Чем матрица CCD отличается от матрицы CMOS
Отношение производителей конечной продукции к выбору между CCD и CMOS радикально поменялось в 2001 г., когда основные поставщики впервые высказали общую точку зрения, касающуюся разграничения сфер их применения. К тому времени стало очевидным, что CCD обеспечивает лучшие показатели при съемке динамичных и мелких объектов, поэтому ее предлагалось использовать для построения систем, требующих высокого качества изображения: цифровых фото- и видео камер, медицинского оборудования и т. д. CMOS же отводилась ниша устройств, для которых критична конечная стоимость — недорогие фотоаппараты, бытовая, офисная техника и игрушки.
Опыт производства, накопленный за годы развития CMOS, позволил с каждым новым поколением этих сенсоров существенно снижать фиксированные и случайные шумы, влияющие на качество картинки. Еще одно слабое место CMOS — искажения, появляющиеся при захвате динамического изображения вследствие слабой чувствительности сенсора.
В современных устройствах их удается избежать, а захват изображения без особых артефактов возможен со скоростью 15-30 кадров/с, и уже 0,3-мегапиксельные CMOS-сенсоры фактически были избавлены от этой проблемы.
Однако победа в конкуренции технологий, скорее всего, лежит в плоскости уменьшения площади пиксела. Для успеха на рынке 1-мегапиксельных при диагонали 1/4 дюйма площадь пиксела должна составлять не более 3 мкм2. При всех усилиях производителей CMOS удовлетворить таким требованиям они пока не могут, поэтому, как считают эксперты, по крайней мере в ближайшее время в данной нише будет господствовать CCD.
Многие крупные производители компонентов выпускают и CMOS-сенсоры, и CCD-матрицы. Например, Sharp, крупнейший в мире поставщик модулей захвата изображения (и CCD, и CMOS), считает 2003 год эпохой настоящего расцвета технологии CCD.
К преимуществам CCD матриц относятся:
- Низкий уровень шумов.
- Высокий коэффициент заполнения пикселов (около 100%).
- Высокая эффективность (отношение числа зарегистрированных фотонов к их общему числу, попавшему на светочувствительную область матрицы, для CCD — 95%).
- Высокий динамический диапазон (чувствительность).
К недостаткам CCD матриц относятся:
- Сложный принцип считывания сигнала, а следовательно и технология.
- Высокий уровень энергопотребления (до 2-5Вт).
- Дороже в производстве.
Преимущества CMOS матриц:
- Высокое быстродействие(до 500 кадров/с).
- Низкое энергопотребление(почти в 100 раз по сравнению с CCD).
- Перспективность технологии( на том же кристалле в принципе ничего не стоит реализовать все необходимые дополнительные схемы: аналого-цифровые преобразователи, процессор, память, получив, таким образом, законченную цифровую камеру на одном кристалле. Созданием такого устройства, кстати, с 2002 года занимаются совместно Samsung Electronics и Mitsubishi Electric).
Созданием такого устройства, кстати, с 2002 года занимаются совместно Samsung Electronics и Mitsubishi Electric).К недостаткам CMOS матриц относятся
- Низкий коэффициент заполнения пикселов, что снижает чувствительность(эффективная поверхность пиксела ~75%,остальное занимают транзисторы).
- Высокий уровень шума (он обусловлен так называемыми темповыми токами — даже в отсутствие освещения через фотодиод течет довольно значительный ток) борьба с которым усложняет и удорожает технологию.
- Невысокий динамический диапазон.
CMOS и CCD матрицы для автомобильных камер заднего вида
На сегодняшний день существует две различные, часто рассматриваемые как конкурирующие, технологии по производству датчиков, обеспечивающих получение цифрового изображения. Первая – прибор с обратной зарядной связью (ПЗС), вторая – комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник (КМОП).
