Ccd или cmos что лучше: CCD и CMOS матрицы в видеокамерах. Различия между ПЗС и КМОП матрицами

Сравнение и применение CCD и CMOS

07 февраля, 2022

В настоящее время, существует две основные технологии, которые могут быть использованы при создании датчика изображения в камере, это CCD (Charge-Coupled Device, ПЗС – прибор c зарядовой связью) и CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semiconductor, КМОП – комплементарный металлооксидный полупроводник).

Оба типа датчика выполняют задачу преобразования изображения, построенного на сенсоре объективом, в электрический сигнал.

CCD является аналоговым устройством. Когда свет попадает на матрицу, в каждом пикселе накапливается заряд, преобразуемый при считывании на нагрузке в напряжение видеосигнала. Далее электрический потенциал усиливается за пределами светочувствительных сенсоров.

CMOS-матрица является цифровым устройством с активными чувствительными элементами (Active Pixel Sensor). С каждым пикселем работает свой усилитель, преобразующий заряд чувствительного элемента в напряжение. Происходит оцифровывание каждого пикселя в отдельности, что дает возможность практически индивидуально управлять каждым пикселем.

Цветовая фильтрация

Датчики изображений регистрируют объем света, упавшего на них (от светлого до темного), но без цветовой информации. Поскольку КМОП и ПЗС датчики изображений «не видят цвет», перед каждым из датчиков ставится фильтр, позволяющий присвоить каждому пикселю в датчике цветовой тон. Два основных метода цветовой регистрации: RGB (Red-Greed-Blue, Красный-Зеленый-Синий) и CMYG (Cyan-Magenta-Yellow-Green, Голубой-Пурпурный-Желтый-Зеленый).

Красный, зеленый и синий являются основными цветами, различные комбинации которых могут составить большинство цветов, воспринимаемых глазом человека.
RGB-цветовой фильтр состоит из сменяющих друг друга строк красно-зеленых и сине-зеленых фильтров. Фильтр содержит удвоенное количество зеленых «ячеек», что дает человеческому глазу увидеть больше деталей, чем если бы три цвета использовались в равной пропорции в фильтре.

CMYG-цветовой фильтр обычно предлагает более высокий сигнал пикселя, т.к. обладает более широкой спектральной полосой пропускания. Используются дополнительные цвета – голубой, пурпурный и желтый. Фильтр из дополнительных цветов обычно комбинируется c зеленым цветовым фильтром. При этом, сигнал должен быть преобразован в RGB для использования в итоговом изображении, что влечет за собой дополнительную обработку и вносит шумы, которые приводят к ухудшению передачи цветов.

CMYG-цветовой фильтр обычно используется в датчиках изображения c чересстрочной разверткой, а RGB-фильтры используются в датчиках изображения c прогрессивной разверткой. 

Матрица CCD

CCD-технология была изобретена специально для использования в видеокамерах. С момента изобретения CCD лабораторией Белла (Bell Labs) в 1969 г. размеры сенсора изображения непрерывно уменьшались. Одновременно увеличивалось число чувствительных элементов, что привело к уменьшению размеров единичного чувствительного элемента (пикселя), а соответственно и его чувствительности.

К преимуществам CCD матриц относятся:

• Низкий уровень шумов
• Высокий коэффициент заполнения пикселов (около 100%)
• Высокая эффективность (95%)
• Высокая чувствительность (динамический диапазон)

К недостаткам CCD матриц относятся:

• Сложный принцип считывания сигнала (технология)
• Высокий уровень энергопотребления (до 5 Вт)
• Стоимость изготовления
• Трудоемкий процесс производства
• Меньший показатель максимальной частоты смены кадров в секунду

Матрица CMOS

Современные CMOS-сенсоры изготавливаются по более специализированной технологии, что привело к стремительному росту качества изображения и светочувствительности за последние годы.

Преимущества CMOS матриц:

• Высокое быстродействие (до 500 кадров/с)
• Низкое энергопотребление (почти в 100 раз по сравнению c CCD)
• Стоимость изготовления
• Перспективность технологии

К недостаткам CMOS матриц относятся

• Низкий коэффициент заполнения пикселов, что снижает чувствительность (эффективная поверхность пиксела ~75%, остальное занимают транзисторы)
• Высокий уровень шума, борьба c которым усложняет и удорожает технологию
• Невысокая чувствительность (динамический диапазон)

Основные отличия CMOS от CCD

CMOS-сенсоры содержат в сeбe усилители, А/Ц-преобразователи и микросхемы дополнительной обработки, а в камере c CCD-сенсором большинство функций по обработке сигнала проводятся за пределами сенсора. CMOS-сенсоры потребляют меньше энергии в отличие от CCD-сенсоров, поэтому внутри камеры может поддерживаться более низкая температура. Повышенная температура CCD-сенсоров может увеличить интерференцию. При этом, CMOS-сенсоры могут страдать от структурированного шума (полосы и т.д.).

CMOS-сенсоры поддерживают многопотоковое видео и «оконизацию» изображения, что невозможно в CCD-сенсорах. CCD-сенсоры обладают одним АЦП, в то время кaк в CMOS-сенсорах А/Ц-преобразователем облaдaeт каждый пиксель. Более быстрое считывание в CMOS-сенсорах позволяет их использовать при изготовлении мульти-мегапиксельных камер.

Области применения камер с матрицами CCD и CMOS

Предпочтительные сферы применения камер видеонаблюдения с CMOS и CCD матрицами отличаются. Цифровые устройства (CMOS) показывают высокую эффективность при наблюдении за быстродвижущимися объектами, например на городских автомобильных дорогах и автострадах.

При этом, устройства с CMOS матрицами не издают посторонних звуков при работе и имеют более компактные размеры. Это говорит об их преимуществе при устройстве системы видеонаблюдения внутри жилых комнат или помещениях, где требуется соблюдение режима тишины.

Видеокамеры с аналоговой матрицей (CCD) обладают более высокой чувствительностью и предпочтительны для работы в местах скопления людей: на автостоянках, входных зонах. Также CСD камеры показывают лучшие результаты при плохой освещенности и менее чувствительны к температурным колебаниям.

Заключение

Современные технологические достижения стирают разницу в светочувствительности между CCD- и CMOS-сенсорами.

CCD и CMOS-сенсоры обладают различными преимуществами и недостатками. Технологии развиваются очень быстро, и ситуация постоянно меняется. Мегапиксельные матрицы CMOS уже могут успешно конкурировать с CCD не только по цене, но и по таким проблемным для этой технологии характеристикам, как чувствительность и уровень шума.

Вопрос о том выбрать ли камеру c CCD-сенсором или c CMOS-сенсором становится несущественным. Это выбор зависит лишь от требований, предъявляемых к качеству изображения системы видеонаблюдения.

У нас на сайте можно ознакомиться с устройствами на основе CMOS:

Мультиспектральная видеокамера 2020UV-USB3

«2020UV-USB3» — видеокамера на основе КМОП сенсора, обладающая высокой чувствительностью в диапазоне от 200 нм до 1100 нм. Использование интерфейса USB3.0 позволяет обеспечить прямую передачу данных на ПК без промежуточных носителей информации. Синхронизация съемки может осуществляться с помощью внешнего управляющего сигнала (триггерный режим).

Фотоприёмный модуль 2M12U

«2M12U» — это усовершенствованный фотоприёмный модуль на основе мегапиксельного сенсора CMOS (КМОП), отличающийся высокой скоростью передачи данных и поддержкой сложных операций, таких как создание окон, горизонтальное или вертикальное зеркальное отображение и т.д. Данный фотоприёмный модуль способен работать как в видимом, так и в ближних ИК и УФ диапазонах и применяется в приборах ночного видения, а также в камерах видеонаблюдения с расширенным функционалом.

Фотоприёмный модуль P2110

«P2110» — высокочувствительный фотоприёмный модуль на основе сенсора CMOS (КМОП), обладающий низким электропотреблением, компактной конструкцией и высокой расширяемостью. Данный фотоприёмный модуль способен работать как в видимом, так и в ближних ИК и УФ диапазонах и применяется в приборах ночного видения, а также в камерах видеонаблюдения с расширенным функционалом.  

Мультиспектральная видеокамера BSI-UV2

«BSI-UV2» — высокочувствительная охлаждаемая видеокамера на основе КМОП матрицы с обратной засветкой, работающая в диапазоне от 180нм до 1100нм. Данная камера предназначена для применения в сфере различных научных исследований: микроскопия, генная инженерия, микробиология, астрономия и т.п.

Прибор ночного видения TCG-P-007

«TCG-P-007» — портативное наблюдательное устройство на основе КМОП-матрицы высокого разрешения, которое предназначено для круглосуточного использования в условиях низкой освещённости. Прибор имеет компактный ударопрочный корпус, а также оснащён дополнительным источником ИК-подсветки для улучшения качества получаемого изображения в темноте.

В зависимости от поставленных целей и задач наши менеджеры и специалисты инженерного отдела смогут подобрать для вас оптимальное устройство для реализации, а также предоставить информацию по срокам поставки, стоимости и техническим характеристикам продукции. Купить или проконсультироваться можно более подробно, отправив заявку или позвонив по указанному номеру телефона

в чем разница между CMOS, BSI CMOS и Stacked CMOS? — Информационные Технологии на vc.ru

334 просмотров

Большинство современных цифровых камер для обработки света применяют матрицы, использующие технологию CMOS, но не все матрицы одинаково эффективны. Разобраться в ситуации предлагает Джим Фишер, корреспондент журнала PC Magazine, в котором размещен его обзор КМОП-датчиков, а также приведены их отличия от ПЗС-матриц и чипов Foveon.

Сердцем цифровой камеры является сенсор изображения. Сейчас мы наблюдаем развитие нескольких различных технологий, но в большинстве современных аппаратов используется та или иная версия Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, сокращенно CMOS (или КМОП — комплементарная структура металл-оксид-полупроводник). КМОП-чипы имеют некоторые преимущества по сравнению с датчиками с зарядовой связью (ПЗС), распространенными на заре цифровой фотографии. К плюсам CMOS относятся улучшенная энергоэффективность и контроль нагрева, которые проложили путь для видео 4K (и выше) в камерах со сменными объективами.

Однако существует более одного типа CMOS-датчиков и если вы покупаете новую беззеркальную камеру, можете быть удивлены наличием различных архитектур и возможно не сразу поймете, почему камеры Stacked CMOS стоят намного дороже, чем базовые модели. Разберем, чем отличаются разные варианты CMOS.

Архитектурные различия

По большей части цифровые датчики построены на похожей концепции, даже если есть и различия в конструкции чипа. В имидж-сканере используются светочувствительные фотоэлементы и фильтр с повторяющимися узорами из красных, зеленых и синих квадратов, образующих цвет. В большинстве датчиков используется массив цветных фильтров (CFA) четыре-на-четыре, называемый Bayer CFA (в честь его создателя), но в некоторых моделях Fujifilm используется более сложный X-Trans CFA шесть-на-шесть.

Иллюстрация, показывающая разницу между массивами фильтров для получения цветных фотографий.

Bayer CFA (слева) имеет простой повторяющийся рисунок 4х4, а Fujifilm X-Trans (справа) использует сетку 6х6.

Вы также можете столкнуться с датчиками Quad Bayer, типичными для смартфонов (а также экшн-камер и дронов) с огромным количеством пикселей. Эти сенсоры содержат большое количество пикселей (обычно 48 МП), но выдают изображения с более низким разрешением при помощи метода, называемого объединением пикселей. Эта функция пусть немного по-другому, но также внедряется в датчики камер со сменными объективами (ILC). Например, Leica M11 опирается на объединение пикселей для создания фотографий с разрешением 60MP, 36MP или 18MP.

Иллюстрация, показывающая объединение пикселей в более крупные группы.

КМОП-чипы отличаются от ПЗС-матриц предыдущего поколения несколькими важными параметрами. Например, КМОП-чипы считывают данные попиксельно в так называемом вращающемся электронном затворе, а не все сразу, как в ПЗС-матрицах.

Но есть технические преимущества, которые заставили фотоиндустрию отказаться от ПЗС: CMOS-чипы поместили свой аналого-цифровой преобразователь (АЦП) на плату вместо того, чтобы выполнять его отдельным блоком. Единые чипы потребляют меньше энергии и выделяют меньше тепла, чем ПЗС-матрицы, что хорошо как для улучшения качества изображения при слабом освещении, так и для времени автономной работы.

CMOS, BSI CMOS и Stacked CMOS

Существует три основных типа КМОП-сенсоров. Базовый CMOS сегодня используется в камерах начального и среднего уровня, т.е. в моделях, которые получают новейшие функции через пару поколений после того, как они появились в моделях высокого класса.

Усовершенствованная конструкция с задней подсветкой —

BSI CMOS, аналогична концепции обычных CMOS, но эти микросхемы располагают компоненты иначе. Фотоэлементы находятся дальше на кристалле, и скорость построчного считывания выше. Это изменение дает практические преимущества — BSI CMOS примерно на диафрагму лучше, если речь идет о шуме изображения. Это означает, что BSI CMOS дает столько же шума при ISO 12800, сколько аналогичный CMOS-чип при ISO 6400. Это также означает, что камеры APS-C и Micro Four Thirds с чипами BSI работают на равных с полнокадровыми CMOS-камерами. Это не жесткие правила, но хорошие ориентиры, которым нужно следовать.

Иллюстрация, показывающая разницу между датчиками CMOS, BSI CMOS и Stacked CMOS. (Приведенные иллюстрации от Bob Al-Greene)

Более высокая скорость считывания делает возможным применить полностью электронный затвор для моделей BSI CMOS, а также обеспечивает быструю реакцию автофокуса для наибольшей скорости серийной съемки с автофокусом. Fujifilm X-T3 была первой потребительской камерой, которая действительно использовала эти функции. Аппарат дебютировал с фокусировкой 20 кадров в секунду с полностью электронным затвором в 2018 году. Хотя вам по-прежнему нужно использовать механический затвор, чтобы надежно “заморозить” движущиеся объекты с большинством CMOS-камер BSI, но бесшумный электронный затвор пригодится для портретной съемки и других неподвижных объектов.

Стекированные (stacked) микросхемы CMOS продвигают концепцию BSI CMOS на шаг вперед. Они размещают компоненты в аналогичном расположении, но конструкция также объединяет процессор сигналов изображения и его сверхбыструю память DRAM в один и тот же кремний. Это делает скорость считывания еще выше. Первая массовая многослойная CMOS-камера, Sony A9 2019 года, произвела фурор, дав возможность фотографировать без перерыва — вы можете использовать ее для съемки фотографий со скоростью 20 кадров в секунду, не теряя из виду свою сцену.

Многослойный CMOS-датчик Nikon Z 9 считывает данные достаточно быстро и исключает необходимость в механическом затворе, что является настоящим достижением для камеры, предназначенной для фиксации движущихся объектов на месте.

Поскольку технология делает этот тип фотографии возможным, чипы Stacked CMOS стали стандартом де-факто для высококлассных ILC, которые профессионалы используют для фотографирования со стороны или пресс-ложи. Мы видели, как некоторые камеры достигают 30 кадров в секунду (Sony A1), а Nikon Z9 справляется с 11-мегапиксельными фотографиями со скоростью 120 кадров в секунду из-за многоярусного чипа и двух процессоров. Сверхбыстрое считывание и вычислительная мощность также улучшают автофокус. Стекированные чипы теперь превосходят датчики BSI CMOS по скорости фокусировки, точности и распознаванию объектов. Все это работает для того, чтобы гарантировать, что стекированные камеры не просто делают кучу фотографий подряд, а делают кучу фотографий в фокусе подряд.

Подводя итоги, можно сказать, что чипы CMOS являются основными для современных цифровых камер. Переход на модель с датчиком BSI CMOS повышает скорость считывания и улучшает качество изображения при слабом освещении. А многослойные, т.е. стекированные CMOS-чипы еще больше расширяют диапазон скоростей и сохраняют идеальный обзор объекта, пока камера формирует изображение.

Камеры CCD, Foveon, монохромные и полноспектральные

Ранее мы говорили о ПЗС-сенсорах. Эти чипы были стандартом для потребительских камер в нулевые, но в последующие годы уступили место CMOS. Правда у ПЗС всё еще есть сторонники, но, за исключением очень недорогих компактов, вы не видите этот сенсор в современных потребительских моделях.

Foveon — это еще один тип сенсора, который используется исключительно в камерах Sigma X3, Merrill и Quattro. Чипы Foveon по-разному записывают цвет с помощью трех светочувствительных слоев, а не массива цветовых фильтров. Положительным моментом является то, что этим камерам не нужно выполнять интерполяцию для заполнения отсутствующих цветов, что означает, что они могут захватывать гораздо больше деталей, чем датчик Байера с аналогичным количеством пикселей. Но есть и недостатки: приложения для обработки Raw не поддерживают файлы от многих камер Foveon, а фотографии показывают очень сильный шум при средних значениях ISO. Сегодня на рынке представлена только одна модель Foveon — Sigma dp Quattro.

Гараж сфотографирован сенсорной камерой Foveon.

Камера Sigma DP2 Merrill, которая использовалась для этой фотографии, улавливает цвета с помощью трехслойного датчика Foveon.

В специальных камерах, таких как Leica M10 Monochrom, отсутствует массив цветных фильтров с тем, чтобы запечатлеть мир только в черно-белом цвете.

Черно-белая фотография, сделанная с помощью Leica M10 Monochrom. Фото в зеркале с помощью M10M и послевоенного объектива Elmar 5cm F3.5. (Здесь и выше фото Джима Фишера)

Монохромные камеры — еще один вариант. Leica предлагает несколько специальных опций, которые отказываются от массива цветных фильтров и снимают исключительно черно-белые изображения. M10 Monochrom и Q2 Monochrom мучительно дороги, но специалисты по монохромной печати могут счесть, что они того стоят. Эти камеры демонстрируют преимущество в деталях, как и чипы Foveon, но превосходят параметры цветных снимков при высоких значениях ISO — отключение фильтра Байера почти удваивает количество света, попадающего на матрицу.

Инфракрасные камеры полного спектра вы не найдете на полке местного магазина, но они существуют. Бытовые камеры имеют фильтр над сенсором, который отсекает невидимый свет. Но такие компании, как KolariVision и MaxMax может удалить этот фильтр или продать вам предварительно переделанную камеру, которая может видеть инфракрасные и ультрафиолетовые волны. Пейзажисты любят использовать эти датчики, чтобы снимать сюрреалистичные, инопланетные сцены прямо на Земле.

Инфракрасный снимок дерева. (Фото: Getty / Justin Reznick Photography)

Камеры, преобразованные для работы в инфракрасном, ультрафиолетовом или полном спектре изображений, захватывают световые волны с длинами волн, в т.ч. невидимыми для глаз.

Заглядывая вперед, Sony Semiconductor Solutions Group разрабатывает многослойную CMOS чип следующего поколения, который изменяет расположение встроенных транзисторов и обещает лучший динамический диапазон и более низкий уровень шума ISO, чем в моделях текущего поколения. Объявление о разработке было сделано в конце 2021 года, но мы рассчитываем подождать несколько лет, прежде чем эта технология появится в камере, которую смогут купить простые смертные.

Panasonic также разрабатывает датчик нового типа. Объявленный еще в 2018 году, компания работает над тем, что она называет органическим датчиком, который использует органическую фотопроводящую пленку (Organic Photoconductive Film — OPF) вместо отдельных пикселей для сбора света.

Теперь вы знаете о сенсорах больше и сможете подобрать для себя лучшую из беззеркальных и полнокадровых камер со сменным объективом.

Материал подготовлен дата-центром и веб-студией ITSOFT

CMOS и CCD. К недостаткам CMOS матриц относятся

2016-11-28 15:10:42 0 1492

Какая матрица лучше CMOS или CCD?

В последние годы CCD (charge-coupled device, ПЗС — прибор с обратной зарядной связью) и CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor, КМОП комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник) матрицы продолжают борьбу друг с другом. У каждой есть свои плюсы и минусы, и мы сейчас их рассмотрим.

