadku kamery CCD. Poprawia jakość ręcznego ustawiania ostrości;
• Stosowany w miniaturowych kamerach wideo.

Wady

Wybierając tego typu element warto wziąć pod uwagę ograniczenia technologii CMOS:

• Zwiększone nagrzewanie się urządzenia, zwiększony hałas;
• Niska światłoczułość matrycy w starszych modelach aparatów. Teraz sytuacja została częściowo naprawiona dzięki nowej linii sprzętu z technologią Exmor ze zwiększoną czułością pikseli;
• Zakrzywiony obraz szybko poruszających się obiektów. Efekt rolowanej migawki.

Z biegiem czasu technologia jest udoskonalana, a luka w tych obszarach w stosunku do matryc CCD maleje.

Zakres zastosowania matryc CMOS

Elementy CMOS ze względu na swoją niezawodność, niski koszt i elastyczną konfigurację znajdują szerokie zastosowanie w wielu obszarach naszego życia. Przede wszystkim w fotografii telefony i aparaty wyposażane są właśnie w te matryce, zaspokajające potrzeby użytkownika. Drugie miejsce – monitoring wizyjny:

• Podczas ochrony mieszkań;
• Nadzór lotniska;
• Kontrola placu budowy;
• W biurze;
• W centrum handlowym;
• W magazynie;
• Dla innych obiektów o innych warunkach pracy.

Matryce można spotkać w drogach (monitorujących zachowania użytkowników dróg), nauce, medycynie i przemyśle.

Przetwornik obrazu to najważniejszy element każdej kamery wideo. Obecnie prawie wszystkie aparaty wykorzystują czujniki obrazu CCD lub CMOS. Obydwa typy sensorów realizują zadanie zamiany obrazu zbudowanego na sensorze przez soczewkę na sygnał elektryczny. Jednak pytanie, który czujnik jest lepszy, nadal pozostaje otwarte.

NI Chura
Doradca techniczny
Grupa Microvideo spółka z ograniczoną odpowiedzialnością

CCD jest czujnikiem analogowym, pomimo dyskretności struktury światłoczułej. Kiedy światło pada na matrycę, każdy piksel gromadzi ładunek lub pakiet elektronów, który po odczytaniu przez ładunek jest przekształcany w napięcie sygnału wideo proporcjonalne do oświetlenia pikseli. Minimalna liczba przejść pośrednich tego ładunku oraz brak aktywnych urządzeń zapewniają wysoką tożsamość elementów czułych na CCD.

Matryca CMOS to urządzenie cyfrowe z aktywnymi czujnikami pikselowymi. Każdy piksel ma swój własny wzmacniacz, który przekształca ładunek czułego elementu na napięcie. Dzięki temu możliwe jest kontrolowanie każdego piksela niemal indywidualnie.

Ewolucja CCD

Od czasu wynalezienia matrycy CCD przez Bell Laboratories (lub Bell Labs) w 1969 r. rozmiary przetworników obrazu stale się zmniejszają. Jednocześnie wzrosła liczba wrażliwych elementów. To w naturalny sposób doprowadziło do zmniejszenia rozmiaru pojedynczego wrażliwego elementu (piksela), a co za tym idzie, jego czułości. Na przykład od 1987 roku rozmiary te zmniejszyły się 100-krotnie. Ale dzięki nowym technologiom czułość jednego elementu (a co za tym idzie całej matrycy) nawet wzrosła.

Co pozwoliło nam dominować
Od samego początku dominującymi czujnikami stały się matryce CCD, ponieważ zapewniały lepszą jakość obrazu, mniej szumów, wyższą czułość i większą jednolitość pikseli. Główne wysiłki mające na celu ulepszenie technologii miały na celu poprawę wydajności CCD.

Jak rośnie wrażliwość
W porównaniu do popularnej matrycy Sony HAD o standardowej rozdzielczości (500x582) z końca lat 90-tych. (ICX055) czułość modeli z bardziej zaawansowaną technologią Super HAD wzrosła prawie 3-krotnie (ICX405) i Ex-view HAD - 4-krotnie (ICX255). I dla wersji czarno-białej i kolorowej.