И те, и другие датчики обладают уникальными достоинствами и слабыми сторонами, которые делают их пригодными для разного рода применений. Несмотря на утверждения производителей, каждый из которых отстаивает преимущество именно своей технологии, невозможно категорически утверждать, что одни датчики лучше, чем другие. Основанием для выбора той или иной линейки датчиков служит область применения и предпочтения конкретного пользователя.
Оба типа датчиков работают по схеме формирования электрического заряда из обычного света с последующей реализацией его в виде электрического сигнала. Датчик ПЗС содержит предельно малое количество узлов выхода (зачастую – всего один), которые преобразуют в напряжение заряд каждого уловленного пикселя, буферизуют его и посылают на выходы микросхемы в качестве аналогового сигнала. Захватом изображения могут заниматься все пиксели, что обеспечивает весьма хорошую однородность выходов (output’s uniformity), которая является ключевым фактором качества изображения.
КМОП-датчик содержит индивидуальные преобразователи заряда в напряжение для каждого пикселя, а также зачастую имеет схему для оцифровки, что обеспечивает подачу на выходы микросхемы цифрового сигнала. Однако наличие этих дополнительных функциональных узлов уменьшает использующуюся для уловления падающего света площадь кристалла. Наличие собственного преобразователя для каждого пикселя также понижает однородность выхода КМОП датчиков. Зато для датчиков этого типа требуется значительно меньшее число внешних схем, выполняющих основные операции.
С начала 1970х годов лидирующую позицию на рынке твердотельных датчиков занимали датчики ПЗС. Основной причиной тому служило более высокое качество изображения, которое они предоставляли. Существовавшие в то время в кремниевой промышленности технологии не могли обеспечить большую однородность и малые размеры элементов, требуемые для производства КМОП датчиков. Однако лишь относительно недавно был достигнут уровень полупроводникового производства, позволяющий изготавливать пригодные по качеству и цене для использования в системах, дающих изображение среднего уровня, датчики КМОП.
CMOS день
CCD день
CCD ночь
Тем не менее, до сих пор датчики ПЗС обеспечивают более высокое качество изображения (по шумам и квантовой эффективности), равно как и большую гибкость затрат на этапе разработки системы. Именно поэтому они продолжают превалировать в областях, требующих наилучшего качества изображения, таких как наука, медицина и промышленность.
Преимуществами КМОП-датчиков являются большая интеграция (количество функций на одном кристалле), меньшая рассеиваемая мощность (опять же на уровне одного кристалла) и более компактный размер системы. Платой за это является качество изображения и гибкость. Они идеально подходят для компактных изделий, для которых качество изображения менее важно, чем габариты, например, для камер видеонаблюдения, периферийных компьютерных устройств, игрушек, факсов и некоторых автомобильных устройств.
По стоимости кристаллов оба типа датчиков примерно равны. Ранее сторонниками технологии КМОП утверждалось, что эти датчики гораздо дешевле за счёт возможности применения при их изготовлении тех же технологических линий, на которых производятся микросхемы логики и памяти высокой плотности. Но оказалось, что это не совсем верно. Для получения хорошего качества изображения, при производстве датчиков КМОП необходимо использование специальных технологических процессов, характерных для устройств, обрабатывающих смешанные сигналы низкой плотности. Кроме того, производство КМОП-датчиков требует большего количества кремния. Также, несмотря на меньшее количество компонентов и более низкую потребляемую мощность, для компенсации потери качества изображения КМОП-камере может потребоваться применение дополнительных схем для обработки сигнала.
Инвестируемые в разработку и производство КМОП-датчиков финансы позволяют постоянно совершенствовать их, приближая качество изображения к тому, что обеспечивается датчиками ПЗС.
Разница между КМОП и ПЗС и почему КМОП-датчики предпочтительнее для камер машинного зрения
Производители все чаще оценивают КМОП-датчики для приложений, которые когда-то требовали исключительно возможностей более дорогих ПЗС-датчиков. Из-за своей экономической эффективности и растущих возможностей датчики CMOS быстро становятся предпочтительным выбором производителей камер машинного зрения.