Матрицы CCD и CMOS постоянно подвергают различным тестам, для того, что бы вяснить кто же таки лучше.

Для начала рассмотрим схему того, как эти матрицы выглядят.

Преимущества и недостатки CMOS матриц

Одной из главных причин широкого распространения CMOS матриц является невысокая цена производства, и низкое энергопотребление, а так же высокое быстродействие.

CMOS матрицы обладают способностью произвольного считывания ячеек, в то время, как CCD матрица считывает все ячейки за один раз.

За счет такого метода считывания, у КМОП (CMOS) матриц не возникает так называемый эффект «смиринга» (от англ. smearing – размазывание), который присущ CCD матрицам и проявляется в кадре в виде вертикальных «столбов света» от точечных ярких объектов, например, солнца, фонарей.

Не взирая на преимущества, у КМОП (CMOS) технологии есть и свои недостатки. Светочувствительный элемент крайне мал относительно площади пикселя. Львиную долю площади занимает электроника, встроенная в пиксель. Это сказывается на малой чувствительности, а, предусиление сигнала, приводит к увеличению шумов на картинке.

Помимо прочего, CMOS отличен эффектом «rolling shutter» (бегущий затвор). Связан он с тем, что считыванием сигнала происходит строка за строкой.

По факту Rolling shutter эффект ощутим при съёмках быстро движущихся объектов. Считывая сначала верхние строки, а затем нижние, картинка может искажаться. Например, движущиеся автомобили могут быть вытянуты.

Преимущества и недостатки CCD матриц

CCD технология существует уже много лет, за эти годы, она существенно модернизировались, и обладает целым рядом преимуществ по сравнению с CMOS.

Камеры на основе CCD матрицы обладают более совершенным электронный затвором, что особо важно для фиксации быстро движущихся объектов, или картинки.

Еще одна отличительная черта — низкий уровень шумов, и высокая чувствительность в ближнем инфракрасном диапазоне. За счет этого, CCD матрицы отлично справляються с недостаточной освещенностью.

У ПЗС (CCD) сенсоров отсутствует вибрация и rolling shutter эффект, привычный для КМОП (CMOS). Для примера посмотрите видео с сравнением ПЗС (CCD) и КМОП сенсоров.

Выводы. Так какая же матрица лучше для автомобильных видеокамер?

Учитывая вышесказанное, можно сделать следующие выводы:

Камеры оснащенные CCD матрицей:

+лучше работают в темноте;+не искажают движущиеся объекты;+имеют более насыщенные цвета;-чувствительны к точечным источникам света;

Камеры с CMOS матрицей:

+дешевле, иногда вдвое;-искажение динамичной картинки;Как известно, фотоаппараты делятся на две большие категории — аналоговые и цифровые — по признаку светочувствительной поверхности, которая запечатлевает изображение. В аналоговом фотоаппарате этой поверхностью служила фотопленка — нехитрая штука с определенной светочувствительностью, определенным количеством кадров одноразового использования, с которых после химической обработки можно было получить отпечаток изображения на бумаге.

В цифровых же фотоаппаратах эту основополагающую роль берет на себя матрица. Матрица — прибор основной функцией которого является оцифровка определенных параметров света попавшего на его поверхность. Подробно и наглядно этот процесс показан в отличном видео от Discovery в нашей статье « «, если вы еще его не смотрели, обязательно сделайте это!

Есть две основные, наиболее популярные и в тоже время конкурирующие технологии матриц — это CCD и CMOS . Давайте же сегодня разберемся с тем, в чем же разница между CCD и CMOS матрицами?

Мы попытаемся разобраться в их отличии без погружения в детали физики, просто, чтобы иметь представление не только о том, как устроен фотоаппарат, но и о том, какая сейчас на вашей камере матрица. Думаю начинающему фотографу этого будет достаточно, а кому интересны детали, тот сможет покопаться дальше и самостоятельно.

CCD матрица, источник: Википедия

Итак, CCD — это charge-coupled device (ПЗС — прибор с обратной зарядной связью) . Этот тип матриц изначально считался более качественным, однако и более дорогим и энергозатратным. Если представить основной принцип работы матрицы CCD в двух словах, то они собрают всю картину в аналоговой версии, и только потом оцифровывают.

В отличие от CCD матриц, CMOS матрицы (complementary metal-oxide-semiconductor, комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник, КМОП) , оцифровывают каждый пиксель на месте. CMOS матрицы были изначально менее энергопотребляющие и дешевыми, особенно в производстве больших размеров матриц, однако уступали CCD матрицам по качеству.

CMOS матрица, источник: Википедия

CCD матрицы отличаются более высоким качеством изображения и все еще остаются популярными в областях медицины, промышленности, науки, там где качество изображения является критически важным. За последнее время CCD матрицы уменьшили энергозатратность и стоимость, а CMOS матрицы значительно усовершенствовали качество изображения, особенно после технологического переворота в производстве CMOS -сенсоров, когда по технологии Active Pixel Sensors (APS) к каждому пикселю был добавлен транзисторный усилитель для считывания, что позволило преобразовывать заряд в напряжение прямо в пикселе. Это и обеспечило прорыв CMOS технологии, к 2008 году она стала практически альтернативой CCD матрицам. Более того, технология CMOS позволили снимать видео и ввести эту функцию в современные фотоаппараты, и в большинстве своем соврерменные цифровые фотоаппараты оснащены именно CMOS матрицами.

Сравнение матриц в видеокамерах и фотоаппаратах (CMOS, CCD)

Недавно в нашей статье о выборе видеокамеры для семьи мы писали о матрицах. Там мы коснулись этого вопроса легко, однако сегодня постараемся более детально описать обе технологии.

Что же такое матрица в видеокамере? Это микросхема, которая преобразовывает световой сигнал в электрический. На сегодняшний день существует 2 технологии, то есть2 типа матриц – CCD (ПЗС) и CMOS (КМОП) . Они отличаются друг от друга, каждая имеет свои плюсы и минусы. Нельзя точно сказать, какая из них лучше, а какая – хуже. Они развиваются параллельно. Вдаваться с технические детали мы не будем, т.к. они будут банально непонятны, но общими словами определим их главные плюсы и минусы.

Технология CMOS (КМОП)

CMOS-матрицы в первую очередь хвастаются низким энергопотреблением, что плюс. Видеокамера с этой технологией будет работать чуть дольше (зависит от емкости аккумулятора). Но это мелочи.

Главное отличие и достоинство – это произвольное считывание ячеек (в CCD считывание осуществляется одновременно), благодаря чему исключается размазывание картинки. Возможно, вы когда-нибудь видели «вертикальные столбы света» от точечных ярких объектов? Так вот CMOS-матрицы исключают возможность их появления. И еще камеры на их основе дешевле.

Недостатки также есть. Первый из них – небольшой размер светочувствительного элемента (в соотношении к размеру пикселя). Здесь большая часть площади пикселя занята под электронику, поэтому и площадь светочувствительного элемента уменьшена. Следовательно, чувствительность матрицы уменьшается.

Т.к. электронная обработка осуществляется на пикселе, то и количество помех на картинке возрастает. Это также является недостатком, как и низкое время сканирования. Из-за этого возникает эффект «бегущего затвора»: при движении оператора возможно искажение объекта в кадре.

Технология CCD (ПЗС)

Видеокамеры с CCD-матрицами позволяют получить высококачественное изображение. Визуально легко заметить меньшее количество шумов на видео, отснятом с помощью видеокамеры на основе CCD-матрицы по сравнению с видео, отснятым на камеру CMOS. Это самое первое и важное преимущество. И еще: эффективность CCD-матриц просто потрясающая: коэффициент заполнения приближается к 100%, соотношение зарегистрированных фотонов равен 95%. Возьмите обычный человеческий глаз – здесь соотношение равно приблизительно 1%.

ПЗС-матрица камеры

Высокая цена и большое энергопотребление – это недостатки данных матриц. Дело в том, что здесь процесс записи невероятно труден. Фиксация изображения осуществляется благодаря многим дополнительным механизмам, которых нет в CMOS-матрицах, поэтому технология CCD существенно дороже.

CCD-матрицы используются в устройствах, от которых требуется получение цветного и качественного изображения, и которыми, возможно, будут снимать динамические сцены. Это профессиональны видеокамеры в своем большинстве, хотя и бытовые тоже. Это также системы наблюдения, цифровые фотоаппараты и т.д.

CMOS-матрицам применяются там, где нет особо высоких требований к качестве картинки: датчики движения, недорогих смартфонах…Впрочем, так было ранее. Современные матрицы CMOS имеют разные модификации, что делает их весьма качественными и достойными с точки зрения составления конкуренции матрицам CCD.

Сейчас сложно судить о том, какая технология лучше, ведь обе демонстрируют прекрасные результаты. Поэтому ставить тип матрицы как единственный критерий выбора, как минимум, глупо. Важно учитывать многие характеристики.

1. Введение в датчики изображений

Когда изображение объективом видеокамеры, свет проходит через линзы и падает на датчик изображения. Датчик изображения, или матрица, состоит из множества элементов, также называемых пикселями, которые регистрируют количество света, упавшего на них. Полученное количество света пиксели преобразуют в соответствующее количество электронов. Чем больше света упадет на пиксель, тем больше электронов он сгенерирует. Электроны преобразуются в напряжение, а затем конвертируются в числа, согласно значениям АЦП (Аналого-Цифровой Преобразователь, A/D-converter). Сигнал, составленный из таких чисел, обрабатывается электронными цепями внутри видеокамеры.

В настоящее время, существует две основные технологии, которые могут быть использованы при создании датчика изображения в камере, это CCD (Charge-Coupled Device, ПЗС — прибор с зарядовой связью) и CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semiconductor, КМОП — комплементарный металлооксидный полупроводник). Их характеристики, достоинства и недостатки будут рассмотрены в данной статье. На рисунке ниже изображены ПЗС (наверху) и КМОП (внизу) датчики изображений.

Цветовая фильтрация . Как уже было описано выше, датчики изображений регистрируют объем света, упавшего на них, от светлого до темного, но без цветовой информации. Поскольку КМОП и ПЗС датчики изображений «не видят цвет», перед каждым из датчиков ставится фильтр, позволяющий присвоить каждому пикселю в датчике цветовой тон. Два основных метода цветовой регистрации это RGB (Red-Greed-Blue, Красный-Зеленый-Синий) и CMYG (Cyan-Magenta-Yellow-Green, Голубой-Пурпурный-Желтый-Зеленый). Красный, зеленый и синий являются основными цветами, различные комбинации которых могут составить большинство цветов, воспринимаемых глазом человека.

Фильтр Байера (или массив Байера, англ. Bayer array), состоящий из сменяющих друг друга строк красно-зеленых и сине-зеленых фильтров, является наиболее распространенным RGB-цветовым фильтром (см. Рис. 2). Фильтр Байера содержит удвоенное количество зеленых «ячеек», т.к. человеческий глаз более чувствителен к зеленому цвету, а не красному или синему. Это также означает, что, при таком соотношении цветов в фильтре, человеческий глаз увидит больше деталей, чем если бы три цвета использовались в равной пропорции в фильтре.

Другой способ фильтровать (или регистрировать) цвет — использовать дополнительные цвета — голубой, пурпурный и желтый. Фильтр из дополнительных цветов обычно комбинируется с зеленым цветовым фильтром в форме CMYG-цветового фильтра (CMYG-color array), как показано на рисунке 2 (справа). CMYG-цветовой фильтр обычно предлагает более высокий сигнал пикселя, т.к. обладает более широкой спектральной полосой пропускания. Тем не менее, сигнал должен быть преобразован в RGB для использования в итоговом изображении, а это влечем за собой дополнительную обработку, и вносит шумы. Следствием этого является снижение отношения сигнал-шум, поэтому CMYG-системы, как правило, не столь хороши при передаче цветов.

CMYG-цветовой фильтр обычно используется в датчиках изображения с чересстрочной разверткой, в то время как RGB-системы в первую очередь используются в датчиках изображения с прогрессивной разверткой.

2. CCD-технология

В CCD-сенсоре, свет (заряд), падающий на пиксель сенсора, передается от микросхемы через один выходной узел, или через всего лишь несколько выходных узлов. Заряды преобразуются в уровень напряжения, накапливаются и рассылаются как аналоговый сигнал. Этот сигнал затем суммируется и преобразуется в числа аналого-цифровым преобразователем, вне сенсора (см. рис. 3).

CCD-технология была изобретена специально для использования в видеокамерах, и CCD-сенсоры используются на протяжении 30 лет. Традиционно, у CCD-сенсоров есть ряд преимуществ перед CMOS-сенсорами, а именно лучшая светочувствительность и низкий уровень шумов. В последнее время, однако, различия едва заметны.

Недостатки CCD-сенсоров заключаются в том, что они являются аналоговыми компонентами, что требует наличия большего числа электроники «около» сенсора, они дороже в производстве и могут потреблять до 100 раз больше энергии, чем CMOS-сенсоры. Повышенное энергопотребление может также привести к повышению температуры в самой камере, что негативно сказывается не только на качестве изображения и увеличивает стоимость конечного продукта, но и степень воздействия на окружающую среду.

CCD-сенсоры также требуют более скоростную передачу данных, т.к. все данные проходят через всего лишь через один или несколько выходных усилителей. Сравните рисунки 4 и 6, показывающие платы с CCD-сенсором и CMOS-сенсором соответственно.

3. CMOS-технология

На ранней стадии, обычные CMOS-чипы использовались для отображения, однако качество картинки было низким, в связи с низкой световой чувствительностью КМОП-элементов. Современные CMOS-сенсоры изготавливаются по более специализированной технологии, что привело к стремительному росту качества изображения и светочувствительности за последние годы.

CMOS-чипы обладают рядом преимуществ. В отличие от CCD-сенсоров, CMOS-сенсоры содержат в себе усилители и аналого-цифровые преобразователи, что значительно снижает стоимость конечного продукта, т.к. он уже содержит все необходимые элементы для получения изображения. Каждый CMOS-пиксель содержит электронные преобразователи. По сравнению с CCD-сенсорами, CMOS-сенсоры обладают большим функционалом и более широкими возможностями интеграции. Из других преимуществ следует также отметить более быстрое считывание, меньшее потребление энергии, высокую сопротивляемость шумам и меньший размер системы.

Тем не менее, наличие электронных схем внутри чипа приводит к риску появления более структурированного шума, например полос. Калибровка CMOS-сенсоров при производстве также более сложна, по сравнению в CCD-сенсорами. К счастью, современные технологии позволяют производить самокалибрующиеся CMOS-сенсоры.

В CMOS-сенсорах существует возможность считывания изображения с отдельных пикселей, что позволяет «оконизировать» изображение, т.е. считывать показание не всего сенсора, а лишь его определенного участка. Таким образом, можно получить большую частоту кадров с части сенсора для последующей цифровой PTZ (англ. pan/tilt/zoom, панорама/наклон/масштаб) обработки. Кроме того, это дает возможность передавать несколько видеопотоков с одного CMOS-сенсора, имитируя несколько «виртуальных камер»

4. HDTV и мегапиксельные камеры

Мегапиксельные сенсоры и телевиденье высокой четкости позволяет цифровым IP-камерам обеспечивать более высокое разрешение изображения, чем аналоговые CCTV-камеры, т.е. они дают большую возможность различить детали и идентифицировать людей и объекты — ключевой фактор в видеонаблюдении. Мегапиксельная IP-камера обладает как минимум вдвое большей разрешающей способностью, по сравнению с аналоговой CCTV-камерой. Мегапиксельные сенсоры являются ключевым моментов в телевидении высокой четкости, мегапиксельных и мульти-мегапиксельных камерах. И могут быть использованы для обеспечения экстремально высокой детализации изображения и многопотокового видео.

Мегапиксельные CMOS-сенсоры более широко распространены и гораздо дешевле чем мегапиксельные CCD-сенсоры, несмотря на то, что есть и довольно дорогие CMOS-сенсоры.

Сложно изготовить быстрый мегапиксельный CCD-сенсор, что конечно же является недостатком, и следовательно сложно изготовить мульти-мегапиксельную камеру с использованием CCD-технологии.

Большинство сенсоров в мегапиксельных камерах в целом аналогичны по размеру изображения VGA-сенсорам, с разрешением 640х480 пикселей. Однако мегапиксельный сенсор содержит больше пикселей, чем VGA-сенсор, соответственно размер каждого пикселя в мегапиксельном сенсоре меньше размера пикселя в VGA-сенсоре. Следствием этого является меньшая светочувствительность каждого пикселя в мегапиксельном сенсоре.

Так или иначе, прогресс не стоит на месте. Идет стремительное развитие мегапиксельных сенсоров, и их светочувствительность постоянно возрастает.

5. Основные отличия

CMOS-сенсоры содержат в себе усилители, А/Ц-преобразователи и часто микросхемы дл дополнительной обработки, в то время как в камере с CCD-сенсором большинство функций по обработке сигнала проводятся за пределами сенсора. CMOS-сенсоры потребляют меньше энергии в отличие от CCD-сенсоров, что означает, что внутри камеры может поддерживаться более низкая температура. Повышенная температура CCD-сенсоров может увеличить интерференцию. С другой стороны CMOS-сенсоры могут страдать от структурированного шума (полосы и т.д.).

CMOS-сенсоры поддерживают «оконизацию» изображения и многопотоковое видео, что невозможно в CCD-сенсорах. CCD-сенсоры обладают как правило одним А/Ц-преобразователем, в то время как в CMOS-сенсорах им обладает каждый пиксель. Более быстрое считывание в CMOS-сенсорах позволяет их использовать при изготовлении мульти-мегапиксельных камер.

Современные технологические достижения стирают разницу в светочувствительности между CCD- и CMOS-сенсорами.

6. Заключение

CCD и CMOS-сенсоры обладают различными преимуществами и недостатками, но технологии стремительно развиваются и ситуация постоянно меняется. Вопрос о том выбрать ли камеру с CCD-сенсором или с CMOS-сенсором становится несущественным. Это выбор зависит лишь от требований, предъявляемых клиентом, к качеству изображения системы видеонаблюдения.

Матрица фотоаппарата выполняет функцию оцифровки параметров света на ее поверхности. На сегодняшний день рынок фототехники разделился на два лагеря: устройства, использующие матрицу CMOS и устройства, использующие матрицу CCD. Говорить о приоритете одной технологии над другой не представляется возможным, хотя доля CMOS в отчетах о продажах несколько выше, однако это объясняется объективными требованиями пользователя, а не свойствами непосредственно матриц. Зачастую в процессе выбора решающую роль играет стоимость.

Определение

Матрица CCD — микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов и созданная на кремниевой основе. В основе работы лежит принцип действия прибора с зарядовой связью.

Матрица CMOS — микросхема, созданная на основе полевых транзисторов с изолированным затвором с каналами разной проводимости.

Сравнение

Ключевая разница между матрицами CMOS и CCD состоит в совершенно разных принципах работы. CCD оцифровывает полученную аналоговую картинку, CMOS — сразу каждый пиксель изображения. Чуть подробнее: электрический заряд в пикселях (светодиодах) CCD-матрицы преобразуется в электрический потенциал, усиливается в аналоговом усилителе за пределами светочувствительного сенсора и только потом оцифровывается посредством аналогово-цифрового преобразователя. Электрический заряд в пикселях CMOS-матрицы накапливается в конденсаторах, с которых снимается электрический потенциал, передается в аналоговый усилитель и оцифровывается посредством такого же преобразователя. Некоторые новые CMOS-матрицы снабжены усилителями аналогового сигнала, встроенными непосредственно в пиксель.

Еще один важный момент: количество усилителей для матриц CCD и CMOS разное. В последних усилителей больше, потому качество изображения при прохождении сигнала несколько снижается. Поэтому именно CCD применяется в создании фототехники, предназначенной для создания изображений высокой степени детализации, к примеру, в исследовательских, медицинских, промышленных целях. С CMOS мы сталкиваемся ежедневно: большинство камер в мобильной электронике выполнены на основе именно таких матриц.