W przypadku matryc o wysokiej rozdzielczości (752x582) sukcesy są nieco mniej imponujące, ale jeśli porównamy modele obrazu kolorowego Super HAD z najnowocześniejszymi technologiami Ex-view HAD II i Super HAD II, wzrost czułości będzie 2,5 i 2,4-krotny odpowiednio. I to pomimo zmniejszenia wielkości pikseli o prawie 30%, bo mowa o matrycach najnowocześniejszego formatu 960H ze zwiększoną liczbą pikseli do 976x582 dla standardu PAL. Do przetwarzania takiego sygnału firma Sony oferuje całą gamę procesorów sygnałowych Effio.

Dodano komponent IR
Jedną ze skutecznych metod zwiększania czułości całkowej jest rozszerzenie charakterystyki widmowej czułości na obszar podczerwieni. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku matrycy Ex-view. Dodatek składnika IR nieco zniekształca przeniesienie względnej jasności kolorów, ale dla wersji czarno-białej nie jest to krytyczne. Jedyny problem pojawia się przy oddawaniu barw w kamerach dzień/noc ze stałą czułością IR, czyli bez mechanicznego filtra IR.

Rozwój tej technologii w modelach Ex-view HAD II (ICX658AKA) w porównaniu z poprzednią wersją (ICX258AK) zapewnia wzrost czułości całkowej zaledwie o 0,8 dB (od 1100 do 1200 mV) przy jednoczesnym wzroście czułości przy długość fali 950 nm o 4,5 dB. Na ryc. 1 przedstawiono charakterystykę czułości widmowej tych matryc, a rys. 2 – stosunek ich czułości całkowej.

Innowacja optyczna
Inną metodą zwiększenia czułości CCD jest zwiększenie wydajności mikrosoczewek pikselowych, obszaru światłoczułego i optymalizacja filtrów barwnych. Na ryc. Rycina 3 przedstawia strukturę matryc Super HAD i Super HAD II, pokazując zwiększenie powierzchni soczewki i obszaru światłoczułego najnowszej modyfikacji.

Dodatkowo matryce Super HAD II znacznie zwiększyły transmisję filtrów świetlnych i ich odporność na blaknięcie. Ponadto rozszerzono transmisję w zakresie krótkich fal widma (niebieski), co poprawiło oddawanie barw i balans bieli.

Na ryc. Rysunek 4 przedstawia charakterystykę czułości widmowej matryc Sony 1/3" Super HAD (ICX229AK) i Super HAD II (ICX649AKA).

CCD: wyjątkowa czułość

Podsumowując, powyższe środki przyniosły znaczące rezultaty w poprawie wydajności CCD.

Nie jest możliwe porównanie cech nowoczesnych modeli z wcześniejszymi wersjami, ponieważ nie produkowano wówczas matryc kolorów do powszechnego użytku, nawet o standardowej wysokiej rozdzielczości. Z kolei matryce czarno-białe o standardowej rozdzielczości wykorzystujące najnowsze technologie Ex-view HAD II i Super HAD II nie są obecnie produkowane.

W każdym razie pod względem czułości matryce CCD są nadal nieosiągalnym punktem odniesienia dla CMOS, dlatego nadal są szeroko stosowane, z wyjątkiem wariantów megapikselowych, które są bardzo drogie i wykorzystywane głównie do zadań specjalnych.

CMOS: zalety i wady

Czujniki CMOS wynaleziono pod koniec lat 70. XX wieku, jednak ich produkcję rozpoczęto dopiero w latach 90. ze względu na problemy technologiczne. Natychmiast wyłoniły się ich główne zalety i wady, które pozostają aktualne do dziś.

Zalety obejmują większą integrację czujników i opłacalność, szerszy zakres dynamiki, łatwość produkcji i niższy koszt, szczególnie w przypadku wariantów megapikselowych.

Z drugiej strony matryce CMOS mają niższą czułość ze względu na duże straty w filtrach RGB i mniejszą powierzchnię użytkową elementu światłoczułego. Ze względu na dużą liczbę elementów przejściowych, w tym wzmacniaczy na ścieżce każdego piksela, zapewnienie jednolitości parametrów wszystkich czułych elementów jest znacznie trudniejsze w porównaniu z CCD. Jednak udoskonalenia technologiczne zbliżyły czułość CMOS do najlepszych konstrukcji CCD, zwłaszcza w wersjach megapikselowych.