Датчик CMOS — это цифровое устройство. КМОП расшифровывается как «комплементарный металл-оксид-полупроводник». Датчик КМОП преобразует заряд светочувствительного пикселя в напряжение на месте пикселя. Затем сигнал мультиплексируется по строкам и столбцам на несколько встроенных цифро-аналоговых преобразователей. Датчики CMOS имеют высокую скорость, низкую чувствительность и высокий уровень шума с фиксированной диаграммой направленности.
ПЗС-датчик — это «устройство с зарядовой связью».
Как и датчик CMOS, он преобразует свет в электроны. В отличие от датчика CMOS, это аналоговое устройство. Это кремниевый чип, который содержит множество светочувствительных участков. Будучи аналоговым устройством, выходной сигнал немедленно преобразуется в цифровой сигнал с помощью аналого-цифрового преобразователя. Напряжение считывается с каждого участка для восстановления изображения.
В течение долгого времени ПЗС-датчик был преобладающей технологией для захвата высококачественных изображений с низким уровнем шума. Но датчики CCD дороги в производстве, поэтому они часто имеют более высокую цену. Они также потребляют больше энергии, чем датчики CMOS, иногда в сто раз больше. К счастью, технология КМОП-сенсоров достигла такого уровня, когда она быстро приближается к качеству и возможностям технологии ПЗС, при значительно более низкой цене, меньшем размере и энергопотреблении.
хорошо подходят для машинного зрения
Современные камеры уменьшились в размерах благодаря растущим возможностям сенсора CMOS.
Обладая невиданным ранее разрешением, чувствительностью к слабому освещению, инновациями в пикселях и вариантами массива цветных фильтров RGB-NIR, датчики CMOS заменяют ПЗС-матрицы для производства камер и решений для обработки изображений для большинства промышленных, медицинских и научные приложения.
КМОП-камеры могут иметь более высокую частоту кадров, чем их ПЗС-аналоги. Это связано с тем, что считывание пикселей может быть выполнено быстрее, чем ожидание переноса заряда ПЗС. Эта функция важна для систем машинного зрения, которые часто полагаются на обработку изображений в реальном времени для автоматизации или анализа данных изображений.
То, как датчики CMOS и CCD реагируют на инфракрасные волны, также важно для систем машинного зрения. Датчики CMOS более чувствительны к длинам волн инфракрасного излучения, чем датчики CCD. Производители КМОП-чипов и камер использовали это преимущество для улавливания ИК-излучения и предоставления дополнительных возможностей обработки изображений для распознавания изображений.
Инновации и будущее КМОП-сенсоров
Компания Canon лидирует, предлагая одни из самых захватывающих инновационных КМОП-сенсоров на уровне пикселей. Например, CMOS-сенсор Canon 2U250MRXS имеет беспрецедентное разрешение 250 МП, что позволяет фиксировать в 125 раз больше деталей, чем в формате Full HD. Этот датчик формата APS-H использует квадратное расположение пикселей 1,5 мкм x 1,5 мкм, обеспечивая сверхвысокое разрешение в компактном дизайне для использования в широком диапазоне приложений.
Впервые на промышленном рынке Canon предлагает несколько высокопроизводительных КМОП-сенсоров. Среди них CMOS-сенсор 35MMFHDXS_A с огромными пикселями размером 19 мкм, которые минимизируют шум и темновой ток и позволяют контролировать положение считывания и частоту кадров. КМОП-сенсор Canon 120MXS обеспечивает сверхвысокое разрешение 120 МП в компактном корпусе за счет количества пикселей, близкого к количеству фоторецепторов в человеческом глазу. Кроме того, есть 5-мегапиксельная CMOS-матрица Canon 3U5MGXSBA с глобальным затвором, которая обеспечивает быструю съемку изображений без искажений в формате 2/3 дюйма, более низкое энергопотребление и повышенную чувствительность.
RGB-NIR (ближний инфракрасный диапазон). Canon заменила один из зеленых фильтров на датчике фильтром NIR, который дает датчикам возможность «видеть» за пределами видимого спектра и позволяет системам машинного зрения классифицировать изображения на другом уровне.