Качество полученного изображения зависит еще от одного обстоятельства — плотности фотодиодов. Чем они расположены ближе, тем меньше участков матрицы, где фотоны пропадают вхолостую. CCD как раз предлагает макет без зазоров между фотодиодами, тогда как в CMOS они существуют — там расположены транзисторы.

Матрицы CCD намного дороже CMOS и энергозатратнее, поэтому установка их там, где достаточно качества изображения, приближенного к среднему, нецелесообразна. CCD-матрицы обладают высокой чувствительностью, процент заполнения пикселей у них выше и достигает практически 100%, уровень шумов демонстрируют низкий. Матрицы CMOS обеспечивают высокий уровень быстродействия, однако уступают CCD по показателям чувствительности и шума. CCD-технология, в отличие от CMOS, не позволяет выполнять серийную съемку или запись видео. Поэтому их применение в мобильной электронике, например, не оправдывается назначением самих устройств. Скажем так, CCD — матрица для профессиональной фототехники.

Выводы сайт

1. CCD — матрица на кремниевой основе, действующая как прибор с зарядовой связью, CMOS — матрица на основе полевых транзисторов.
2. Аналоговый сигнал в матрице CCD преобразуется за пределами светочувствительного сенсора, в матрице CMOS — непосредственно в пикселе.
3. Качество изображения, получаемого от CCD, выше, чем от CMOS.
4. CCD энергозатратнее.
5. CMOS позволяет снимать видео и делать серийные фото.
6. CMOS получила распространение в мобильной электронике.

Устройства

Тип матрицы super had ccd. CCD или CMOS? Что лучше? Технологии видеообработки в DSP Effio

какой тип матрицы лучше: super HAD CCP ? или CMOS ? (и чем?) — на фотике… и получил лучший ответ

Ответ от Офигенно умная ракетчица[гуру]
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).
-Дешевле и проще в производстве.
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.
Поэтому сложно сказать какая лучше — недостатки есть у каждой.
офигенно умная ракетчица
Оракул
(71937)
ничего поэтому поводу сказать не могу — ибо было скопировано мною из интернета — не думаю, что глупые дядьки писали.

Ответ от Mashka (кр) [гуру]
Лучше хороший объектив…

Ответ от Just Human [гуру]
CMOS, так как есть камеры до 25 мпикселей

Ответ от 2 ответа [гуру]

Привет! Вот подборка тем с ответами на Ваш вопрос: какой тип матрицы лучше: super HAD CCP ? или CMOS ? (и чем?) — на фотике. ..

Фотокамера, которую не нужно настраивать, чтобы получился отличный снимок, уже не вызывает удивления. Мы идём к автоматизации, и автоматы зачастую справляются с поставленной задачей гораздо лучше, чем люди. Действительно, профаны в области всяких там выдержек, диафрагм и фокусных расстояний не смогут настроить параметры камеры так же хорошо, как это делает автоматика. Sony DSC-W120 – это не просто камера-автомат. О том, чтобы фотографии получились великолепными, думает процессор BIONZ. Он разбирается в тонкостях фотосъёмки не хуже живого профессионального фотографа! Камера оснащена высокочувствительной матрицей Super HAD CCD , умеет фокусироваться на лицах и даже распознавать улыбку. Отснятые фотографии можно смотреть под музыку… И всё это великолепие находится в стильном цветном алюминиевого корпусе, который лёгок и прочен, не боится падений и царапин.

Матрица Super HAD CCD не боится темноты

Разрешение матрицы Sony DSC-W120 составляет 7,2 Мп. Бывает и больше… Да, бывает. Но у камер с более высоким разрешением матрицы иногда не бывает того, что есть у Sony DSC-W120. Итак, в рассматриваемой камере установлена не просто CCD-матрица, а Super HAD CCD. Её максимальная светочувствительность достигает ISO 3200. В ней использованы микролинзы большего размера, чем в обычных CCD-матрицах, в результате чего сенсор улавливает больше света, и поэтому даже в условиях недостаточной освещённости получаются неплохие фото. Сама по себе CCD-матрица практически не генерирует «шумы» (посторонние цветные вкрапления), поэтому тёмные снимки не будут испорчены ими. Единственное, что при съёмке в темноте она может немного «тормозить». Это технологическая особенность всех CCD-матриц. Раз уж мы заговорили о шумах, добавим, что в Sony DSC-W120 уменьшение шумов осуществляется до обработки изображения процессором (шумоподавитель Clear RAW NR, производитель обозначает эту функцию как «шумоподавление в канале RAW). Поэтому на процессор поступает уже улучшенное изображение, а он уже окончательно «доводит» его, при этом ему не нужно тратить свои ресурсы на распознавание, где шум, а где снятые объекты. В результате на выходе получается снимок не с «заглаженными», а с отсутствующими «шумами»!

Процессор BIONZ знает своё дело

Итак, наслаждайтесь отпуском или командировкой, радуйтесь приятным событиям вашей жизни и сохраняйте их на фото, просто щёлкая кнопкой затвора. Не думайте о премудростях фотографии, чтобы они не мешали вам приятно проводить время, а о настройках позаботится процессор BIONZ. Понятно, что он выставляет экспозицию, диафрагму, выдержку, это делает процессор любой цифровой фотокамеры. Давайте посмотрим, на что ещё способен BIONZ. Если вы снимаете не со штатива, неизбежно дрожание вашей руки руки, и снимок может получиться «смазанным». «Мазня» также может произойти, если снимаемый объект случайно пришёл в движение. С этим явлением борется система Super SteadyShot. Она представляет собой сочетание технологий оптической и цифровой стабилизации изображения . Специальные гиродатчики определяют, что камера трясётся, и процессор включает миниатюрные электромоторы, которые колеблют линзу в такт тряске, поэтому картинка получается чёткой (оптическая стабилизация). Если снимаемый объект придёт в движение, система повысит светочувствительность матрицы, и объект не будет «смазанным» (цифровая стабилизация). Как и всякая уважающая себя современная цифровая фотокамера, Sony DSC-W120 обладает функцией распознавания лиц (Face Detection). Распознаётся до 8 лиц. Здесь процессор BIONZ снова демонстрирует нам свои способности. Он не только может фокусировать камеру на лицах в кадре, как и многие другие процессоры. Он корректирует баланс белого не по источнику света, а по лицу снимаемого человека, поэтому снимок получается естественного цвета, без посторонних оттенков. Кроме того, при слабом освещении происходит коррекция цвета лица. Вы можете установить, на чьих лицах будет производиться фокусировка – на лицах взрослых или детей. Похожая функция – Smile Shutter (буквальный перевод « затвор, срабатывающий от улыбки»). Её суть состоит в том, что затвор камеры срабатывает в тот момент, когда человек в кадре улыбается, с настройкой чувствительности к ширине улыбки. Здесь тоже можно настроить камеру так, чтобы затвор срабатывал в момент улыбки либо взрослого, либо ребёнка. В этом режиме, если вы просто нажмёте кнопку спуска затвора, снимка не будет. Нужно, чтобы при нажатой кнопке снимаемый человек улыбнулся, и только тогда произойдёт спуск затвора. Среди предлагаемых режимов съёмки есть необычный режим «Моментальный снимок». При съёмке в нём объект на переднем плане (человек, букет цветов) получается чётким, а фон – слегка размытым. Если вы используете в качестве видоискателя дисплей, можете вывести на него сетку для поиска так называемого «золотого сечения». Она представляет из себя две параллельные прямые, которые перпендикулярны двум другим параллельным прямым. В местах пересечения этих прямых нужно расположить наиболее важные элементы снимаемого объекта. Можно записывать и видео. Продолжительность видеоролика ограничена объёмом свободного места в памяти носителя, на который оно сохраняется.

Пользоваться камерой очень просто!

Возможно, вы скажете, что, раз так много функций, этой камерой сложно управлять… На самом деле управление очень простое! Меню русифицировано, кнопки обозначены всем известными значками или надписями («Home», «Menu»).

Благодаря алюминиевому корпусу камера не покроется царапинами, не сломается при падении. И всё же, чтобы уменьшить вероятность её падения, рекомендуем пользоваться ремешком, который входит в комплект. Наденьте его на запястье и тогда, если вы случайно выпустите камеру из рук, она не упадёт.

Работать с отснятыми фото очень удобно

Отличные «фотки» – это прекрасно, но ведь их нужно куда-то сохранять. Объём собственной памяти фотокамеры 15 Мб. Один снимок с максимальным разрешением 7,2 Мп занимает около 3 Мб. Значит, в собственную память можно сохранить не более 5 снимков. Маловато… Но и не стоит рассматривать её как основной носитель. Снимки нужно сохранять на карту памяти, а собственная память может выручить в ситуации, когда карта памяти уже заполнена, а нужно сделать ещё несколько снимков. Вы можете использовать карты MemoryStick PRO Duo объёмом до 16 Гб. Если купить карту такого объёма (16 Гб), можно сохранить на неё около 8 тысяч снимков разрешения 7,2 Мп. В комплекте поставки карты памяти нет, поэтому вы можете купить карту того объёма, который вам нужен. В наших магазинах вы можете обнаружить большой ассортимент карт памяти. При установленной карте памяти изображения записываются на неё, а если она не установлена, то в собственную память. Просмотреть снятые фото можно на дисплее. Дисплей с диагональю 2,5 дюйма (6,4 см) продемонстрирует сделанные фотоснимки и видеозаписи во всей их красе!

На дисплее можно просматривать фотографии в режиме слайд-шоу, причём под музыку! Вы можете выбрать один из восьми предлагаемых камерой вариантов музыки или загрузить свою. Громкость регулируется. Загрузить свою музыку можно с помощью программы Music Transfer, которая есть на CD, входящем в комплект поставки. Продолжительность звучания каждого музыкального файла должно быть не более 5 минут. Снимки надо перенести в компьютер. Вы, конечно, можете вынуть карту памяти и воспользоваться кардридером. Но можно подключить камеру к компьютеру, тогда карта памяти или собственная память камеры определятся штатными средствами Windows как внешние носителе, так что никакие дополнительные программы устанавливать не нужно, вы можете сразу переносить снимки на компьютер. В комплекте комбинированный кабель для подключения камеры и к USB -порту компьютера, и к RCA -входу телевизора. Вы можете напечатать сделанные снимки, соединив фотокамеру по USB-кабелю непосредственно с принтером, поддерживающим функцию Pict Bridge . Такие принтеры и расходные материалы к ним продаются в наших магазинах. Фотоснимки из памяти камеры можно смотреть на телевизоре высокой чёткости. Есть специальный режим съёмки для демонстрации фотографий на таком телевизоре. Для соединения камеры и телевизора нужно приобрести специальный компонентный кабель.

Вердикт ИОН

Фотокамера Sony DSC-W120 оказалась оптимально сбалансированным по функционалу и стоимости устройством. За относительно невысокую цену вы получаете возможности, которых нет и в более дорогих камерах. Конечно, без музыки во время слайд-шоу и функции определения улыбки вполне можно обойтись. И вообще без фотокамеры тоже можно обойтись. Компания Sony предлагает вам не обходиться без чего-нибудь, а, наоборот, наслаждаться и высоким качеством снимков, и приятными дополнениями.

Понравилось?
Расскажите друзьям!

Всё что Вы хотели знать о DSP Effio и формате 960H, но так боялись спросить.

Даже не смотря на то, что все процессоры из линейки, могут работать в совмещении с ПЗС-матрицами форматов 510Н или 760Н, всё же наибольший интерес представляют более прогрессивные типы матриц, что работают в формате 960Н. И такой интерес вовсе не удивителен, ведь ранее, для аналоговых систем было невозможным достичь разрешения в 700ТВЛ по горизонтальной стороне, как это возможно с новыми типами матриц в комплекте с DSP Effio.

Первой в истории матрица с технологией 960Н стала Super HAD II, которая была разработана, по уже усовершенствованной и хорошо отработанной технологии. Далее появилась ПЗС-матрица EXview HAD II, которая в отличие от предшественицы, получила новый прогрессирующий светофильтр и оптический элемент. Светочувствительность второй модели в линейке новых матриц, несмотря на уменьшенные размеры пикселей, была ни чуть не хуже чувствительности ПЗС-матриц «Super HAD II» формата 760H (в частности с ICX639BKA).

Для сравнения характеристик CCD матриц от компании Sony, мы представили сравнительную таблицу для с разрешающей способностью 700ТВЛ, осуществляющих видеосъёмку по стандарту PAL.

Название	ICX673AKA	ICX663AKA	ICX669AKA
Технология	Sony EXview HAD CCD II	Super HAD CCD II	Super HAD CCD II
Формат ПЗС-матрицы	1/3″ (диагональ 6 мм)	1/3″ (диагональ 6 мм)	1/4″ (диагональ 4,5 мм)
Кол-во пикселей: — общее — эффективное	610К 570K	610К 570K	610К 570K
Горизонтальное (H) и вертикальное (V) разрешение: — общее — эффективное	1020 (H) x 596 (V) 976 (H) x (582)	1020 (H) x 596 (V) 976 (H) x (582)	1020 (H) x 596 (V) 976 (H) x (582)
Габариты пикселя, мкм	5. 0 (H) x 6.25 (V)	5.0 (H) x 6.25 (V)	3.75 (H) x 5.56 (V)
Унифицированная светочувствительность по методике Sony , мВ (F5.6)	2400	1600	1350
Уровень насыщения, мВ	1400	800	540
Уровень темнового шума, дБ (F5.6)	-110	-105	-105
Напряжения питания, В	+15 / -7.0	+15 / -7.5	+15 / -7.5
Сигнал управления переносом зарядов, В	3,3	3,3	3,3
Совместимость с процессорами	«Effio-P» «Effio-S» «Effio-E»	«Effio-P»	«Effio-P»

Технологии Sony, используемые в производстве матриц

Super HAD CCD II

Технология «Super HAD CCD II» — это высококлассный сенсорный элемент от Sony — CCD HAD (Hole-Accumulation Diode) с базовой светочувствительностью 1000 мВ и более на одну единицу площади пикселя — 1 мкм2 (цветной при F5. 6 / черно-белый: F8 — в режиме, эквивалентном накоплению заряда длительностью 1 сек).

Super EXview HAD CCD II

«EXview HAD CCD II» — усовершенствованный высокопроизводительный сенсорный элемент от Sony — CCD HAD (Hole-Accumulation Diode) с базовой светочувствительностью 1000 мВ и более на одну единицу площади пикселя — 1 мкм2 (цветной при F5.6 / черно-белый: F8 — в режиме, эквивалентном накоплению заряда длительностью 1 сек). Новая модель сенсора обладает улучшенной светочувствительностью в инфракрасном и приближённому к нему диапазоне, как и предшествующая технология «EXview HAD CCD».

О Sony Effio сегодня…

Современные реалии таковы, что потребителям необходимо досконально быть ознакомленными с технологиями, на которых построены камеры видеонаблюдения, в частности, если существует необходимость приобретения. Продавцы камер видеонаблюдения (в особенности Интернет-магазинов) указывают далеко не полную информацию о реализуемых продуктах. То, что в ассортименте продаётся камера с оснащением DSP Effio, ещё не говорит обо всех её возможностях. Это то же самое, что продавать автомобиль, указав лишь его марку и модель, без дополнительных характеристик двигателя и прочего. Например, видеокамера на базе процессора Effio-E обладает минимальным набором функций, и не имеет в распоряжении таких возможностей, как: ATR-EX, Sens-UP, WDR и прочие.

Но самое страшное ещё не это, ведь в устройстве видеокамеры может быть установлена самая различная ПЗС-матрица, которая и определяет все преимущества современных процессоров от Sony. Например, если CCD не имеет поддержку формата 960Н, то изображение на выходе не будет иметь разрешения 700 ТВЛ, а гораздо ниже.

К сожалению, визуально потребитель не сможет определить устройство камеры видеонаблюдения, а именно узнать, какой тип процессора и матрицы установлен. Это сложно определить даже по выходному видеоизображению, поскольку современные системы видеонаблюдения используют дополнительные методы оцифровки видеосигнала.

Поэтому, чтобы избежать подмены устройств и покупки не соответствующего по техническим характеристикам оборудования, требуйте от реализаторов полную информацию по камере видеонаблюдения. Только по детальной технической характеристике Вы сможете понять действительное оснащение устройства: формат и технологию ПЗС-матрицы, а так же серию применённого процессора Effio.

Заместитель директора по развитию Андреев Кузьма.

Первым, кто применил и разработал технологию цифровой обработки видеоинформации, была корпорация SONY. Последующим достижением в обработки видеоинформации стало применение цифрового процессора — DSP (Digital Signal Processor — Процессор цифровой обработки сигнала). Произошло это 1997 г. с выпуском первого DSP серии SS. Благодаря высокой надежности и качеству производства данной технологии, камеры на его основе завоевали популярность во всем мире и стали основным элементом современной аналоговой видеокамеры, а новый принцип обработки цветного изображения за многие годы превратился в стандарт построения камер видеонаблюдения.

После большого «шага вперед» развитие данного направление не стояло на месте. Все чаще стали появляться новые технологии обработки видеосигнала. Разрешение видеокамер стало гораздо больше чем 380ТВЛ. Средне статистическая видеокамера имеет разрешение до 600ТВЛ при этом используются следующие ПЗС матрицы:

• Super HAD;
• EXview HAD;
• Super HAD II.

Цветные ПЗС матрицы SONY

Наимено вание изделия	Диагональ ный размер изображения дюйм — мм	Кол-во эффективных пикселей (Ш x В)	Чувствитель ность (мВ)	Корпус	Кол-во выводов	Технология изготов ления
				Керами ческий DIP
				Керами ческий DIP
				Малый керамический цилиндр
				Пластиковый DIP
				Пластиковый DIP
				Пластиковый DIP
				Пластиковый DIP
				Пластиковый DIP
				Пластиковый DIP
				Пластиковый DIP
				Пластиковый DIP
				Пластиковый DIP
				Малый керамический цилиндр
				Керамичес кий SON (LCC)

Новым переломным моментом в истории развития технологий в системах видеонаблюдения, стала разработка корпорацией SONY в 2009 году новых современных процессоров и ПЗС матриц, объединенная под торговой маркой «Effio».

Новые компоненты «Effio» включают в себя все самое наилучшее; богатый опыт, инновации, а также большое количество технологических усовершенствований, что позволило увеличить разрешение аналоговых камер видеонаблюдения, повысить отношение сигнал/шум, сделать более глубокой и насыщенной цветопередачу.

Решения «Корпорации» позволили увеличить горизонтальное разрешение до 700 ТВЛ за счет применения нового формата ПЗС матрицы 960H. SONY в будущем планирует расширять линейку «Effio», создавая новый мир аналоговых камер видеонаблюдения высокого разрешения — мир «Effio» 960H.

История развития марки Effio

• 10 Августа 2009 Начало производства «Effio» — выпущен первый процессор «Effio-E» и новые ПЗС матрицы для систем PAL и NTSC в линейке высокочувствительной технологии «Super HAD CCD II» — матрицы 960H.
• 1 Июля 2010 Корпорация Sony начинает активную рекламную компанию в Японии и Азии продукта «Effio-E» — первого представителя «Effio», а также ПЗС матриц 960H.
• 31 Августа 2010 Выпущены обновленные и улучшенные версии процессора «Effio-E», а также начато производство ПЗС матриц 960H повышенной чувствительности в инфракрасном (ИК) диапазоне — «EXview HAD CCD II», что позволяет строить камеры видеонаблюдения разрешения до 700 ТВЛ, эффективно работающими с ИК подсветкой.
• 1 Января 2011 Корпорация SONY начинает активную рекламную компанию в Японии и Азии новых продуктов «Effio-P» и «Effio-S» расширяющих возможности серии «Effio».
• 8 Марта 2011

На выставке Tokyo Big Sight корпорация SONY презентовала новые процессоры видеообработки «Effio-P» и «Effio-S», которые стали дальнейшим усовершенствованием процессора первого поколения «Effio-E», а также продемонстрировала работу камеры видеонаблюдения разрешения до 700 ТВЛ на их основе.