Pierwsi zwolennicy CMOS argumentowali, że struktury te byłyby znacznie tańsze, ponieważ można je wytwarzać na tym samym sprzęcie i technologiach, co układy pamięci i logiczne. Pod wieloma względami założenie to potwierdziło się, ale nie całkowicie, ponieważ udoskonalenie technologii doprowadziło do procesu produkcyjnego niemal identycznego pod względem złożoności jak w przypadku CCD.

Wraz z poszerzaniem się kręgu konsumentów poza standardową telewizję, rozdzielczość matryc zaczęła stale rosnąć. Są to kamery domowe, kamery elektroniczne oraz kamery wbudowane w urządzenia komunikacyjne. Swoją drogą, w przypadku urządzeń mobilnych kwestia wydajności jest dość istotna, a tutaj czujnik CMOS nie ma konkurencji. Na przykład od połowy lat 90. Rozdzielczość matryc zwiększała się rocznie o 1–2 miliony elementów i obecnie osiąga 10–12 Mpcs. Co więcej, popyt na czujniki CMOS stał się dominujący i obecnie przekracza 100 milionów sztuk.

CMOS: poprawiona czułość

Pierwsze próbki kamer monitoringu z przełomu lat 90. i 2000. z matrycami CMOS miały rozdzielczość 352x288 pikseli i czułość nawet dla czerni i bieli na poziomie około 1 luksa. Wersje kolorowe o standardowej rozdzielczości różniły się czułością rzędu 7–10 luksów.

Co oferują dostawcy?
Obecnie czułość matryc CMOS z pewnością wzrosła, jednak dla typowych opcji obrazu kolorowego nie przekracza wartości rzędu kilku luksów przy rozsądnych wartościach liczby F obiektywu (1,2–1,4). Potwierdzają to specyfikacje techniczne marek monitoringu wideo IP, które wykorzystują matryce CMOS ze skanowaniem progresywnym. Producenci, którzy deklarują czułość na poziomie około dziesiątych części luksa, zwykle określają, że są to dane dla niższej liczby klatek na sekundę, trybu akumulacji lub przynajmniej włączonej i wystarczająco głębokiej AGC (AGC). Co więcej, w przypadku niektórych producentów kamer IP maksymalna AGC osiąga zadziwiającą wartość –120 dB (1 milion razy). Można mieć nadzieję, że czułość w tym przypadku w zamyśle producentów zakłada przyzwoity stosunek sygnału do szumu, pozwalający zaobserwować na ekranie coś więcej niż tylko „śnieg”.

Innowacja poprawia jakość wideo
Chcąc poprawić wydajność matryc CMOS, firma Sony zaproponowała szereg nowych technologii, które umożliwiają praktyczne porównanie matryc CMOS z CCD pod względem czułości, stosunku sygnału do szumu w wersjach megapikselowych.

Nowa technologia produkcji matryc Exmor polega na zmianie kierunku padania strumienia światła na matrycę. W typowej architekturze światło pada na przednią powierzchnię płytki krzemowej przez przewody obwodu matrycy i obok nich. Światło jest rozpraszane i blokowane przez te elementy. W nowej modyfikacji światło wpada na tylną stronę płytki krzemowej. Doprowadziło to do znacznego wzrostu czułości i redukcji szumów matrycy CMOS. Na ryc. Rysunek 5 wyjaśnia różnice pomiędzy strukturami macierzy standardowej i macierzy Exmor, pokazane w sekcji.

Zdjęcie 1 przedstawia zdjęcia obiektu testowego wykonane przy oświetleniu 100 luksów (F4,0 i 1/30 s) aparatem z CCD (oświetlenie przednie) i CMOS Exmor, mającym ten sam format i rozdzielczość 10 megapikseli. Oczywiście obraz z kamery CMOS jest co najmniej tak dobry jak obraz z CCD.

Innym sposobem na poprawę czułości czujników CMOS jest odejście od prostokątnego układu pikseli z przesuniętymi liniowo elementami czerwonymi i niebieskimi. W tym przypadku przy konstrukcji jednego elementu rozdzielczości wykorzystywane są dwa zielone piksele – niebieski i czerwony z różnych rzędów. Zamiast tego zaproponowano ukośny układ elementów, wykorzystujący sześć sąsiadujących ze sobą zielonych elementów w celu zbudowania jednego elementu rozdzielczości. Technologia ta nosi nazwę ClearVid CMOS. Do przetwarzania zakłada się mocniejszy procesor sygnału obrazu. Różnicę w strukturze rozmieszczenia kolorowych elementów ilustruje ryc. 6.