Благодаря таким инновациям, как Canon, датчики CMOS станут ключевой частью будущего машинного зрения. Благодаря растущим возможностям датчика CMOS, компактному размеру и более низкой стоимости возможны расширенные приложения, такие как системы помощи водителю, предоставление видения передовым алгоритмам машинного обучения и улучшение функции дополненной реальности.
Для получения информации о возможностях CMOS-сенсоров Canon для вашего приложения обратитесь к эксперту по промышленным изображениям в Phase 1 Technology. Спросите об оценочном наборе, чтобы протестировать уникальные возможности CMOS-сенсоров Canon.
CCD против CMOS — разница и сравнение
CMOS и CCD датчики изображения преобразуют изображения (свет) в электронные сигналы.
ПЗС-сенсоры немного дешевле и представляют собой более старую и зрелую технологию. ПЗС- и КМОП-сенсоры подвержены различным проблемам: ПЗС-сенсоры более подвержены вертикальному смазыванию от ярких источников света, а КМОП-сенсоры подвержены перекосу, колебанию и частичному экспонированию. Однако ни одна из технологий не является явным победителем по качеству изображения.
Сравнительная таблица
| ПЗС | КМОП | |
|---|---|---|
| Акроним | Устройства с заряженной парой | Дополнительный полупроводниковый оксид металла |
| Стоимость | Дороже | Дешевле |
| Тип затвора | Общий | Роллинг |
| Перекос | Нет | Да |
| Колебание | Нет | Да |
| Частичное воздействие | Нет | Да |
| Вертикальный мазок | Да | № |
| Шум | Меньше | Подробнее |
| Энергоэффективность | Менее эффективный | Более эффективный |
Датчик изображения CMOS внутри камеры
Отличия затвора — глобальный затвор против вращающегося затвора
ПЗС-матрицы используют глобальный затвор, который экспонирует все изображение одновременно.
Это может привести к размытию изображения, если во время экспозиции произойдет какое-либо движение, но высокая скорость затвора предотвращает эту проблему.
КМОП-сенсоры оснащены «роллинг-шторками», которые экспонируют разные части кадра в разные моменты времени. Это может привести к перекосу, колебанию и частичной экспозиции на фотографиях.
В условиях хорошего освещения различия в механизмах затвора не вызывают никаких проблем. Однако в условиях низкой освещенности или при медленном мерцании света на отснятом материале (в случае видеозаписи) с датчиком CMOS может появиться темная полоса. Другой риск заключается в том, что при использовании вспышки изображение может оказаться разделенным на темную и яркую половины.
Вертикальное смазывание
ПЗС-сенсоры более восприимчивы к вертикальному смазыванию от яркого света, когда матрица перегружена, в то время как высококачественные КМОП-сенсоры не страдают от этой проблемы.
ПЗС-датчик на печатной плате.
Характеристики КМОП-датчиков по сравнению с ПЗС-сенсорами
ПЗС-датчики создают изображения высокого качества с низким уровнем шума (зернистости). Они более чувствительны к свету. Однако датчики CCD потребляют примерно в 100 раз больше энергии, чем эквивалентные датчики CMOS.
КМОП-изображения, как правило, имеют больше шума и нуждаются в большем количестве света для создания изображений с правильной экспозицией. Тем не менее, датчики CMOS намного более энергоэффективны, что приводит к увеличению срока службы батареи, и поскольку они со временем приближаются по качеству к ПЗС.
Как выбрать
ПЗС предпочтительнее, если вы хотите сфокусироваться на высококачественных изображениях с большим количеством пикселей и вам нужна отличная светочувствительность. Датчики CMOS предпочтительнее для высокоскоростных камер, поскольку они быстрее сканируют и выгружают отснятый материал.
Надежность
Хотя ПЗС раньше была более надежной, чем КМОП, в настоящее время между двумя типами датчиков нет разницы с точки зрения надежности.