Что такое Effio

Аббревиатура «Effio» (Enhanced Features and Fine Image) Processor обозначает — «Процессор с Расширенными Возможностями и Прекрасным Изображением».

ПЗС матрица разрешения 960H

Обозначение «960H» определяет количество эффективных пикселей по горизонтали CCD матрицы, а следовательно и качество изображения, формируемого камерой видеонаблюдения по горизонтали. В вертикальном направлении количество пикселей остается неизменным, и предопределено стандартом развертки аналогового видеосигнала, оно составляет 582 видимых строки.

По сравнению с предыдущими матрицами формата 760H, новый формат матриц 960H характеризуется увеличенным на 30% числом пикселей. Как следствие повышение четкости изображения видеокамеры.

Ниже приведена таблица соответствия между форматом матрицы и количеством эффективных пикселей, для камер видеонаблюдения стандарта PAL:

Горизонтальное разрешение до 700 ТВЛ

Разрешение по горизонтали представляет уровень детализации в горизонтальном направлении изображения, большее число указывает на более высокую четкость кадра, и как правило, измеряется в телевизионных линиях — ТВ линий, ТВЛ (англ. TV Line, TVL).

Используемый метод измерения ТВЛ называется JEITA (ТТК-4602B).

Процессор обработки изображения DSP Effio

Новые достижения в области технологии обработки видеосигнала повысили горизонтальное разрешение 600 ТВЛ даже на традиционных матрицах формата 760H, что впервые было получено на процессорах видеообработки ISP 4- и 7- поколений. Однако новый формат ПЗС матрицы 960H, которая является «глазом» камеры видеонаблюдения, позволяет достичь еще более естественного изображения повышенной четкости, что в сочетании с новыми технологиями обработки видеосигнала процессоров DSP Effio и хорошей «мегаписксельной» оптике обеспечивает горизонтальное разрешение до 700 ТВЛ.

Процессоры DSP SONY Effio

Под торговой маркой «Effio» корпорация SONY продвигает в первую очередь процессоры видеообработки — DSP Effio

Надеемся, что приведенная ниже информация позволит потребителям более осознанно подходить к покупке камер видеонаблюдения из линейки Effio, а также избежать недобросовестных продавцов.

Особенности DSP Sony «Effio-P»

• поддержка ПЗС матриц формата 960H и 760H
• камеры видеонаблюдения обеспечивают горизонтальное разрешение до 700 ТВЛ при матрице 960H, и до 600 ТВЛ при матрице 760H
• расширенный динамический диапазон — WDR (Wide Dynamic Range)
• 2D и 3D шумоподавление (2D & 3D-NR / Noise Reduction)
• цифровая стабилизация изображения
• детектор движения
• приватные зоны
• цифровое увеличение — E-Zoom
• экранное меню — OSD
• встроенный системный контроллер для управления камерой видеонаблюдения

Процессор DSP Sony » Effio — S »

«Effio-S» (CXD4130GG) — процессор обработки видеосигнала (LSI) для построения цветной видеокамеры на основе комплементарной ПЗС матрицы. Позволяет обрабатывать изображение от CCD матрицы 960H и 760H.

В корпусе одной микросхемы «Effio-S» упакован процессор DSP Effio и память видеообработки, что позволяет реализовать такие функции, как цифровое увеличение (E-Zoom), медленный затвор (режим Sense-UP), 3D фильтр шумоподавления, и несколько других. По-сравнению с «Effio-P» набор функций несколько сокращен, в частности не поддерживается режим WDR.

Возможности процессора DSP Effio-S

• работа с ПЗС матрицами формата 960H и 760H
• камеры видеонаблюдения обеспечивают горизонтальное разрешение до 700 ТВЛ для матриц 960H, и до 600 ТВЛ — для 760H
• улучшенное адаптивное воспроизведение цвета — ATR-EX (Adaptive Tone Reproduction)
• 2D и 3D шумоподавление (2D&3D-NR)
• детектор движения
• приватные зоны
• компенсация зон высокой яркости — HLC (High Light Compensation)
• медленный затвор — повышение чувствительности (Sense-UP)
• цифровое увеличение — E-Zoom
• экранное меню – OSD

Процессор DSP «Effio-E»

«Effio-E» (CXD4127GG), первый из линейки и наиболее простой процессор серии «Effio», который предназначен для работы с форматом ПЗС матрицами 960H, 760H и 510H. Процессор не содержит встроенной памяти видеообоработки, за счет чего упакован в миниатюрный LFBGA корпус размером 8х8 мм, но при этом характеризуется самым малым энергопотреблением.

Особенности процессора DSP Effio-E

• поддержка ПЗС матриц всех форматов 960H, 760H, 510H
• горизонтальное разрешение камеры видеонаблюдения соответственно 700 ТВЛ, 600 ТВЛ, 420 ТВЛ
• адаптивное воспроизведение цвета — ATR (Adaptive Tone Reproduction)
• 2D шумоподавление (2D-NR)
• детектор движения
• приватные зоны
• компенсация зон высокой яркости — HLC (High Light Compensation)
• экранное меню — OSD

Сравнение функций процессоров DSP Effio

Ниже приведена таблица, дающая общее представление о возможностях процессоров DSP Effio. Символ »

Наименование
Тип процессора
Поддерживаемые ПЗС матрицы	Обычная CCD и WDR CCD	Обычная CCD	960H, 760H, 510H Обычная CCD
Разрешение:
Функция WDR
Шумоподавление
День-ночь
Приватные зоны
Медленный затвор (режим Sens-up)
Цифровая стабилизация изображения
HLC — подавление высокой яркости
AF детектор
Детектор движения

Из таблицы видно, что «Effio-E» является наиболее простым процессором без встроенной видеопамяти, поэтому реализуется только 2D-NR режим шумоподавления, а также не поддерживает режим медленного затвора (Sense-UP) — повышения чувствительности в ночном режиме за счет увеличения времени выдержки.

В дополнение к возможностям «Effio-E» процессор DSP «Effio-S» оборудован встроенной памятью, что позволяет реализовать режимы Sens-UP, и 3D-шумоподавление. Кроме этого процессор обеспечивает режимы цифрового увеличения (E-Zoom) и улучшенного адаптивного воспроизведение цвета (ATR-EX).

Наиболее прогрессивным процессором является DSP «Effio-P», который в дополнение к режимам работы «Effio-S» обеспечивает работу с ПЗС матрицами расширенного динамического диапазона (WDR), режим цифровой стабилизации изображения, а также оборудован встроенным микроконтроллером для реализации дополнительных функций сложных CCTV видеокамеры High-End класса.

ПЗС (CCD) матрицы формата 960H

Не смотря на то, что процессоры «Effio» могут работать с ПЗС матрицами предшествующих форматов 760H и 510H, наибольший интерес представляют новинки увеличенного формата 960H, дающие возможность строить камеры видеонаблюдения горизонтального разрешения до 700 ТВЛ.

Исторически, первой появилась матрица 960H, изготовленная по хорошо отработанной (на тот момент) технологии Super HAD II, после чего, в результате усовершенствования светофильтра и оптической части матрицы появилась новая ее версия, выполненная по технологии EXview HAD II, светочувствительность которой, несмотря на уменьшенный размер пикселей, сравнима с чувствительностью матриц Super HAD II формата 760H (в частности с ICX639BKA).

Ниже приведена сравнительная характеристика ПЗС матриц 960H для камер видеонаблюдения разрешения 700 ТВЛ, работающих в система PAL (такая система используется в Украине).

Наименование
Технология Sony	EXview HAD CCD II	Super HAD CCD II	Super HAD CCD II
Размер ПЗС матрицы	1/3″ (диагональ 6 мм)	1/3″ (диагональ 6 мм)	1/4″ (диагональ 4,5 мм)
Кол-во пикселей: Эффективное
Горизонтальное (H) и вертикальное (V) разрешение: Эффективное	1020 (H) x 596 (V)	1020 (H) x 596 (V)	1020 (H) x 596 (V)
Размеры пикселя, мкм	5. 0 (H) x 6.25 (V)	5.0 (H) x 6.25 (V)	3.75 (H) x 5.56 (V)
Унифицированная светочувствительность по методике Sony , мВ (F5.6)
Уровень насыщения, мВ
Уровень темнового шума, дБ (F5.6)
Напряжения питания, В
Сигнал управления переносом зарядов, В
Совместимость с процессорами

Тенологии SONY для производства ПЗМ матриц 960H

Технология Super HAD CCD II

«Super HAD CCD II» является собственностью торговой маркой компании SONY Corporation.

«Super HAD CCD II» — высокопроизводительный сенсор от SONY — CCD HAD (Hole-Accumulation Diode) с типичной чувствительностью 1000 мВ и более на единицу площади пикселя — 1 мкм2 (цвет при F5.6 / черно-белый: F8 — в режиме эквивалентном накоплению заряда на протяжении 1 сек).

Технология Super EXview HAD CCD II

«EXview HAD CCD II» является собственностью торговой маркой компании SONY Corporation.

«EXview HAD CCD II» — высокопроизводительный сенсор от SONY — CCD HAD (Hole-Accumulation Diode) с типичной чувствительностью 1000 мВ и более на единицу площади пикселя — 1 мкм2 (цвет при F5.6 / черно-белый: F8 — в режиме эквивалентном накоплению заряда на протяжении 1 сек) с улученной светочувствительностью в инфракрасном и близком к нему диапазоне, как и предшествующая структура «EXview HAD CCD».

Что мы имеем на сегодняшний день

Здесь следуют отметить одно но, что когда торговая организация указывает, что она продает видеокамеру «Effio», то по меньшей мере это не полная информация. Камера видеонаблюдения в таком случае может быть построена на любом из DSP Effio, в т.ч. и обладающем минимальным набором функций — «Effio-E», без поддержки Sens-UP, WDR, ATR-EX и прочих.

Но что еще более страшно — в камере видеонаблюдения может применяться ПЗС матрица не максимального формата 960H, которая и определяет все преимущества нового поколения камер видеонаблюдения разрешения 700 ТВЛ, а обычная матрица формата 760H с разрешением до 600 ТВЛ.

На сегодняшний день такая «подмена» не может быть обнаружена визуально по качеству изображения формируемого камерой видеонаблюдения. Причина этого — использование в современных системах видеонаблюдения оцифровки видеосигнала с разрешением 720H.

Будьте внимательны и требуйте от продавцов предоставления полной информации о камере видеонаблюдения: типе установленной ПЗС матрицы и серии примененного процессора «Effio».

Технологии видеообработки в DSP Effio

Являясь лидером в производстве ПЗС матриц, корпорация SONY до выпуска процессора «Effio» отставала в производстве систем видео обработки для камер видеонаблюдения. Поэтому все функции, реализованные в процессоре Effio-E и в его последующих моделях «Effio-S» и «Effio-P» не новы и были ранее реализованы в ISP 4 и 7 поколений других производителей. Такие процессоры и матрицы 760H наши предприятия используют для производства камер видеонаблюдения разрешения 600 ТВЛ.

Давайте рассмотрим что нам дали новые технологии, примененные в DSP Effo.

Высокое разрешение 700 ТВЛ обеспечивают процессоры «Effio-P», «Effio-S» и «Effio-E» только с ПЗС матрицей 960H.

Главным новшеством в «Effio» является именно ПЗС матрица 960H с увеличенным разрешением до 700 ТВЛ.

Представленное изображение получено SONY на реальной камере видеонаблюдения в соответствии с методом измерения JEITA (TTR-4602B).

Подавление шумов

Обеспечивают процессоры «Effio-P», «Effio-S» и «Effio-E» не зависимо от формата ПЗС матрицы. Функция 2D-NR впервые была реализована в процессорах ISP 4 поколения, а 3D-NR в процессорах IPS 7 поколения.

Снижение шума — функция, которая уменьшает шумы на изображении с целью улучшения его качества. В частности, шум проявляется, когда камера видеонаблюдения работает при низкой освещенности и ночью, а также в других условиях, сопровождающихся высоким коэффициентом усиления.

«Effio-E» (CXD4127GG) не содержит видеопамяти, поэтому выполняет только функцию пространственного шумоподавления по строке (2D-NR), процессоры же DSP «Effio-Р» (CXD4129GG) и DSP «Effio-S» (CXD4130GG) оборудованы видеопамятью, поэтому в дополнение к 2D-NR выполняются также временную фильтрацию (3D-NR) совмещенную с режимом накопления (увеличением времени выдержки Sense-UP).

Пример работы функции 2D-NR

Пример работы функции 3D-NR

Особенностью видеообработки является независимая регулировка фильтров шумоподавления для сигнала яркости и цветности, что дает возможность получать цветное изображение даже в ночном режиме работы.

Отличная цветопередача

Обеспечивают процессоры «Effio-P», «Effio-S» и «Effio-E» не зависимо от формата ПЗС матрицы. Функция впервые была реализована в процессорах ISP 4 и 7 поколения.

Отличное воспроизведение цвета в условиях различных источников света. При этом возможный диапазон температур белого колеблется от 1800 К до 10500 К.

OSD Меню

Экранное меню уже более 5 лет используется в процессорах сторонних изготовителей, для наиболее точной настройки камеры видеонаблюдения под конкретные условия ее эксплуатации (место установки).

Экранное меню OSD (On-screen display) позволяет настроить параметры работы камеры видеонаблюдения используя монитор, подключенный к ней, без необходимости подключения внешнего контроллера или программатора. Меню DSP Effio поддерживает 8 языков, в т.ч. и Русский.

Режим ATR/ATR-EX

Обеспечивают процессоры «Effio-P», «Effio-S» и «Effio-E» не зависимо от формата ПЗС.

ATR (Адаптивное Воспроизведение Тона) — функция обеспечивает выборочную компенсацию для улучшения контраста объектов, а также воспроизведения цветов, в случае когда в изображении есть области как с наличием очень ярких, так и сильно затемненных областей.

Функция ATR улучшает качество картинки камеры видеонаблюдения, выполняя оптимизацию цветной составляющий изображения с учетом яркостной составляющей сигнала в этой области.

WDR — широкий динамический диапазон

Обеспечивает только процессор «Effio-P» с ПЗС матрицей 960H технологией EXview HAD CCD II. Однако такая функция реализована в процессорах ISP 4 и 7 поколения, в т.ч. и при использовании обычной ПЗС матрицы 760H с технологией Super HAD CCD II (например ICX639BKA).

Широкий динамический диапазон (WDR) — функция, которая позволяет сделать изображение камеры видеонаблюдения более естественным, за счет уменьшения яркости сильно освещенных участков, и повышения яркости областей находящихся в тени. Данная функция обеспечивается разным временем выдержки при формировании изображений для светлых и темных областей, с последующим их совмещением этих двух изображений в общее посредством цифровой обработки.

Область использования DSP Effio и матриц 960H

Системные решения для видеонаблюдения 960H.

Обеспечивает более высокое качество изображения при мониторинге в реальном времени, сохраняя высокую степень надежности системы видеонаблюдения.

Высокое качество изображения (разрешение 700 ТВЛ), высокая производительность процессора DSP Effio и наличие цифрового выхода позволяет использовать серию «Effio-P» для построения IP систем видеонаблюдения.

Технические преимущества «Effio» 960H

Увеличенное количество пикселей в ПЗС матрице 960H обеспечивает больший объем информации в входном каскаде камеры видеонаблюдения, что в сочетании с технологиями обработки сигнала в DSP Effio — гарантирует высокое разрешение 700 ТВЛ выходного сигнала, а следовательно позволяет получить новое качество в аналоговых камерах видеонаблюдения из мира 960H.

ВЫВОД

Самый главный вывод этой статьи то, что новые технологии позволяют повысить качество видеоизображения. Но НЕ СТОИТ забывать, что многие регистраторы не поддерживают запись с высоким разрешением. Если регистратор пишет с разрешение 368х288, то зачем ему камера с разрешением 1020x 596?! Видеокамеры с таким процессором лучше всего использовать в системах, где разрешение записи как минимум 704х576. Процессор позволяет отображать глубину цвета 16-24 бит. Такой разброс зависит от производителя видеокамер.

Матрица — это одно из самых сложных устройств камеры, ее главный и, чаще всего, единственный её орган чувств (еще датчик температуры бывает). В матрице собраны лучшие достижения в области микроэлектроники. Само слово «матрица» означает уход от громоздких электровакуумных монстров к миниатюрным прямоугольным пластиночкам, с помощью которых шустрые китайцы завалили рынок шпионскими гаджетами, упакованными в часы, пуговицы, авторучки и т.д. и т.п.

В описаниях камер присутствуют такие суровые надписи как, скажем, SONY super HAD II CCD 1/3″ . Это конечно впечатляет, но при выборе камеры эмоциями руководствоваться не следует. Давайте пройдемся по параметрам матриц хотя бы поверхностно.

1/3″ — это самый ходовой размер матриц, он привязан к диаметру электронной трубки с аналогичными параметрами, т.е. уходит корнями в прошлый век. Достаточно знать, что, чем больше размер, тем выше качество и цена. Поэтому размеры 1″, 1/2″, 2/3″ в видеонаблюдении применяются гораздо реже из-за цены (в профессиональной фотографии их достаточно), хотя качество там выше. Так же матрицы размером 1/4″ и ниже используются реже из-за более низкого качества. Дело в том, что при одинаковом количестве пикселей (элементов изображения) матрица большего размера имеет лучшее качество из-за меньшего количества шумов, наводимых соседними элементами. Со временем наверное размеры уйдут в сторону уменьшения, но пока вот так.

Насчет «SONY super HAD II CCD» — это технология повышения чувствительности цветных камер, разработанная угадайте с трёх раз кем. В подробности вдаваться не будем, кому интересно — полазьте по поисковикам или напишите вопрос в комментарии . Достаточно знать, что сейчас есть 2 основных технологии: CCD (си-си-ди) и CMOS (на жаргоне — чмос), что по нашему соответственно ПЗС (приборы с зарядовой связью) и КМОП (комплементарный металл-оксид-проводник). А реально, для потребителя:

— CCD (ПЗС) имеют немного более высокое качество, но дороже;

— CMOS (КМОП) подешевле немного, потребляет меньше (ненамного).

Не так давно появилась технология DIS (digital image system — цифровая система изображения). Там матрица собрана на одном кристалле с процессором обработки видеосигнала. Особой революции не произвело — технологии все равно те же. Но вот один эффект интересный — у матрицы температурный диапазон шире в сторону отрицательных температур (до -40). Я так понимаю, что просто процессор, стоящий на одном кристалле с матрицей, её греет — побочный эффект. Но это позволяет отказаться от устройства подогрева, а в наших сибирских условиях это очень важно. Для примера — на одном объекте камеры под вечер начинали отключаться (кстати, тот самый объект, который в фигурирует, «Класс защиты « называется). Ну разобрался, дело было в том, что на сопротивлении длинных тонких проводов практически до предела падало напряжение питания камер, а вечером, при снижении температуры (дело было осенью), включался подогрев, ток увеличивался, и напряжение совсем падало — ниже допустимого порога. Вот камеры и отключались. Кстати, аналогичные случаи бывают, когда в темноте включается встроенная инфракрасная подсветка. Просто думать надо, когда объект проектируешь, и на монтаже не халявить. Ну это уже из другой оперы.

Ну, естественно, еще один существенный параметр — это разрешение матрицы , т.е. количество пикселей в строке и количество строк. Для аналоговых камер предел мечтаний ограничен параметрами стандарта PAL — 720х576 пикселей. Так что, если в аналоговую камеру вставить матрицу любой мегапиксельности, изображение останется в указанных пределах. Конечно, при правильной обработке сигнала несколько возрастет качество за счет учета яркости и цветности пикселей, соседних с передаваемыми. Кроме того, за счет суммирования сигналов с соседних пикселей можно увеличить чувствительность. IP-камеры могут выдавать изображение, соответствующее разрешению матрицы, среди них есть мегапиксельные камеры, это их бесспорный плюс. У них есть свои недостатки, но это предмет для отдельного разговора.