Informacje są odczytywane przez szybki, równoległy przetwornik analogowo-cyfrowy. Jednocześnie częstotliwość klatek skanowania progresywnego może osiągnąć 180, a nawet 240 fps. Podczas równoległego rejestrowania informacji eliminowane jest przesunięcie przekątnej kadru typowe dla kamer CMOS z sekwencyjną ekspozycją i odczytem sygnału, tzw. efekt Rolling Shutter - gdy całkowicie nie ma charakterystycznego rozmycia szybko poruszających się obiektów.

Zdjęcie 2 przedstawia obrazy obracającego się wentylatora wykonane kamerą CMOS przy częstotliwości klatek 45 i 180 kl./s.

Pełna rywalizacja

Jako przykłady podaliśmy technologie Sony. Naturalnie matryce CMOS, podobnie jak CCD, produkowane są także przez inne firmy, choć nie na taką skalę i nie tak powszechnie znane. W każdym razie wszyscy w ten czy inny sposób podążają w przybliżeniu tą samą ścieżką i korzystają z podobnych rozwiązań technicznych.

W szczególności dobrze znana technologia matryc Panasonic Live-MOS znacznie poprawia również charakterystykę matryc CMOS i oczywiście podobnymi metodami. W matrycach Panasonic zmniejszono odległość od fotodiody do mikrosoczewki. Przesyłanie sygnałów z powierzchni fotodiody jest uproszczone. Liczba sygnałów sterujących została zmniejszona z 3 (standard CMOS) do 2 (jak w CCD), co zwiększyło światłoczuły obszar piksela. Zastosowano wzmacniacz fotodiodowy o niskim poziomie szumów. Zastosowano cieńszą strukturę warstwy czujnika. Obniżone napięcie zasilania zmniejsza hałas i ciepło matrycy.

Można stwierdzić, że megapikselowe matryce CMOS mogą już z powodzeniem konkurować z CCD nie tylko ceną, ale także tak problematycznymi dla tej technologii cechami, jak czułość i poziom szumów. Jednak w tradycyjnych formatach telewizji CCTV matryce CCD pozostają bezkonkurencyjne.

Matryca jest głównym elementem konstrukcyjnym kamery i jednym z kluczowych parametrów branych pod uwagę przez użytkownika przy wyborze kamery. Matryce współczesnych aparatów cyfrowych można klasyfikować według kilku znaków, jednak głównym i najczęściej spotykanym jest nadal dzielenie matryc według metoda odczytu ładunku, na: macierzach CCD wpisz i CMOS matryce. W tym artykule przyjrzymy się zasadzie działania, a także zaletom i wadom tych dwóch rodzajów matryc, gdyż to one są szeroko stosowane we współczesnym sprzęcie fotograficznym i wideo.

matryca CCD

Matryca CCD nazywane również matryca CCD(Urządzenia ze sprzężonym ładowaniem). CCD matryca to prostokątna płytka z elementami światłoczułymi (fotodiodami) umieszczona na półprzewodnikowym krysztale krzemu. Zasada jego działania opiera się na liniowym przemieszczaniu się ładunków, które zgromadziły się w dziurach utworzonych przez fotony w atomach krzemu. Oznacza to, że podczas zderzenia z fotodiodą foton światła jest pochłaniany i uwalniany jest elektron (występuje wewnętrzny efekt fotoelektryczny). W rezultacie powstaje ładunek, który należy w jakiś sposób zmagazynować do dalszego przetwarzania. W tym celu w krzemowe podłoże matrycy wbudowany jest półprzewodnik, nad którym umieszczona jest przezroczysta elektroda wykonana z polikrystalicznego krzemu. Z kolei w wyniku przyłożenia potencjału elektrycznego do tej elektrody w strefie zubożenia pod półprzewodnikiem powstaje tzw. studnia potencjału, w której magazynowany jest ładunek otrzymany od fotonów. Podczas odczytu ładunku elektrycznego z matrycy ładunki (zgromadzone w studniach potencjału) przenoszone są wzdłuż elektrod przesyłowych do krawędzi matrycy (szeregowy rejestr przesuwny) i w stronę wzmacniacza, który wzmacnia sygnał i przekazuje go do przetwornika analogowo-analogowego. przetwornik cyfrowy (ADC), skąd przetworzony sygnał przesyłany jest do procesora, który przetwarza sygnał i zapisuje powstały obraz na karcie pamięci .