Чувствительность матриц — это минимальная освещенность в лк (люкс, единица освещенности, международное обозначение — lx), при которой можно различить объект. На настоящий момент она близка к технологическому пределу. Где-то десятые-сотые доли лк, насколько я помню. Встречаются камеры со значением чувствительности, допустим 0,0001 лк. Тут надо отдавать себе отчет, что она достигнута за счет поочередного суммирования изображений с нескольких последовательных кадров. Это делается силами процессора обработки видеосигнала и к чувствительности матрицы отношения не имеет. При низкой освещенности движущийся объект будет или смазан или вообще не заметен. Следует еще заметить, что в условиях низкой освещенности цветные матрицы могут переключаться в режим черно-белого изображения, причем сигналы цветности RGB (красный, зеленый, синий) складываются в единый яркостный сигнал для повышения чувствительности. При этом, если камера оборудована автоматически убирающимся инфракрасным фильтром, защищающим матрицу в дневное время, то камера может работать с инфракрасной подсветкой, невидимой для невооруженного глаза.

Кстати, наш глаз устроен аналогично — там, на сетчатке есть чувствительные элементы, воспринимающие цветность, но с низкой чувствительностью, а в темноте подключаются другие — высокочувствительные, но черно-белые. Отсюда и утверждение, что ночью все кошки серые.

Есть еще серьёзный параметр — динамический диапазон . Это отношение максимально яркого и максимально темного сигналов, которые матрица способна обрабатывать одновременно. У CCD-матриц этот параметр лучше, но CMOS-ы активно развиваются.

В общем, параметров много, выбирать надо, исходя из задач, условий и финансовых возможностей (прошу прощения за банальность). Обращайтесь к специалистам, можно ко мне 🙂

Проблемы 

Чем матрица CCD отличается от матрицы CMOS? / Контроль-СБ

К этому 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 видеокамер, 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:

1. Низкий уровень шумов.

2. Высокий коэффициент заполнения пикселов (около 100%).

3. Высокая эффективность (отношение числа зарегистрированных фотонов к их общему числу, попавшему на светочувствительную область матрицы, для CCD — 95%).

4. Высокий динамический диапазон (чувствительность).

 

К недостаткам CCD матриц относятся:

1. Сложный принцип считывания сигнала, а следовательно и технология.

2. Высокий уровень энергопотребления (до 2-5Вт).

3. Дороже в производстве.

 

Преимущества CMOS матриц:

1. Высокое быстродействие(до 500 кадров/с).

2. Низкое энергопотребление(почти в 100 раз по сравнению с CCD).

3. Дешевле и проще в производстве.

4. 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).
К недостаткам CMOS матриц относятся

1. Низкий коэффициент заполнения пикселов, что снижает чувствительность(эффективная поверхность пиксела ~75%,остальное занимают транзисторы).

2. 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.

3. Невысокий динамический диапазон.

Общие сведения о камерах с матрицей SONY

Корпорация Sony была первой, кто применил в CCTV камере видеонаблюдения (видеокамере) принцип оцифровки сигнала ПЗС (CCD) матрицы с последующей его цифровой обработкой при помощи процессора – DSP (Digital Signal Processor – Процессор цифровой обработки сигнала). Произошло это 1997 г. с выпуском первого DSP серии SS. Благодаря высокому качеству и надежности которого, камеры на его основе завоевали популярность во всем мире, а новый принцип обработки цветного изображения за многие годы превратился в стандарт построения камер видеонаблюдения. Сердцем таких камер видеонаблюдения является ПЗС (англ. CCD) матрица формата 760H с количеством эффективных пикселей 752х582 по горизонтали и вертикали соответственно. Указанный формат матрицы уже давно используются в камерах высокого разрешения, включая камеры разрешений 480 ТВЛ, 500 ТВЛ, 520 ТВЛ и 540 ТВЛ. Каким же образом на классической матрице получено более высокое, 600 ТВЛ горизонтальное разрешение? Ответ простой – как и все предшествующие увеличения разрешения начиная с 480 ТВЛ и заканчивая 540ТВЛ осуществлялись за счет использования более эффективного процессора обработки сигналов видеоизображения – ISP (Image Signal Processor). В камерах с разрешением 600 ТВЛ, используется видеопроцессор IV поколения, отличающийся увеличенной разрядностью оцифровки видеосигнала снимаемого с цветной ПЗС матрицы, расширенной частотной характеристикой трактов видеообработки и возможностью формирования выходных сигналов CSVB или S-Video при помощи встроенных в процессор цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП). Как и все предыдущие процессора новый ISP выполняет обработку изображения в цифровом коде и реализует ряд уже традиционных для камер видеонаблюдения функций, а именно:

• DN (Day-Night) – “день-ночь” – формирование черно-белого изображения при низкой освещенности с возможностью настройки порогов и задержек перехода между черно-белым и цветным режимами
• AE (Automatic Exposition) – электронный затвор позволяет поддерживать постоянную яркость изображения независимо от освещенности наблюдаемой сцены
• AGC (Automatic Gain Control) – автоматическая регулировка усиление в ночном режима обеспечивает формирования светлой и распознаваемой картинки при низкой освещенности и работе ночью
• BLC (Back Light Compensation) – компенсация задней засветки с возможностью настройки до 4 зон, с заданием уровня яркости в каждой из них относительно общего уровня яркости изображения (для камер с OSD), что позволяет, например, компенсировать избыточную яркость окон на общем фоне помещения настройка контраста и четкости изображения

Широкий набор параметров видеообработки позволяет настроить камеру и получить идеальное изображение при любых условиях ее эксплуатации: в темных и светлых помещениях, на улице и внутри помещений, при работе на встречную засветку и в сценах с широким диапазоном яркостей, а также в полной темное при использовании инфракрасной (ИК) подсветки.

На сегодняшний день корпорация SONY производит следующий номенклатурный ряд ПЗС матриц для цветных аналоговых телекамер охранного назначения, предназначенных для работы в стандарте PAL.

Цветные ПЗС матрицы SONY:

 

Наименование изделия	Диагональный размер изображения дюйм – мм	Кол-во эффективных пикселей (Ш x В)	Чувствительность (мВ)	Корпус	Кол-во выводов	Технология изготовления
ICX419AKL	1/2″ – 8 мм	752 x 582	1300	Керамический DIP	20	–
ICX429AKL	1/2″ – 8 мм	752 x 582	1600	Керамический DIP	20	EXview
ICX419AKB	1/2″ – 8 мм	752 x 582	1300	Малый керамический цилиндр	16	–
ICX259AK	1/3″ – 6 мм	752 x 582	1100	Пластиковый DIP	16	EXview
ICX-NEW-09	1/3″ – 6 мм	752 x 582	2250	Пластиковый DIP	16	Super HAD
ICX409AK	1/3″ – 6 мм	752 x 582	950	Пластиковый DIP	16	Super HAD
ICX255AK	1/3″ – 6 мм	500 x 582	2000	Пластиковый DIP	16	EXview
ICX405AK	1/3″ – 6 мм	500 x 582	1700	Пластиковый DIP	16	Super HAD
ICX279AK	1/4″ – 4,5мм	752 x 582	800	Пластиковый DIP	14	EXview
ICX229AK	1/4″ – 4,5мм	752 x 582	440	Пластиковый DIP	14	–
ICX207AK	1/4″ – 4,5мм	500 x 582	800	Пластиковый DIP	14	Super HAD
ICX227AK	1/4″ – 4,5мм	500 x 582	880	Пластиковый DIP	14	–
ICX207AKB	1/4″ – 4,5мм	500 x 582	880	Малый керамический цилиндр	13	Super HAD
ICX239AKE	1/6″ – 3мм	752 x 582	300	Керамический SON (LCC)	12	–

Сравнение матриц видеокамер систем видеонаблюдения, сделанных по технологиям CCD и CMOS.

  

 

 

CCD (ПЗС — прибор с зарядовой связью, CCD – Charge-Coupled Device) и CMOS (КМОП — комплементарный металл — оксид — полупроводник, CMOS — complementary metal-oxide-semiconductor) — это две разных технологии производства матриц, использующихся в видеокамерах систем видеонаблюдения для получения изображения.
 

Матрицы обоих типов преобразуют свет в электрический заряд. Когда накопление заряда завершено, в CCD матрице накопленные электроны сдвигаются к краю матрицы, где попадают на измерительный элемент, создавая на нем сигналы пропорциональные отдельным зарядам. В CMOS матрицах преобразование заряда в напряжение происходит непосредственно в каждом пикселе. Оба типа матриц имеют свои преимущества и недостатки и оба они могут с успехом использоваться в разных сферах применения. Нельзя сказать, что одни категорически лучше других, хотя производители и продавцы часто утверждают обратное.
 

Производительность матриц систем видеонаблюдения можно охарактеризовать следующими пунктами:

• Динамический диапазон.  Это диапазон яркости объектов, который камера воспринимает как от абсолютно черного до абсолютно белого. Чем шире динамический диапазон, тем лучше передача цветовых оттенков, лучше устойчивость матрицы к пересвету и меньше уровень шума в тенях. Это легко представить, когда на слишком светлой картинке текстуры исчезают и мы видим абсолютную белизну. Или при съемке в темное время суток видим на экране абсолютно черную область. Здесь CCD матрицы показывают лучшие результаты, кроме того, изображение, сформированное CCD матрицами, содержит меньше шума.
   

• Однородность формирования изображения пикселами. При идентичных условиях освещения для нескольких пикселов, в идеале, они должны сформировать однородное изображение, но на деле это не так. Также важна однородность при ярком освещении и в почти полной темноте. Элементы CMOS, традиционно, были хуже при обоих условиях. Для каждого пиксела CMOS матрицы имеется отдельный усилитель, всего же может быть более миллиона таких усилителей. В результате их работы возникают различные помехи и шумы. И хотя производители матриц CMOS инвестируют достаточно много средств для улучшения этой характеристики (например, внедрение технологии Exmor Sony), CCD матрицы здесь до сих пор лидируют.
   

• Затвор. Еще одно из различий между CCD и CMOS матрицами это способ захвата кадра. В CCD матрицах используется так называемый «кадровый затвор» (Global shutter), а в CMOS-матрицах – «скользящий затвор» (Rolling shutter). Кадровый затвор формирует изображение мгновенно, все пиксели матрицы, отведенные для работы, передают информацию одновременно. В CMOS матрицах, скользящий затвор сканирует кадр сверху вниз построчно, путем последовательного захвата каждого пикселя. Затвор как бы скользит по кадру, отсюда и происходит его название. Разница между ними в большинстве ситуаций будет незаметна, особенно при хорошем равномерном освещении. Однако, при некоторых условиях, скользящий затвор может показать не очень хорошие результаты. Например, при съемке объектов, с искусственным освещением с малой частотой мерцания (люминесцентные лампы), на кадрах могут появляться горизонтальные темные и светлые полосы. Для человеческого глаза мерцание люминесцентных ламп почти незаметно, но так как скользящий затвор CMOS матрицы формирует изображение последовательно, одни пиксели получают больше света, чем другие. В конечном итоге, эта особенность CMOS матриц может обернуться реальной проблемой. Во время съемки быстро движущихся объектов оба датчика также ведут себя совершенно по-разному. Из-за особенности захвата кадра, CMOS матрица сформирует изображение, сдвинутое по горизонтали. Прямые вертикальные линии окажутся наклонными.

• Скорость формирования кадра. Характеристика, в которой CMOS имеет преимущество перед CCD, в силу единой структуры светочувствительного элемента и микросхем обработки сигнала. Чем выше разрешение матрицы, тем ниже скорость формирования изображения. Из-за этой особенности в мегапиксельных IP камерах преобладают CMOS матрицы.
   

• Работа с «окнами». Одной уникальной особенностью технологии CMOS является возможность работы с частью изображения. Это позволяет увеличить частоту кадров выбранных групп пикселей для некоторых специфических задач. Также это позволяет передавать несколько потоков изображения с одного CMOS сенсора, имитируя несколько камер. Матрицы CCD лишены этой возможности.
   

• Антиблюминг. Возможность уменьшить эффект «растекания» пересвеченных областей матрицы ПЗС в соседние ячейки. Во многих камерах применяются антиблюминговые цепи, которые отводят избыточные электроны от пикселей. В то же время, антиблюминговые цепи меняют линейность характеристики CCD матрицы и не применяются в некоторых профессиональных устройствах. Эффект блюминга часто может быть замечен, например, на спутниковых фотографиях и снимках межпланетных зондов. Матрицы CMOS лишены эффекта блюминга, так как информация с каждого пиксела считывается индивидуально.
   

• Вертикальный смаз. Эффект, характерный для CCD матриц, проявляется в виде горизонтальных светлых полос, при съемке ярких точечных источников света. CMOS матрицы также лишены этого эффекта.

Надежность
 

В большинстве приложений оба типа микросхем считаются одинаково надежными. В устройствах с жесткими условиями эксплуатации CMOS датчики считаются более устойчивыми, так как вся электроника размещается на одной микросхеме, а это подразумевает минимальное количество паяных соединений, которые часто являются причиной поломки в сложных условиях эксплуатации. Как уже говорилось выше, CMOS датчики обладают большей степенью интеграции, чем CCD. Схемы обработки сигнала, аналого-цифровые преобразователи и другие элементы могут быть размещены прямо на датчике. Это значит, что сама камера на базе матрицы CMOS может быть значительно меньше, чем камера на базе CCD. Однако потребителю нужно понимать стоимость этой интеграции.

Китайские производители практически каждый квартал выпускают камеры на новых матрицах, желая получить максимальную прибыль, в то время как потребителям нужна стабильность и поддержка старых моделей. Кроме того, в IP камерах, важную роль в которых играет прошивка и программное обеспечение. Многие компании, не доводя прошивку до стабильного состояния, переходят на новую платформу, совершенно забывая о поддержке старой.

Считается, что датчики CMOS намного дешевле, но это касается самых бюджетных моделей. Чтобы получить из сенсора CMOS изображение хорошего качества, используются передовые технологии в изготовлении матриц и схем обработки сигнала, за счет этого стоимость может возрасти в несколько раз.
 

IP камеры
 

Изготовление быстрых мегапиксельных CCD сенсоров технологически сложно, поэтому почти во всех IP камерах используются матрицы CMOS. Мегапиксельные IP камеры обладают большей разрешающей способностью, чем аналоговые, соответственно количество пикселей на их матрице больше. Так как сама матрица в них используется аналогичного размера, это приводит к уменьшению размеров самого пиксела, а значит к уменьшению его светочувствительности. Низким значением светочувствительности часто страдают бюджетные CMOS сенсоры, в более продвинутых моделях с помощью различных алгоритмов и технологий светочувствительность значительно улучшена.
 

Выберите камеру под свою задачу
 

Матрицы CMOS обладают более широкими возможностями интеграции, небольшим размером и хорошим качеством изображения. Они подходят для устройств с ограниченным пространством, где не предъявляются особые требования к качеству изображения (камеры различных гаджетов, игрушки, считыватели штрих-кодов, сканеры) и в то же время сегодня продвинутые модели CMOS в большом количестве используются в профессиональных областях (фото-, видеосъемка, системы охранного телевидения)

Матрицы CCD обеспечивают превосходное качество изображения и гибкость, но имеют несколько больший размер. Они остаются наиболее подходящей технологией для создания и обработки изображений в аппаратуре для профессиональных областей. Это могут быть системы видеонаблюдения, телевидение, промышленная, медицинская, научная сферы.

Если, условно, разделить рынок на три ценовых сегмента – бюджетные, средний, высокий, то можно рекомендовать следующее:

— для бюджетных систем видеонаблюдения на аналоговых камерах рекомендуется использовать CCD матрицы, низкое разрешение в них компенсируется хорошей чувствительностью. Если не требуется выполнение специфических задач и условия съемки идеальны, можно остановить свой выбор и на CMOS. В бюджетных IP камерах используются простые CMOS сенсоры, зачастую ориентированные на бытовую или околобытовую области, поэтому такие камеры также следует применять с осторожностью на объектах со сложными условиями съемки.

— в среднем и высоком ценовых сегментах, выбирайте камеру на основании поставленных задач. Для аналоговых систем видеонаблюдения это может быть камера как на хорошем CCD, так и хорошем CMOS сенсоре. В IP камерах, как уже говорилось выше, в основном, используются CMOS матрицы, что немного сужает возможность выбора.
 

Ценовой сегмент	Аналоговые камеры	IP-камеры
Бюджетный (низкий)	ССD (CMOS при идеальных условиях съемки)	CMOS
Средний	CCD или  продвинутый CMOS	Продвинутый CMOS
Высокий	CCD или  продвинутый CMOS	Продвинутый CMOS

 

05. 04.2015

К другим статьям

ПЗС

или КМОП — что лучше?

Дом Новости Блог Развенчание мифов о цифровой микроскопии: всегда ли ПЗС лучше КМОП?

RecommendMail Facebook Twitter LinkedIn

• Наука о здоровье
• Оцифровка

КМОП-сенсоры очень привлекательны и имеют такое превосходное соотношение цены и качества, что сегодня практически любое устройство может быть оснащено возможностью получения изображения, что дает любому микроскопу, научному прибору или медицинскому прибору значительное конкурентное преимущество. Возможность визуализации образцов — независимо от того, является ли она центральной для анализа или очевидной «приятной» функцией — может привести к желаемым новым приложениям, обеспечению качества и планированию экспериментов.

13 февраля 2020 г. , Стефан Зайдлейн

Биологическая визуализация превратилась из пассивного наблюдательного собирателя описательных изображений в острый, универсальный и количественный аналитический инструмент. Микроскопические изображения тканей и клеток служат основой для характеристики и измерения прогрессирования заболевания, визуализации живых клеток, автоматизированной диагностики и множества других видов деятельности в медико-диагностической лаборатории. Таким образом, цифровые микроскопы играют решающую роль в передаче сигнала между интересующим биологическим образцом и глазами ученого.

ПЗС

по сравнению с датчиками CMOS

Независимо от того, измеряете ли вы флуоресценцию, проводите молекулярную диагностику in vitro или разрабатываете новые лекарства, аналитическая биовизуализация требует высококачественной цифровой системы визуализации для разрешения крошечных, но важных деталей.

В течение многих лет датчики с зарядовой связью (ПЗС) были лучшим датчиком изображения, который ученые могли выбрать для своих микроскопов. ПЗС-датчик состоит из двумерной сетки металл-оксид-полупроводниковых конденсаторов. Подобно миниатюрным дождевым ведрам, конденсаторы собирают поступающие фотоны и преобразуют их в электрический ток, который последовательно считывается и снова собирается в картинку.

Тем не менее, на рынке оптики для микроскопов появилась более новая технология, называемая комплементарным датчиком металл-оксид-полупроводник (КМОП), также известная как датчик с активными пикселями. Пиксели в КМОП-датчике немного сложнее, чем в ПЗС, потому что каждый пиксель содержит не только фотодиод, но и набор крошечных транзисторов для усиления генерируемого светом электрического сигнала и передачи его для обработки.

Однако преимущества датчиков CMOS перевешивают дополнительную сложность отдельных пикселей. Датчики CMOS быстрее своих ПЗС-аналогов, что обеспечивает более высокую частоту кадров видео. КМОП-матрицы обеспечивают более широкий динамический диапазон и требуют меньшего тока и напряжения для работы. Активные пиксели также обладают более высокой квантовой эффективностью — показателем того, насколько хорошо устройство преобразует фотоны в электроны, — чем их пассивные собратья.

Конец строки для ПЗС?

Технологические компании продвигают технологию обработки изображений CMOS, в то время как разработка CCD застопорилась. Один глобальный поставщик ПЗС-датчиков прекратил производство ПЗС много лет назад, а другой источник ПЗС объявил, что в ближайшем будущем поставит свои последние формирователи изображения ПЗС. Компании, которые принимают такие решения, обычно останавливают разработку продукта за годы до окончания цикла продукта. Вся индустрия переходит на КМОП и активные пиксели, и производители устройств, производящих цифровые изображения, от обычных камер до самых передовых систем биоимиджинга, должны адаптироваться к более новой технологии.

К счастью, охват рынка КМОП означает, что конечные пользователи систем обработки изображений, в том числе весь рынок биофотоники, могут извлечь выгоду из постоянных улучшений технологии. Качество изображения современных КМОП-сенсоров превышает качество ПЗС-сенсоров и будет только улучшаться.

Когда системы цифровых микроскопов должны обновлять свои компоненты с датчиков CCD на датчики CMOS? Они должны сделать шаг вперед, когда им нужна более высокая частота кадров видео, или когда им нужно меньше шума изображения или фоновых помех, или им требуется более длительное время автономной работы для мобильных цифровых изображений в полевых условиях. Другими словами, КМОП может открыть совершенно новый мир производительности изображений микроскопа при меньших затратах.

Миниатюрная подсистема цифрового микроскопа JENOPTIK SYIONS® состоит из взаимосовместимых модулей, включая интеллектуальные датчики, которые безупречно работают вместе, независимо от конечного применения. Техническая команда Jenoptik имеет многолетний опыт работы с технологией CMOS и световой микроскопией. Jenoptik может помочь клиентам выбрать правильные датчики изображения с размером пикселя, который идеально соответствует источнику света, оптике и электронике, чтобы достичь оптимальных характеристик в отношении разрешения, отношения сигнал/шум, динамического диапазона и других характеристик в соответствии с их применением.

Производительность КМОП будет продолжать улучшаться

Вполне возможно модернизировать существующую архитектуру цифрового микроскопа с помощью миниатюрной системы обработки изображений, занимающей меньше места, чем предыдущее поколение. Точно так же, как развитие устройств обработки изображений смартфонов, миниатюрные микроскопы будут только улучшаться с точки зрения производительности, размера и универсальности применения по мере того, как датчики становятся лучше, умнее, экономичнее и меньше. И это будет означать явное конкурентное преимущество для компаний, занимающихся биомедицинской визуализацией, которые быстрее внедрят эту технологию.

---

13 февраля 2020 г.

RecommendMail Facebook Twitter LinkedIn

---

О Стефане Зайдляйне

Стефан Зайдляйн работает в Jenoptik с 2000 года на различных должностях в области цифровой обработки изображений. В качестве менеджера по продукции он в настоящее время занимается портфолио камер для световых микроскопов и привносит в проекты всю свою компетенцию и опыт работы с цифровыми изображениями. Как дипломированный техник, специализирующийся на энергетических технологиях и автоматизации процессов, он очарован цифровизацией и множеством возможностей, которые она предлагает как отдельным людям, так и Jenoptik.

Что лучше датчик изображения CCD или CMOS?

CCD против CMOS

1 CCD против CMOS

2 Понимание датчиков изображения

3 Заряженные связанные устройства (CCD) Технология

4 Комплементарный полупроводник оксид металла (CMOS)

5 REOLEST

6 Динамик. Запутался, подождите…

ПЗС и КМОП — это датчики изображения. Их можно найти в любом устройстве, создающем образ. Фотоаппараты, веб-камеры, мобильные телефоны. Они являются одной из самых распространенных потребительских электронных устройств в мире. Уже много лет ведутся споры о том, какой датчик изображения: CCD или CMOS. Давайте просто проясним, что обе технологии являются надежными технологиями, которые выжили на рынке электроники благодаря своим характеристикам изображения, изготовлению, упаковке и конкурентоспособным ценам. Таким образом, выбор между той или иной технологией не является таким простым.

В случае формирования изображения тип оптического датчика является лишь одной переменной в длинном уравнении, которое включает в себя линзы, затворы, цветные фильтры и многие другие переменные.

При принятии решения о том, какой датчик вам нужен для вашего приложения, следует помнить о некоторых моментах

1. энергопотребление: КМОП-датчик обычно потребляет меньше энергии, что отражается на более продолжительном времени работы от батареи

2. Качество изображения: ПЗС-датчик имеют тенденцию быть более четкими и менее шумными, чем CMOS

3. Чувствительность: ПЗС имеет тенденцию быть более чувствительным в условиях низкой освещенности, чем КМОП, хотя технология КМОП значительно улучшилась за последние пару лет.

4. Стоимость: здесь КМОП имеет преимущество.

Если вы хотите узнать немного больше о различиях между CMOS и CCD, пожалуйста, продолжайте читать и оставляйте нам любые вопросы в разделе комментариев.

Понимание датчиков изображения

Все камеры CMOS и CCD используют фотоэлектрический эффект для преобразования фотонов в электрический сигнал. Фотоэффект был впервые описан Альбертом Эйнштейном в 1905. Эйнштейн взял идею (у Планка) о том, что свет квантуется небольшими пакетами, называемыми «фотонами». Затем Эйнштейн предположил, что 1) энергия каждого фотона зависит от частоты его электромагнитной волны, 2) что фотон с достаточной энергией может ударить связанный электрон внутри материала, и 3) тогда электрон поглощает энергию фотона и будет выброшен с его текущей орбиты — мы будем называть этот свободный электрон фотоэлектроном. Здесь важно то, что энергия фотона зависит только от его частоты, а не от его интенсивности. Так что только фотоны с правильной частотой смогут убрать электроны с их текущей орбиты. Следовательно, увеличение интенсивности низкочастотного фотона не создаст фотоэлектрон.

После создания фотоэлектрона нам нужно захватить его и определить его количество. Устройства CCD и CMOS используют разные методы для захвата, количественного определения и воссоздания изображения. Как датчики CCD, так и датчики CMOS образованы матрицей пикселей. Каждый пиксель представляет собой светочувствительную область, в которой происходит фотоэлектрический эффект, но как только фотоэлектрон оказывается внутри пикселя, ПЗС и КМОП обрабатывают его совершенно по-разному. В следующих нескольких разделах мы рассмотрим основные операции и различия между устройствами CCD и CMOS.

Забавный факт: Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию за свою работу над фотоэлектрическим эффектом, а не за свою общую теорию относительности необходимы. Большинство камер медицинского и научного назначения основаны на технологии ПЗС. Однако за последние пару лет это изменилось.

Мы можем представить ПЗС-сенсор как матрицу пассивных пикселей. Каждый пиксель получит конечное количество фотонов, которые создадут фотоэлектроны. Затем эти фотоэлектроны захватываются так называемой потенциальной ямой. Каждая потенциальная яма заряжается на определенное время. Количество заряда в каждой потенциальной яме будет зависеть от количества света, освещающего каждый отдельный пиксель. По истечении периода времени сбора появится затвор, который предотвратит сбор дополнительного света.

Давайте представим ПЗС-датчик 5×5. Под датчиком CCD у нас есть так называемый регистр последовательного сдвига (SSR) с размерами 1 × 5. Сдвиговый регистр подключен на одном конце к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) и к усилителю. Нам нужно передать весь заряд ПЗС на SSR, чтобы иметь возможность обрабатывать изображение.

Эта передача происходит во время отключения. В течение этого времени каждый столбец будет перемещать заряд на одну строку вниз (они делают это с помощью так называемого регистра сдвига по вертикали). Нижний ряд (ряд 1 в нашем примере) передает свой заряд SSR. Как только заряд строки 1 переносится на твердотельное реле, он будет перемещать весь имеющийся заряд вправо (по одному столбцу за раз) в АЦП и усилитель до тех пор, пока твердотельное реле не опустеет.

Затем SSR остановится и будет ждать следующего цикла для передачи в него очередной строки и процесс повторяется до тех пор, пока не будут прочитаны все пиксели на ПЗС. Как видите, при чтении с ПЗС требуется несколько циклов для передачи каждой строки в SSR и для передачи каждого набора данных из SSR в ADC.

Одним из основных преимуществ ПЗС является низкий уровень шума. Одна из причин этого заключается в том, что вся система использует только один АЦП и усилитель (по крайней мере, в нашем примере), которые являются источниками шума.

Недостатком является то, что они, как правило, медленные, требующие нескольких тактовых циклов для считывания полного датчика CCD, и это число быстро увеличивается по мере увеличения количества пикселей. Также требуется большое количество энергии для переноса всех этих зарядов.

Рис. 1. Процесс транспортировки носителя ПЗС

Технология комплементарных оксидов металлов и полупроводников (КМОП)

Одно из самых больших различий между ПЗС и КМОП сенсорами заключается в том, что каждый пиксель на КМОП имеет собственный усилитель. Мало того, каждый столбец имеет свой собственный АЦП: как только пиксель обнаруживает свет, он усиливает его, а затем подключается к АЦП для этого столбца. В некоторых конфигурациях каждый пиксель может иметь свой собственный АЦП. Следствием такой конфигурации является то, что можно одновременно считывать несколько пикселей (в параллельной конфигурации).

Некоторые из основных преимуществ заключаются в том, что устройства CMOS имеют более низкое энергопотребление, чем ПЗС, стоимость производства ниже, чем ПЗС, и они быстрее обрабатывают сигналы, чем ПЗС. Поэтому они идеально подходят для быстрого получения изображений. Кроме того, датчики CMOS могут быть изготовлены с использованием полупроводников помимо кремния (таких как арсенид галлия, кремний-германий, арсенид индия-галлия). Эти материалы позволяют КМОП быть чувствительными к длинам волн помимо видимого спектра. Все это большие преимущества, особенно если вы разрабатываете потребительские электронные устройства, такие как цифровые камеры или сотовые телефоны, где время работы от батареи и стоимость очень важны.

Их самый большой недостаток в том, что все эти дополнительные усилители и АЦП создают много шума.

Рис. 2. Процесс чтения CMOS. Электроника встроена в каждый пиксель

Разрешение

Важно выбрать правильную камеру, которая позволит нам иметь правильное разрешение для нашего приложения. Для этого обсуждения мы предположим, что выбираем камеру для применения в микроскопии.

Рассчитаем минимальное разрешение для 40-кратного объектива микроскопа с числовой апертурой 0,65. Мы будем использовать критерий Рэлея для этого расчета: минимальное расстояние между двумя образцами, чтобы их можно было различить в плоскости изображения. Мы можем выразить это в следующем уравнении:

, где x — расстояние между двумя образцами, λ — длина волны, NA — числовая апертура, а n — показатель преломления между образцом и объективом микроскопа. Предполагая длину волны 550 нм (середина видимого спектра), числовую апертуру 0,65 и n = 1 (воздух), мы получаем минимальное расстояние 540 нм. Это разделение увеличивается в 40 раз объективом, и изображение на датчике будет иметь размер 21,6 мкм. Легко подумать, что нам понадобится как минимум размер пикселя 21,6 мкм; однако мы хотели бы, чтобы это изображение занимало не менее 3 пикселей. Поэтому нам понадобится размер пикселя 7,2 мкм или меньше.

В дополнение к этому нам еще нужно учитывать шум камеры и качество оптических элементов. Разрешение и производительность камеры можно охарактеризовать функцией передачи модуляции (MTF), которая представляет собой способность камеры и оптической системы передавать высококонтрастное изображение при различных разрешениях.

Динамический диапазон

Фотодетектор любого типа будет иметь собственный шум. Мы ничего не можем с этим поделать — этот шум является результатом некоторых квантовых эффектов, вызванных температурой (темновой шум) и вызванных электронными процессами во время AD-разговора и усиления (читай-шум). Если наш фотосигнал захвата ниже, чем общий шум системы, мы не сможем обнаружить этот сигнал, и это будет наш нижний предел обнаружения. Однако наш сигнал не может быть бесконечно большим. Помните, что когда фотоэлектроны генерируются, они хранятся в квантовой яме. Этот колодец имеет конечную емкость, и если мы превысим эту емкость, мы насытим чтение этого пикселя. По сути, у нас есть минимальный и максимальный диапазон фотосигнала, который мы можем обнаружить. Этот диапазон мы называем динамическим диапазоном. Его можно измерить по-разному в зависимости от ваших приложений. В фотографии, например, он измеряется в «стопах», тогда как в микроскопии его чаще измеряют в виде соотношения (1000:1), в децибелах (дБ) или в битовой глубине. Например, 8-битная глубина составляет примерно 50 дБ. Независимо от единиц, концепция одна и та же.

Допустим, вы хотите увеличить динамический диапазон датчика. Вы можете увеличить размер своей квантовой ямы, но это также увеличит размер вашего пикселя, а если вы увеличите размер пикселя, вы уменьшите разрешение устройства. Если вы сделаете пиксель слишком маленьким для увеличения разрешения, вы увеличите темный шум, а в случае CMOS вам нужно будет найти место для всей электроники.

КМОП-устройства, как правило, имеют более широкий динамический диапазон, чем ПЗС (хотя и не всегда). Одна из причин заключается в том, что ПЗС, как правило, имеют очень шумную электронику (что более высокое потребление энергии имеет дополнительные последствия), но высококачественные ПЗС-камеры могут иметь квантовую эффективность 90% (это означает, что на каждые 100 полученных фотонов 90 преобразуются в фотоэлектроны), в то время как КМОП может иметь около 40%.

Забавный факт: Колбочки и палочки в наших глазах имеют квантовую эффективность менее 2%

Запутался, просто подождите…

Изучая эту тему, я попал в кроличью нору. Существует так много информации, что можно было бы преподавать целый семестр по этой теме и только поверхностно. Следует помнить, что КМОП является более новой технологией, чем ПЗС, и поэтому за последние 10 лет были достигнуты важные успехи. Десять лет назад выбор между ПЗС и КМОП был менее запутанным: если вам нужны были научные изображения высокой точности, вы выбирали ПЗС. Вы пожертвовали скоростью, и это стоило вам. Если вам нужна бытовая электроника или высокоскоростные изображения, вам нужна CMOS за счет разрешения.

Теперь у нас есть КМОП-камеры с размером пикселя 6,5 мкм, квантовой эффективностью 95% и динамическим диапазоном 96 дБ. Лично я не удивлюсь, если КМОП станет доминирующей технологией обработки изображений в ближайшие 10 лет.

← Введение в интерферометры, теория и типы проектирования Проектирование и оптимизация ахроматических дублетов →

В чем разница между ПЗС- и КМОП-сенсором камеры?

Было написано и обменялось много слов о разнице, а также о возможных преимуществах или недостатках ПЗС (устройство с зарядовой парой) и КМОП (металлооксид-полупроводник + датчик с активными пикселями) сенсоров камеры. Какая на самом деле разница между ними?

Споры ведутся с тех пор, как КМОП впервые начала свой путь к тому, чтобы стать доминирующей в отрасли технологией для сенсоров камер. Это происходило постепенно на протяжении 2000-х, и к середине и особенно к концу этого десятилетия стало ясно, что победит как фото, так и видео.

Что мы попытаемся сделать, так это внести немного ясности в этот вопрос, осветив научные различия — на языке, который, как мы надеемся, был очищен, чтобы быть доступным и кратким, но также информативным и подробным — а также рассмотреть некоторые из наиболее общие субъективные темы для разговоров, которые гуляли по Интернету на протяжении большей части двух десятилетий.

Редакционный кредит: atdigit / Shutterstock.com

Важно отметить, что мы ограничиваем это обсуждение ненаучными (неспециальными астрономическими, медицинскими и т. д.) и не видеосенсорами. Другими словами, для краткости мы говорим о технологиях датчиков CCD и CMOS в фотокамерах. Расширенный разговор о технологиях в нескольких дисциплинах занял бы целую книгу. Имейте в виду, что некоторые из приведенных ниже утверждений не верны для приложений вне сферы фотосъемки.

Немного истории

Для упрощения начнем с начала-середины 2000-х годов, когда цифровая фотография зарекомендовала себя как достойная альтернатива пленке для многих профессионалов. И ПЗС-, и КМОП-технологии существовали задолго до этого момента, но мы хотим сохранить здесь несколько строгих правил.

Фото: Cburnett, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons Компании боролись за господство, поскольку они жонглировали переходом от аналогового к цифровому, и технологии цифровых датчиков были повсюду. Что имеет отношение к этой теме, так это то, что мы видели множество различных и уникальных сенсорных технологий, используемых разными производителями, которые часто меняются и развиваются.

Сегодня у нас есть по существу четыре типа датчиков: КМОП с байеровским CFA, КМОП без CFA (монохромные датчики), КМОП с X-Trans CFA от Fujifilm и датчики Foveon. Как вы можете догадаться, на самом деле это означает, что у нас есть только два типа фактических сенсорных технологий: CMOS и Foveon.

Хотя тут и там встречались уникальные датчики (например, Nikon JFET-LBCAST), большинство камер, произведенных в начале и середине 2000-х годов, были оснащены ПЗС-датчиками. Это постепенно начало меняться в течение десятилетия. Несомненно, это было вызвано лидерством на рынке, компанией Canon, которая внедрила первый полнокадровый датчик CMOS в Canon 1Ds в 2002 году и продолжала использовать технологию CMOS в большинстве своих камер.

Дебют Nikon D3 и Sony a700 в середине 2007 года прочно утвердил КМОП в качестве доминирующей технологии для фотокамер — неудивительно, что именно в этом году продажи КМОП превысили продажи ПЗС. Единственным исключением была арена среднего формата, в которой продолжали использовать ПЗС-сенсоры до выпуска Hasselblad H5D-50c в 2014 году. В конце концов, технологии камер имеют тенденцию развиваться вверх.

Естественно, большой вопрос «почему?» Почему компании отказались от CCD в пользу CMOS?

Отличия объективов: наука

Сами сенсоры полностью монохроматичны. Другими словами, они измеряют свет — только когда над датчиком установлена ​​матрица цветовых фильтров (CFA), они могут получать информацию о цвете. Обычно это делается с помощью мозаики Байера RGB, независимо от того, является ли сам датчик ПЗС или КМОП.

Оба типа сенсоров состоят из массивов кремниевых фотоэлементов, также известных как пиксели. В цифровых камерах таких пикселей будут миллионы — один миллион пикселей более известен как «мегапиксель». Эти пиксели ориентированы в виде рядов и столбцов, которые в конечном итоге объединяются, образуя прямоугольную форму, известную нам как датчик. Когда свет проходит через линзу и попадает на эти кремниевые пиксели, фотоны света взаимодействуют с атомами в кремниевой подложке. Когда это происходит, электроны переходят в более высокие энергетические состояния и перемещаются по структуре.

Это основные элементы базового датчика, будь то ПЗС или КМОП. После этого то, как каждый из них превращает эти фотоны в цифровое изображение, раскрывает их различия — этот процесс иначе известен как «считывание датчика» или «считывание», и он заключается в переводе физической электрической активности в цифровые данные. имеет место.

ПЗС

В датчике ПЗС каждый пиксель содержит потенциальную яму, которую часто сравнивают с ведром. Во время экспозиции, когда свет попадает на датчик, эта потенциальная яма собирает фотоны, а фотоны высвобождают электроны. Электроны накапливаются во время экспонирования, сдерживаемые внутри «ковша» электродами и вертикальными часами.

После экспонирования электроны мигрируют по каждому ряду ПЗС-матрицы, и на этом пути собирается заряд с каждого пикселя. В конце концов они достигают «контейнера» в конце ряда, известного как усилитель. Этот усилитель измеряет количество фотонов, потерянных в каждой ячейке, и преобразует это значение в напряжение. Процесс продолжается оттуда на каскад усиления, а затем на АЦП (аналогово-цифровой преобразователь).

В большинстве фотографических ПЗС-сенсоров механический затвор необходим, чтобы избежать возможного «смазывания» — поскольку датчик считывает построчно, любой свет, попадающий на фотосайты во время процесса, может создавать артефакты в виде вертикального смазывания. Это, очевидно, исключает возможность использования ПЗС-сенсоров с просмотром в реальном времени. Напоминаем, что мы конкретно имеем в виду фотокамеры — кинокамеры CCD используют другую конструкцию.

Авторы и права редакции: gritsalak karalak / Shutterstock.com

В этот момент вы можете сказать: «Эй, первые компактные цифровые камеры с ПЗС-датчиками имели вид в реальном времени!»

Да и нет.