Do produkcji matryc CCD stosuje się fotodiody polikrzemowe. Takie matryce są niewielkie i pozwalają uzyskać zdjęcia dość wysokiej jakości podczas fotografowania w normalnym oświetleniu.

Zalety CCD:

1. Konstrukcja matrycy zapewnia dużą gęstość rozmieszczenia fotokomórek (pikseli) na podłożu;
2. Wysoka wydajność (stosunek zarejestrowanych fotonów do ich całkowitej liczby wynosi około 95%);
3. Wysoka czułość;
4. Dobre oddawanie barw (przy wystarczającym oświetleniu).

Wady CCD:

1. Wysoki poziom hałasu przy wysokim ISO (przy niskim ISO poziom hałasu jest umiarkowany);
2. Niska prędkość pracy w porównaniu do matryc CMOS;
3. Wysokie zużycie energii;
4. Bardziej złożona technologia odczytu sygnału, ponieważ wymaganych jest wiele chipów sterujących;
5. Produkcja jest droższa od matryc CMOS.

Matryca CMOS

Matryca CMOS, Lub Matryca CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductors) wykorzystuje aktywne czujniki punktowe. W przeciwieństwie do matryc CCD, czujniki CMOS zawierają oddzielny tranzystor w każdym elemencie światłoczułym (pikselu), dzięki czemu konwersja ładunku odbywa się bezpośrednio w pikselu. Powstały ładunek można odczytać z każdego piksela indywidualnie, co eliminuje potrzebę przenoszenia ładunku (jak ma to miejsce w przypadku matryc CCD). Piksele czujnika CMOS są zintegrowane bezpośrednio z przetwornikiem analogowo-cyfrowym, a nawet procesorem. W wyniku zastosowania tak racjonalnej technologii następuje oszczędność energii poprzez redukcję łańcuchów działań w porównaniu z matrycami CCD, a także obniżenie kosztu urządzenia ze względu na prostszą konstrukcję.

Krótka zasada działania czujnika CMOS: 1) Przed wykonaniem zdjęcia do tranzystora resetującego podawany jest sygnał resetujący. 2) Podczas naświetlania światło przenika przez soczewkę i filtr do fotodiody i w wyniku fotosyntezy w studni potencjału gromadzi się ładunek. 3) Odczytuje się wartość odbieranego napięcia. 4) Przetwarzanie danych i zapisywanie obrazu.

Zalety czujników CMOS:

1. Niskie zużycie energii (szczególnie w trybach czuwania);
2. Wysoka wydajność;
3. Wymaga mniejszych kosztów produkcji ze względu na podobieństwo technologii do produkcji mikroukładów;
4. Jedność technologii z innymi elementami cyfrowymi, która pozwala łączyć części analogowe, cyfrowe i przetwarzające w jednym chipie (tj. Oprócz przechwytywania światła w pikselu można konwertować, przetwarzać i oczyszczać sygnał z szumu).
5. Możliwość losowego dostępu do każdego piksela lub grupy pikseli, co pozwala zmniejszyć rozmiar przechwytywanego obrazu i zwiększyć prędkość odczytu.

Wady matryc CMOS:

1. Fotodioda zajmuje niewielką powierzchnię piksela, co skutkuje małą światłoczułością matrycy, jednak we współczesnych matrycach CMOS wada ta została praktycznie wyeliminowana;
2. Obecność szumu termicznego z tranzystorów grzewczych wewnątrz piksela podczas procesu odczytu.
3. Stosunkowo dużych gabarytów fotosprzęt z tego typu matrycą charakteryzuje się dużą wagą i rozmiarami.

Oprócz powyższych typów istnieją również matryce trójwarstwowe, z których każda warstwa jest CCD. Różnica polega na tym, że komórki mogą jednocześnie postrzegać trzy kolory, które tworzą dichroiczne pryzmaty, gdy uderza w nie wiązka światła. Każda wiązka jest następnie kierowana do osobnej matrycy. Dzięki temu jasność kolorów niebieskiego, czerwonego i zielonego jest określana natychmiast na fotokomórce. W kamerach wideo wysokiego poziomu stosowane są matryce trójwarstwowe, które mają specjalne oznaczenie - 3CCD.