У этих камер не было реального просмотра в реальном времени, каким мы его знаем сегодня. Вместо этого они показали значительное отставание, особенно заметное при перемещении камеры. Вы можете списать это на медленную технологию того времени, но на самом деле это было ограничение медленной скорости считывания чипов ПЗС — каждый кадр нужно было объединять в бины и передавать на ЖК-экран или электронный видоискатель, что могло занимать до одной секунды. второй или более. Таким образом, вы получаете почти живое изображение с ужасной частотой кадров, хотя этого достаточно для кадрирования статичных или в основном статичных объектов.

CMOS

Переходя к CMOS-датчикам, все вышесказанное остается верным в отношении пикселей, собирающих свет (фотоны), однако две технологии расходятся на этапе считывания: каждый отдельный пиксель в CMOS-датчике имеет свою собственную схему считывания — пара фотодиод-усилитель, которая преобразует фотоны в напряжение. Оттуда каждый столбец датчика CMOS имеет свой собственный АЦП. Одним из результатов этого является значительное снижение производственных затрат на производство датчиков CMOS, поскольку и АЦП, и датчик изображения находятся на одном кремниевом кристалле. Это также позволяет сделать дизайн более компактным, что особенно удобно для смартфонов и очень компактных камер.

Авторы и права редакции: gritsalak karalak / Shutterstock.com

Как и следовало ожидать, поскольку каждый пиксель считывается параллельно, датчики CMOS могут работать намного быстрее. Сегодня это особенно важно как для видео, так и для использования бесшумных электронных затворов — более быстрое считывание с датчика означает меньшее искажение движущихся объектов («скользящий затвор»), а также возможность непрерывного просмотра в реальном времени. Такие камеры, как Canon R5 и R6, а также Sony Alpha 1, могут достаточно быстро считывать показания сенсора, поэтому даже движущиеся объекты, такие как гоночные автомобили или спортсмены, не деформируются и не искажаются при использовании электронного затвора. Это также помогает использовать вспышку, как в Sony Alpha 1, которая может синхронизировать вспышку с электронным затвором с той же скоростью, что и многие механические затворы.

Ничто из этого не было бы отдаленно возможно в датчике CCD.

Датчики CMOS также потребляют меньше энергии и выделяют меньше тепла. Это одна из причин, по которой ПЗС-камеры с глобальным затвором («ПЗС-передача кадров»), используемые в некоторых цифровых кинокамерах, не могут быть реализованы в фотокамерах. невозможно в значительно меньшем корпусе.

Через Creative Commons

Sony представила технологию BSI (задняя подсветка) в 2009 г.в датчике Exmor R CMOS еще больше укрепила господство технологии CMOS. Традиционные датчики (с передней боковой подсветкой) имеют активную матрицу и проводку на передней поверхности датчика изображения. К сожалению, это отражает часть входящего света, что уменьшает количество захваченного света. BSI перемещает эту матрицу за фотодиодами, что позволяет приблизительно на полшага (50%) увеличить количество собираемого света. BSI позволила технологии CMOS еще больше опередить CCD.

Так для чего он нужен?

У ПЗС были свои преимущества перед КМОП, хотя большинство из них было решено за годы, прошедшие после того, как КМОП пришла на смену. Возьмем Nikon D1 1999 года: он оснащен ПЗС-сенсором APS-C и обеспечивает 2,7-мегапиксельные изображения, однако сам датчик имеет 10,8 миллиона фотоэлементов (т. е. 10,8 мегапикселя). Из-за последовательного считывания пикселей очень просто реализовать объединение пикселей на датчике для объединения зарядов от соседних пикселей в конструкции ПЗС — это приводит к более высокой чувствительности и большему отношению сигнал/шум. В то время как вы можете совмещать пиксели с датчиком CMOS, это должно происходить вне датчика, и вы не можете комбинировать заряды с соседних фотосайтов.

Сенсоры Sigma Foveon были разработаны частично для решения этой проблемы.

Хорошим примером этого в немного более современной камере является камера Sony F35 CineAlta 2008 года. Он содержал один ПЗС-чип Super 35 (размером примерно с APS-C) с разрешением 12,4 мегапикселя. Однако он создал файл только 1920 × 1080 (HD). Это результат объединения пикселей на кристалле, который, среди прочего, позволил камере выводить истинные данные RGB 4:4:4 — интерполяция не требуется. Это возможно сделать с помощью технологии CMOS, но это должно происходить вне кристалла. Например, в программном обеспечении можно понизить дискретизацию видеофайла с высоким разрешением 4:2:0 до файла с более низким разрешением 4:4:4. Кроме того, многие фотокамеры со встроенной стабилизацией изображения (IBIS) предлагают сдвиг пикселей, который можно использовать для создания файла с высоким разрешением или файла с реальным цветом исходного разрешения. Но это не идеальные альтернативы встроенному биннингу.

ПЗС-сенсоры также имеют нелинейность, которой часто (хотя и не всегда) не хватает более линейным КМОП-датчикам. Это означает приятный и более естественный спад в четвертях и светлых тонах — однако это существует за счет более высокого уровня шума, который особенно заметен в тенях даже при базовом ISO. Это также требует осторожной и точной экспозиции из-за неумолимой широты ПЗС-сенсоров, но при правильном выполнении это приводит к тому, что многие считают качеством изображения, более похожим на пленочное. Пленка, в конце концов, также чрезвычайно нелинейна с исключительной широтой светлых участков, но мало допускает смещения теней без агрессивного паттернового шума или цветовых сдвигов.

Субъективные различия: дебаты о ПЗС и КМОП

Это та область, где все усложняется, но это также и корень споров о ПЗС и КМОП в глубинах интернет-форумов. С одной стороны, те, кто считает, что камеры с ПЗС-сенсором дают превосходное изображение. С другой стороны, те, кто рекламирует множество преимуществ технологии CMOS, а некоторые утверждают, что между ними нет большой разницы в выводе изображения.

С моей точки зрения, аргумент о том, что ПЗС-сенсоры могут создавать более приятные файлы, безусловно, имеет свои достоинства, но, конечно, вся концепция «приятности» является субъективной. Многое из этого связано с вышеупомянутыми тональными кривыми, присущими каждому типу сенсора. Нелинейность создает файлы, которые более точно имитируют человеческое зрение — невероятно часто наше зрение полностью обрезается до черного, но мы почти никогда не видим полностью размытых бликов. Гипотетически, если бы мы могли видеть двадцать ступеней динамического диапазона, разброс мог бы выглядеть примерно на 12 ступеней выше и на 8 ступеней ниже среднего серого. Сравните это с гипотетическим 20-ступенчатым CMOS-сенсором, который, вероятно, будет полной противоположностью.

Между прочим, это одна из причин, по которой Arri Alexa так популярен для кино и считается наиболее «киноподобным» — при его базовом значении ISO 800 он выделяет больше динамического диапазона выше среднего серого, чем ниже, что не встречается практически в любой другой кинокамере.

Необычно для цифровой камеры — фото или кино — сенсор Arri Alexa ALEV III с исходным значением ISO 800 отображает смещение светлых участков.

Некоторые утверждают, что ПЗС-сенсоры воспроизводят более естественные и точные цвета. Их цветопередача, несомненно, отличается, и я думаю, что в идее точности цветопередачи есть некоторая ценность, по крайней мере, исходя из моего опыта работы со многими ПЗС-камерами. Некоторые предполагают, что это связано с дизайном CFA, и, возможно, так оно и есть — конечно, с некоторыми камерами, такими как камеры Fujifilm SuperCCD, это так. Но мы также видим чрезвычайно точные и нейтральные цвета на многих CMOS-датчиках — на мой взгляд, Hasselblad — король нейтральных цветов. Многочисленные слепые тесты также показали, что фотографии с КМОП-сенсоров можно легко сопоставить с изображениями с ПЗС-матрицы (и наоборот), по крайней мере, в отношении цвета.

По моему мнению и опыту, вывод ПЗС-матрицы в оптимальных условиях (хорошее направленное освещение, низкое значение ISO, резкие цвета) приведет к более глубокому синему, удивительно точному красному, теплым полутонам, нейтральным и холодным теням и очень приятным тональным переходам от четвертей тона. в блики — если эти блики не обрезаны. Если сцена будет иметь обрезанные блики, то результаты будут в пользу CMOS, потому что сглаживание позволяет избежать некоторых более резких, резких краев, которые вы найдете в обрезанных бликах ПЗС.

Почти все эти вещи, учитывая, что каждое изображение правильно экспонировано, могут быть сравнительно легко сопоставлены с некоторым разумным использованием ползунков HSL (оттенок, насыщенность, яркость).

Что все это значит?

Итак, есть ли разница между изображениями CCD и CMOS? Абсолютно никаких сомнений — и в дизайне, и в выходе.

Важны ли эти различия? Это зависит от.

Если вы предпочитаете использовать файлы прямо из камеры, то вы, вероятно, обнаружите, что выходной сигнал ПЗС-сенсоров будет более приятным — изображения более четкие, более красочные и могут работать очень хорошо без особой настройки. Опять же, то же самое можно сказать и о многих CMOS-камерах с превосходными регулируемыми механизмами JPEG — Fujifilm и Olympus являются наиболее заметными, хотя и далеко не единственными примерами.

От редакции: Юрий Зап / Shutterstock.com

А если снимать и обрабатывать RAW? В этом случае вы не только можете имитировать выход CCD, но и более широкие возможности CMOS предоставляют вам гораздо более широкий спектр возможностей.

В одном можно не сомневаться: технология CMOS переросла и опередила CCD, по крайней мере, для фото- и видеоизображения. Но, возможно, вам нравится качество изображения Leica M9, ​​и вам не нужен режим просмотра в реальном времени, бесшумный электронный затвор, широкий динамический диапазон или чрезвычайно впечатляющие возможности съемки при слабом освещении. В этом случае берегите и используйте свой М9..

Но если ваша камера изнашивается и нуждается в обновлении, нет причин беспокоиться о том, какой датчик вы замените.

---

Изображение предоставлено: Изображение заголовка, созданное из элементов Creative Commons и лицензированных через Depositphotos.

ПЗС и КМОП | Теледайн ДАЛСА

ПЗС-датчики

---

Много было написано об относительных преимуществах КМОП-матриц по сравнению с ПЗС-матрицами. Кажется, что дебаты продолжаются столько, сколько может вспомнить большинство людей, и пока не видно окончательного вывода. Неудивительно, что окончательный ответ неуловим, поскольку тема не статична. Технологии и рынки развиваются, затрагивая не только то, что технически осуществимо, но и то, что является коммерчески жизнеспособным. Применение имидж-сканеров разнообразно, с разными и меняющимися требованиями. Некоторым приложениям лучше всего подходят формирователи изображений CMOS, другим — ПЗС. В этой статье мы попытаемся внести некоторую ясность в обсуждение, исследуя различные ситуации, объясняя некоторые из менее известных технических компромиссов и вводя в картину соображения стоимости.

КМОП-датчики

В начале… Датчики изображения

ПЗС (устройство с зарядовой связью) и КМОП (комплементарные металл-оксид-полупроводник) — это две разные технологии для цифрового захвата изображений. Каждый из них имеет уникальные сильные и слабые стороны, дающие преимущества в различных приложениях.

Оба типа тепловизоров преобразуют свет в электрический заряд и обрабатывают его в электронные сигналы. В ПЗС-датчике заряд каждого пикселя передается через очень ограниченное количество выходных узлов (часто только один), чтобы преобразоваться в напряжение, буферизироваться и отправить вне микросхемы в виде аналогового сигнала. Весь пиксель может быть использован для захвата света, а однородность вывода (ключевой фактор качества изображения) высока. В датчике CMOS каждый пиксель имеет собственное преобразование заряда в напряжение, и датчик часто также включает в себя усилители, схемы коррекции шума и оцифровки, так что чип выводит цифровые биты. Эти другие функции усложняют конструкцию и уменьшают площадь, доступную для захвата света. Поскольку каждый пиксель выполняет свое собственное преобразование, однородность ниже, но он также является массивно параллельным, что обеспечивает высокую общую пропускную способность для высокой скорости.

ПЗС- и КМОП-матрицы были изобретены в конце 1960-х и 1970-х годах (основатель DALSA доктор Саввас Чемберлен был пионером в разработке обеих технологий). ПЗС стали доминирующими, в первую очередь потому, что они давали гораздо более качественные изображения с доступной технологией изготовления. КМОП-сенсоры изображения требовали большей однородности и меньших размеров, чем те, что могли предложить производители кремниевых пластин в то время. Лишь в 1990-х годах литография развилась до такой степени, что дизайнеры снова смогли начать использовать КМОП-матрицы. Возобновление интереса к КМОП было основано на ожиданиях снижения энергопотребления, интеграции камеры на кристалле и снижения затрат на производство за счет повторного использования основной логики и производства устройств памяти. Достижение этих преимуществ на практике при одновременном обеспечении высокого качества изображения потребовало гораздо больше времени, денег и адаптации процесса, чем предполагалось в первоначальных прогнозах, но формирователи изображений CMOS присоединились к CCD в качестве основной, зрелой технологии.

 

Оба формирователя изображения CCD и CMOS зависят от фотоэлектрического эффекта для создания электрического сигнала из света.

Цифровые имидж-сканеры для потребительских приложений

Мобильные телефоны увеличивают объем CMOS имидж-сканера

Обещая более низкое энергопотребление и более высокую степень интеграции для небольших компонентов, разработчики CMOS сосредоточили свои усилия на создании изображений для мобильных телефонов, самых массовых приложений для датчиков изображения в мире. Огромные инвестиции были вложены в разработку и тонкую настройку КМОП-матриц и процессов их изготовления. В результате этих инвестиций мы стали свидетелями значительного улучшения качества изображения даже при уменьшении размеров пикселей. Таким образом, в случае больших объемов потребительской области и формирователей изображения с линейным сканированием, основываясь почти на всех мыслимых параметрах производительности, формирователи изображений CMOS превосходят ПЗС.

Тепловизоры для машинного зрения

В машинном зрении тепловизоры с площадным и линейным сканированием пошли на поводу у огромных инвестиций в имидж-сканеры для мобильных телефонов, чтобы вытеснить ПЗС-матрицы. Для большинства формирователей изображения области машинного зрения и линейного сканирования ПЗС также являются технологией прошлого.

Преимущество КМОП-матриц по сравнению с ПЗС-матрицами для машинного зрения заслуживает краткого пояснения. Для машинного зрения ключевыми параметрами являются скорость и шум. КМОП и ПЗС-матрицы различаются способом преобразования сигналов из сигнального заряда в аналоговый сигнал и, наконец, в цифровой сигнал. В имидж-сканерах с областью CMOS и линейным сканированием передний конец этого пути данных в значительной степени параллелен. Это позволяет каждому усилителю иметь узкую полосу пропускания. К тому времени, когда сигнал достигает узкого места на пути передачи данных, которое обычно является интерфейсом между имидж-сканером и внешней схемой, данные КМОП прочно переходят в цифровую область. Напротив, высокоскоростные ПЗС-матрицы имеют большое количество параллельных быстрых выходных каналов, но не так сильно параллельных, как высокоскоростные устройства формирования изображений CMOS. Следовательно, каждый ПЗС-усилитель имеет более широкую полосу пропускания, что приводит к более высокому уровню шума. Следовательно, высокоскоростные датчики изображения CMOS могут иметь намного меньший уровень шума, чем высокоскоростные ПЗС.

Однако из этого общего утверждения есть важные исключения.

Ближние инфракрасные тепловизоры

Для получения изображений в ближнем инфракрасном диапазоне (от 700 до 1000 нм) тепловизоры должны иметь более толстую область поглощения фотонов. Это связано с тем, что инфракрасные фотоны поглощаются кремнием глубже, чем видимые фотоны.

Большинство процессов изготовления КМОП-камер настроены для приложений с большими объемами, которые отображают изображение только в видимом диапазоне. Эти тепловизоры не очень чувствительны к ближней инфракрасной области спектра (NIR). На самом деле, они спроектированы так, чтобы быть максимально нечувствительными в ближнем ИК-диапазоне. Увеличение толщины подложки (или, точнее, толщины эпитаксиального или эпитаксиального слоя) для улучшения чувствительности к инфракрасному излучению ухудшит способность формирователя изображения разрешать пространственные особенности, если более толстый эпитаксиальный слой не связан с более высокими напряжениями смещения пикселей или более низким эпитаксиальным слоем. уровни допинга. Изменение напряжения или эпитопирование повлияют на работу аналоговых и цифровых схем КМОП.

Трещины в кремниевых солнечных элементах очевидны с помощью NIR-изображения

ПЗС-матрицы могут изготавливаться с более толстыми эпитаксиальными слоями, сохраняя при этом их способность разрешать мелкие пространственные особенности. В некоторых ПЗС-матрицах ближнего инфракрасного диапазона эпиграф имеет толщину более 100 микрон по сравнению с эпиграфом толщиной от 5 до 10 микрон в большинстве КМОП-датчиков изображения. Смещение пикселя ПЗС и концентрация эпитаксиального слоя также должны быть изменены для более толстого эпитаксиального слоя, но управлять эффектом на ПЗС-схемах гораздо проще, чем в КМОП.

ПЗС, специально разработанные для обеспечения высокой чувствительности в ближнем инфракрасном диапазоне, гораздо более чувствительны, чем формирователи изображения CMOS.

Ультрафиолетовые тепловизоры

---

Современная глубокая субмикронная литография требует глубокого ультрафиолетового излучения для контроля качества.

Поскольку ультрафиолетовые фотоны поглощаются очень близко к поверхности кремния, УФ-камеры не должны иметь поликремниевых, нитридных или толстых оксидных слоев, препятствующих поглощению УФ-фотонов. Таким образом, современные УФ-устройства формирования изображений имеют утонченную заднюю сторону, и большинство из них имеют очень тонкий слой просветляющего покрытия поверх кремниевой поверхности изображения.

Несмотря на то, что истончение задней стороны теперь повсеместно распространено в мобильных тепловизорах, чувствительность к УФ-излучению отсутствует. Для достижения стабильного УФ-отклика поверхность имидж-сканера требует специальной обработки поверхности, независимо от того, является ли он КМОП или ПЗС. Многие утонченные устройства формирования изображения с обратной стороны, разработанные для визуализации в видимой области, имеют толстые оксидные слои, которые могут обесцвечиваться и поглощать УФ-излучение после длительного воздействия УФ-излучения. Некоторые формирователи изображений с утонченной задней стороной имеют формирующие изображения поверхности, пассивированные высоколегированным слоем бора, который проникает слишком глубоко в кремниевый эпитаксиальный слой, в результате чего большая часть электронов, генерируемых УФ-излучением, теряется при рекомбинации.

Отклик на УФ-излучение и истончение задней стороны достижимы для всех сканеров линейного сканирования, но не для всех сканеров области. ПЗС-матрица с общей площадью затвора не может быть утончена с обратной стороны. Ситуация лучше в формирователях изображений с областью CMOS, хотя и не без компромиссов. КМОП-матрицы со скользящим затвором могут быть утончены с тыльной стороны. Обычные КМОП-матрицы с глобальным затвором имеют узлы хранения в каждом пикселе, которые необходимо экранировать при утончении, но только в том случае, если эти формирователи изображения, чувствительные к ультрафиолетовому излучению, также будут отображать изображение в видимом диапазоне. В тепловизорах с утонченной областью сзади невозможно эффективно защитить часть пикселя от падающего света без серьезного ухудшения коэффициента заполнения тепловизора (отношение светочувствительной области к общей площади пикселя). Существуют и другие типы КМОП-сканеров области с глобальным затвором, которые не имеют светочувствительных узлов хранения, но имеют более высокий уровень шума, меньшую полноразмерную область, скользящий затвор или их комбинацию.