Podsumowując, pragnę zauważyć, że wraz z rozwojem technologii wytwarzania matryc CCD i CMOS zmieniają się także ich właściwości, dlatego coraz trudniej jest stwierdzić, która z matryc jest zdecydowanie lepsza, ale jednocześnie CMOS matryce cieszą się ostatnio coraz większą popularnością w produkcji lustrzanek jednoobiektywowych. Bazując na charakterystycznych cechach różnych typów matryc, można jasno zrozumieć, dlaczego profesjonalny sprzęt fotograficzny zapewniający wysoką jakość zdjęć jest dość nieporęczny i ciężki. O tych informacjach zdecydowanie warto pamiętać przy wyborze aparatu – czyli brać pod uwagę fizyczne wymiary matrycy, a nie liczbę pikseli.

Jak wiadomo, aparaty fotograficzne dzielą się na dwie duże kategorie – analogowe i cyfrowe – w zależności od światłoczułej powierzchni, na której rejestrowany jest obraz. W aparacie analogowym tą powierzchnią była klisza fotograficzna - prosta rzecz o określonej światłoczułości, pewna liczba jednorazowych klatek, z których po obróbce chemicznej można było uzyskać odcisk obrazu na papierze.

W aparatach cyfrowych tę podstawową rolę pełni matryca. Matryca— urządzenie, którego główną funkcją jest digitalizacja określonych parametrów światła padającego na jego powierzchnię. Proces ten szczegółowo i wyraźnie pokazano w doskonałym filmie Discovery w naszym artykule „”, jeśli jeszcze go nie oglądałeś, koniecznie to zrób!

Istnieją dwie główne, najpopularniejsze i jednocześnie konkurencyjne technologie matrycowe - są to CCD I CMOS. Zastanówmy się dzisiaj, co różnica pomiędzy CCD I CMOS matryce?

Postaramy się zrozumieć ich różnice bez zagłębiania się w szczegóły fizyki, żeby mieć pojęcie nie tylko o tym, jak działa aparat, ale także o tym, jaka matryca aktualnie znajduje się w Twoim aparacie. Myślę, że dla początkującego fotografa to wystarczy, ale zainteresowani szczegółami mogą zagłębić się dalej we własnym zakresie.

Matryca CCD, źródło: Wikipedia

Więc, CCD- Ten urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym (CCD - urządzenie z ładowaniem zwrotnym). Początkowo uważano, że ten typ matrycy jest wyższej jakości, ale jednocześnie droższy i energochłonny. Jeśli wyobrazić sobie w skrócie podstawową zasadę działania matrycy CCD, to zbierają cały obraz w wersji analogowej, a dopiero potem go digitalizują.

W odróżnieniu od matryc CCD, Matryca CMOS (uzupełniający półprzewodnik z tlenkiem metalu, logika uzupełniająca na tranzystorach z tlenkiem metalu i półprzewodnikiem, CMOS), digitalizuj każdy piksel na miejscu. Matryce CMOS były początkowo mniej energochłonne i tańsze, zwłaszcza przy produkcji dużych matryc, jednak jakościowo ustępowały matrycom CCD.

Czujnik CMOS, źródło: Wikipedia

Matryce CCD charakteryzują się wyższą jakością obrazu i nadal pozostają popularne w medycynie, przemyśle i nauce, gdzie jakość obrazu ma kluczowe znaczenie. W ostatnim czasie matryce CCD zmniejszyły zużycie i koszty energii, a matryce CMOS znacznie poprawiły jakość obrazu, zwłaszcza po rewolucji technologicznej w produkcji matryc CMOS, kiedy przy wykorzystaniu technologii Active Pixel Sensors (APS) do każdego z nich dodano wzmacniacz tranzystorowy piksel do odczytu, co umożliwiło konwersję ładunku na napięcie bezpośrednio w pikselu. Dało to przełom w technologii CMOS, która już w 2008 roku stała się praktycznie alternatywą dla matryc CCD. Co więcej, technologia CMOS umożliwiła nagrywanie wideo i wprowadzenie tej funkcji do nowoczesnych aparatów, a większość nowoczesnych aparatów cyfrowych wyposażona jest w matryce CMOS.