Формирователи изображений с временной задержкой и интеграцией

Помимо имидж-сканеров с площадным и линейным сканированием, существует еще один важный тип имидж-сканеров. Формирователи изображений с временной задержкой и интеграцией (TDI) обычно используются в машинном зрении и дистанционном зондировании и работают так же, как имидж-сканеры с линейным сканированием, за исключением того, что TDI имеет много, часто сотни, строк. По мере того, как изображение объекта перемещается за каждую строку, каждая строка захватывает снимок объекта. TDI наиболее полезны, когда сигналы очень слабые, так как несколько снимков объекта складываются вместе для создания более сильного сигнала.

К сожалению, ваш браузер не поддерживает видео HTML5!

Формирователи изображений TDI объединяют несколько экспозиций, синхронизированных с движением объекта.

ПЗС-матрицы объединяют сигнальные заряды, а КМОП-TDI могут комбинировать сигналы напряжения или заряда. Операция суммирования заряда может быть бесшумной, а суммирование напряжения КМОП — нет. Когда TDI в области напряжения CMOS имеет больше определенного количества строк, шум от операции суммирования складывается до такой степени, что становится невозможным согласование TDI в области заряда. Компромисс заключается в скорости и стоимости. CCD TDI обеспечивает большую чувствительность, но в конечном итоге достигает предела скорости. CMOS имеет преимущества в скорости, но CMOS TDI с зарядовым доменом сложнее и дороже в разработке и производстве. Для меньшего количества строк суммирование TDI в области напряжения может обеспечить экономичную высокую производительность, но для наиболее сложных приложений (самая высокая скорость, самая низкая освещенность) можно использовать CMOS TDI в области заряда (например, в Teledyne 9).0003 Камеры Linea HS ) обеспечивают высочайшую производительность.

Электронное умножение

ПЗС-матрицы с электронным умножением (EMCCD) — это ПЗС-матрицы со структурой для умножения пакета заряда сигнала таким образом, чтобы ограничить шум, добавляемый в процессе умножения. Это приводит к чистому усилению отношения сигнал-шум (SNR). В приложениях, где сигнал настолько слаб, что едва превышает минимальный уровень шума тепловизора, EMCCD могут обнаруживать ранее неразличимые сигналы.

По сравнению с CMOS, EMCCD наиболее выгодны, когда имидж-сканеру не требуется высокая скорость изображения. Работа с более высокой скоростью увеличивает шум считывания в ПЗС. Таким образом, даже с улучшением отношения сигнал/шум по сравнению с EMCCD, разница между EMCCD и КМОП-сканером может быть незначительной, особенно по сравнению с научными КМОП-сканерами, специально разработанными для обеспечения очень низкого уровня шума при считывании. Кроме того, высокоскоростные EMCCD рассеивают значительно больше энергии, чем обычные имидж-сканеры.

КМОП-сканеры с низким уровнем шума могут не обладать преимуществами интеграции NIR, UV или TDI, присущими ПЗС. Следовательно, поскольку сигнал может быть намного слабее, даже когда шум чтения сравним с тем, что может достичь EMCCD, решение EMCCD в целом может быть лучше.

EMCCD полезны для приложений с очень низким уровнем сигнала, обычно для научных изображений.

Соображения стоимости

---

Кредитное плечо, объем, выход и количество устройств на пластину — все это влияет на стоимость.

До сих пор мы фокусировались на различиях в производительности между формирователями изображений CMOS и CCD. Было бы наивно полагать, что бизнес-решения основаны только на компромиссах между производительностью. Что важнее для многих лиц, принимающих бизнес-решения, так это ценность или производительность, полученная за уплаченную цену.

Картина стоимости может быть сложной, поэтому мы остановимся только на нескольких важных моментах.

Во-первых, ключевое значение имеет кредитное плечо. Рискуя констатировать очевидное, имидж-сканеры, уже представленные на рынке, будут стоить гораздо меньше, чем полностью изготовленные по индивидуальному заказу имидж-сканеры, независимо от того, являются ли они CMOS или CCD-сканерами. Если необходима индивидуальная настройка, если только изменение не является незначительным, как правило, дешевле разработать пользовательскую ПЗС, чем разработать собственный формирователь изображения CMOS. Разработка имидж-сканера на КМОП, как правило, дороже, потому что в КМОП используются более дорогие субмикронные маски. В КМОП-устройстве также нужно разработать гораздо больше схем. В результате, даже в тех случаях, когда пользовательский CMOS-сканер явно имеет лучшую производительность, ценностное предложение все равно может быть в пользу заказной ПЗС-матрицы.

 

Во-вторых, объем имеет значение. Хотя стоимость разработки нового устройства формирования изображения CMOS выше, устройства формирования изображения CMOS, которые могут использовать большую экономию за счет масштаба, будут иметь более низкую стоимость единицы продукции. При больших объемах низкая стоимость единицы продукции может оказаться более важной с финансовой точки зрения, чем низкая стоимость разработки.

В-третьих, важна безопасность поставок. Оставаться с продуктом, созданным на базе имидж-сканера, который снят с производства, очень дорого. Несмотря на лучшее ценовое предложение, может быть разумнее выбрать компанию, которая лучше всего способна производить формирователи изображений – КМОП или ПЗС – в долгосрочной перспективе.

Вывод

Выбор правильного имидж-сканера для приложения никогда не был простой задачей. Различные приложения имеют различные требования. Эти требования налагают ограничения, влияющие на производительность и цену. Учитывая эти сложности, неудивительно, что невозможно сделать общее заявление о том, что такое КМОП или ПЗС-матрицы, применимое ко всем приложениям.

КМОП-матрицы с площадным и линейным сканированием превосходят ПЗС-матрицы в большинстве приложений для визуализации изображений видимого диапазона. ПЗС-матрицы TDI, используемые для высокоскоростных приложений с низким уровнем освещенности, превосходят по своим характеристикам CMOS TDI. Необходимость отображать изображение в NIR может сделать ПЗС лучшим выбором для некоторых областей применения и линейного сканирования. Для изображения в УФ-излучении обработка поверхности после утончения задней стороны является ключевой, как и общее требование к затвору. Необходимость очень низкого уровня шума вводит новые ограничения: КМОП, как правило, по-прежнему превосходит ПЗС-матрицы при высоких скоростях считывания. Компромисс цена-производительность может быть выгоден как для CCD, так и для CMOS-сканеров, в зависимости от левериджа, объема и надежности поставок.

Из архивов…

Эволюция технологии КМОП, Бехнам Рашидиан и Эрик Фокс, 2011 г. (PDF)

Applications Set Imager Choices by Nixon O, Advanced Imaging, июль 2008 г. (PDF)

Обновление 2005 г.:
КМОП и ПЗС: развивающиеся технологии, развивающиеся рынки, Дэйв Литвиллер, в Photonics Spectra, август 2005 г. (421k PDF)

CCD против CMOS: факты и вымысел Дэйва Литвиллера, в Photonics Spectra, январь 2001 г. (385k PDF)

CMOS против CCD датчика. Кто явный победитель?

Технологии датчиков изображения CCD и CMOS были изобретены в конце 1960-х и начале 1970-х годов. В то время производительность КМОП была ограничена доступной технологией литографии, что позволило ПЗС доминировать в течение следующих 25 лет.

Рис. 1 ПЗС перемещают фотогенерированный заряд от пикселя к пикселю и преобразовать его в напряжение на выходном узле. CMOS имидж-сканеры преобразовать заряд в напряжение внутри каждого пиксель.

Первоначальный аргумент десятилетней давности в пользу обновления КМОП-сенсоров изображения в качестве конкурента технологии ПЗС, как правило, основывался на нескольких идеях:

1- Литография и управление технологическим процессом в производстве КМОП достигли такого уровня, который вскоре позволит получить изображение с КМОП-сенсора. качество не уступает ПЗС.

2 — Интеграция сопутствующих функций на одном кристалле с датчиком изображения, создание возможностей камеры на кристалле или системы на кристалле.

3 — Снижено энергопотребление.

4 — Уменьшенный размер системы визуализации в результате интеграции и снижения энергопотребления.

5 — Возможность использовать те же производственные линии КМОП, что и для производства основных логических устройств и устройств памяти, что обеспечивает экономию за счет масштаба производства КМОП имидж-сканеров.

Другие традиционные аргументы в пользу CMOS включают работу с одним источником питания. Многое изменилось с технологиями CMOS и CCD. Некоторые прогнозы оказались правдой. Другие изменились с развитием технологического ландшафта. Сегодня существует динамичная промышленность для обоих типов датчиков. Структурные изменения в технологии и бизнес-среде означают, что в настоящее время существует новая структура для рассмотрения относительных преимуществ и возможностей сенсорных технологий CMOS и CCD.

Прямой путь для ПЗС

Технология ПЗС претерпела постепенные улучшения в дизайне устройств, материалах и технологии изготовления. ПЗС-датчики неуклонно повышают квантовую эффективность, уменьшают темновой ток и размер пикселя, снижают рабочее напряжение (рассеиваемую мощность) и улучшают обработку сигналов. А сопутствующие им схемы стали более интегрированными, что упрощает использование ПЗС и ускоряет выход на рынок. ПЗС теперь обеспечивают лучшую производительность при меньшем энергопотреблении.

Извилистая дорога для КМОП

По сравнению с ПЗС, недавний прогресс Технология CMOS была более быстрой, но и более бурной. Возможно, путь к повышению производительности КМОП-сенсоров начался с улучшения коэффициента заполнения. Стремление к производительности и гибкости в пиксельной архитектуре конкурирует с объемом пространства в каждом чувствительном к излучению пикселе, поскольку КМОП-сенсорам обычно требуется несколько оптически нечувствительных транзисторов в каждом пикселе.

Стремление к большему коэффициенту заполнения и связанная с этим способность создавать пиксели меньшего размера позволили улучшить минимальный размер элемента 0,5 мкм и более, чем десять лет назад. Датчики CMOS перешли от технологии изготовления 0,35, 0,25 мкм и 0,18 мкм к 90 нм в самых передовых устройствах и, во все большем числе случаев, даже меньше.

Развитие технологии литографии для улучшения коэффициента заполнения и оптической чувствительности увеличились возможности цифровой интеграции на кристалле, поскольку транзисторы меньшего размера уменьшают как рассеиваемую мощность, так и размер кристалла, необходимые для функций интегральной схемы.

Однако, Зависимость технологии КМОП от развития литографии имела свою цену. Постепенно более плотная литография увеличивала затраты на разработку. И хотя меньшие размеры транзисторов облегчают цифровую интеграцию, интеграция часто усложняет конструкцию быстрее, чем ее производительность.

Существенная цифровая интеграция на кристалле может привести к проблемам с шумовой связью, поскольку переходные процессы переключения вносят шум в тракты аналоговых сигналов и даже в некоторые цифровые. Шумовая связь цифровой интеграции может противоречить стремлению к «качеству датчика». Сложность конструкции, продолжительность цикла проектирования и шум часто означают, что цифровая интеграция, как правило, не может в полной мере использовать преимущества литографической траектории КМОП-датчиков изображения.

Более серьезной и неизбежной проблемой при проектировании субмикронных датчиков в КМОП-датчиках является аналоговая часть интегральной схемы. По мере того, как технология изготовления микроэлектроники становится все более плотной, производительность аналоговых схем обычно снижается. Для технологии 0,25 мкм и меньше напряжение питания падает с уровня 5 В, внося ограничения на динамический диапазон на уровнях сигнала, характерных для большинства датчиков изображения. Ниже 0,35 мкм линейность работы транзистора также имеет тенденцию к снижению.

Снижение линейности и динамического диапазона в совокупности снижает точность аналоговых схем. Другие сложности с аналоговыми характеристиками, такие как ток утечки и проблемы с согласованием дополнительных цепей, могут возникнуть при использовании все более плотных технологий производства.

Борьба со снижением аналоговых характеристик в субмикронных КМОП потребовала значительного изменения конструкции датчиков и схем. Однако, поскольку было мало соответствующих прецедентов для такого высокопроизводительного проектирования схем с цифровой поддержкой из других приложений, потребовалось несколько лет для разработки аналоговых архитектур с цифровой поддержкой, которые полностью охватывают все конкурирующие силы между дизайном, электрооптическими характеристиками. и изготовление датчиков изображения CMOS.

Процесс изготовления является определяющим аспектом характеристик КМОП-датчиков и значительно эволюционировал. От первоначальной идеи повторного использования или легкой адаптации стандартной логики или процессов памяти был итеративный путь к оптимизированным процессам пиксельных датчиков CMOS.

Эти технологические процессы часто становятся сложными с точки зрения количества слоев маски и этапов процесса, чтобы удовлетворить все конкурирующие требования. Отход КМОП-сенсоров изображения от стандартной памяти или процессов изготовления логики начался с замены силицидов и диэлектриков для улучшения оптической совместимости. Дальнейшие изменения были внесены в:

1 — Уменьшите высоту оптического стека и улучшите его структуру, тем самым повысив квантовую эффективность, качество внеосевого изображения и точность цветопередачи.

2 — Внедрение пиксельных имплантатов и областей глубокого истощения для управления работой фотодиода и интерфейса Si-SiO2, влияющих на ток утечки (темновой) и задержку изображения.

3 — Одновременное управление свойствами аналоговых и цифровых транзисторов, а также межсоединений.

Оптимизация процесса на каждом узле литографии обычно требует экспериментов и настройки с реальными сетками и кремнием, а не только в среде моделирования. Ощутимая стоимость оптимизации процесса изготовления КМОП-сенсоров изображения привела к тому, что преимущество получили производители с литейными цехами. Некоторые «бесполезные» игроки добились успеха, но гораздо больше историй успеха были основаны на потрясающих вещах.

Компаниям, у которых есть фабрики, стало легче настраивать производственный процесс, потому что они смогли привлечь внимание инженеров-технологов литейного производства. В разработке и производстве датчиков CMOS по-прежнему будут жизнеспособные роли как для производственных, так и для производственных бизнес-моделей. Однако первоначальная концепция простого переноса производства с одного завода КМОП на другой уступила место гораздо более сплоченным и адаптированным отношениям с конкретным литейным цехом, подобным тому, что наблюдается в индустрии ПЗС.

Технология ПЗС и КМОП

Чтобы достичь уровня производительности, необходимого для различных крупномасштабных приложений, конструкция пикселей КМОП-сенсора и технология изготовления теперь больше напоминают ПЗС-матрицы, чем многие предполагали. Интеграция и рассеиваемая мощность являются решающими преимуществами технологии CMOS, в то время как ПЗС сохраняют большую способность к экономичной адаптации и производительности. Вопреки первоначальному прогнозу, стоимость обработанных пластин оказалась менее автоматическим преимуществом для CMOS.

Однако размер пластины, экономия за счет масштаба и модели затрат, характерные для литейного производства, могут быть более важными факторами в пользу одной технологии по сравнению с другой. Независимо от размера пластины необходимость перехода к более глубокой субмикронной технологии для КМОП из-за коэффициента заполнения и по другим причинам обеспечила контроль процесса и чистоту во время изготовления (по сравнению с менее совершенными производственными процессами), что может повысить выход, особенно для больших кристаллов. датчики площади. Производительность технологии CCD не так зависит от литографии, как технология CMOS.

В целом достижение дифференциации производительности в зависимости от приложения требует меньше затрат при использовании технологии ПЗС, чем КМОП, как в конструкции датчика, так и в процессе изготовления. КМОП выполнила свои обещания по интеграции, малому рассеиванию мощности и возможностям однополярного питания, а интенсивная итеративная разработка процессов и проектирование устройств привели к высокому качеству изображения. Себестоимость производства единицы обработанного кремния не сильно превосходит одну технологию по сравнению с другой (как предполагалось изначально).

Обширный технологический процесс и большое количество этапов изготовления, чтобы довести качество изображения CMOS до уровня, сравнимого с ПЗС, потребовали гораздо более дорогой обработки пластин, чем предполагалось изначально. На стоимость часто сильнее влияет экономика бизнеса и конкурентные мотивы конкретного литейного производства, а не выбор самой технологии.

Как правило, существуют резкие различия в размерах пластин, используемых для производства датчиков изображения CMOS и CCD, и размер зависит от того, является ли производитель фабрикой или нет, и адаптирует ли он устаревшую логику или производственное оборудование памяти. Чаще всего доступны сторонние литейные цеха для производства 200-мм пластин для датчиков изображения CMOS, тогда как литейное производство ПЗС часто осуществляется на линиях для 150-мм пластин. Собственное производство КМОП и ПЗС осуществляется на 150-, 200- и 300-мм линиях.

Больший размер пластин снижает трудозатраты на единицу обрабатываемой площади кремния. Таким образом, доступность больших размеров пластин для ПЗС или КМОП может быть сильным фактором в общей экономической эффективности производства. Стоимость производства одного или другого также зависит от типа доступной обработки пластин и от того, будут ли объемы производства датчиков на последующих этапах нести первоначальные затраты на разработку.

Рис. 3 Формирователи изображения CMOS могут быть изготовлены с более Функциональность «камеры» на чипе. Этот предлагает преимущества в размере и удобстве.

Начальный прогноз для CMOS		Твист		Результат КМОП против ПЗС
Эквивалентность ПЗС в изображении производительность		Требуется гораздо больший процесс адаптация и более глубокие субмикронные литография, чем предполагалось изначально		Высокая производительность доступна в обе технологии сегодня, но с более высокая стоимость разработки в большинстве CMOS чем ПЗС-технологии
Схема на кристалле интеграция		дольше циклы разработки, повышенная стоимость, компромиссы с шумом, гибкостью во время работы		Больше интеграция в CMOS, чем CCD, но сопутствующие ИС по-прежнему часто требуются с обоими
Экономика масштабирование от использования основной логики и памяти литейные		Обширный процесс разработка и оптимизация требуется		Устаревшая логика и линии по производству памяти обычно используется для производства CMOS имидж-сканера сегодня, но с высокой степенью адаптации процессы , аналогичные изготовлению ПЗС
Пониженная мощность расход		Устойчивый прогресс в области ПЗС уменьшил предел улучшения для CMOS		CMOS впереди ПЗС
Уменьшенный размер подсистемы обработки изображений		Оптика, сопутствующие чипсы и упаковка зачастую доминирующими факторами размер подсистемы обработки изображений		Сопоставимый

Каталожные номера

D. Passeri et др., Характеристика датчиков CMOS Active Pixel для обнаружение частиц: лучевой тест система с четырьмя датчиками RAPS03, Nucl. Инстр. и мет. A 617 (2010) 573–575

Д. Пассери и др. Наклонный Активные пиксельные датчики CMOS для обнаружения частиц Реконструкция трассы , IEEE нукл. науч. Симп. конф. Рек. NSS09 (2009) 1678. Июль 2006 г.

L. Servoli et al. . Использование стандартного имидж-сканера CMOS в качестве позиции детектор заряженных частиц , Нукл. Инстр. и мет. А 215 (2011) 228-231, 10.1016/j.nuclphysbps.2011.04.016

D. Biagetti et др. Луч результаты испытаний для RAPS03 неэпитаксиальный КМОП-сенсор с активными пикселями , Нукл. Инстр и мет А 628 (2011) 230–233

Какой из них станет победителем? — Uni X-ray 2022 Updated

Введение

Было написано много статей о важности CMOS (комплементарных оксидов металлов, полупроводников) и CCD (заряда). сопряженное устройство) тепловизоры. Идет даже спор о том, какой из них лучше. Это CMOS или CCD имидж-сканеры? Однако окончательного вывода на сегодняшний день нет, так как тема достаточно сложная. Помните, что технологии постоянно развиваются в соответствии с меняющимися требованиями. Некоторые приложения хорошо работают с CMOS, а некоторые с CCD. Оба они имеют уникальные плюсы и минусы в зависимости от различных приложений.

Таким образом, эта статья призвана внести больше ясности в эту тему, выделяя различные сценарии, менее известные компромиссы, сравнение между CMOS и CCD, а также факторы стоимости.

 

CCD VS CMOS – Как они работают?

Представьте себе группу ведер, собирающих дождевую воду. Глядя на количество воды, собранной в каждом ведре, вы можете определить плотность и форму облака, верно? Так работают CCD и CMOS.

 

 

Датчики изображения бывают двух типов: CMOS и CCD. И CCD, и CMOS используют массивы пикселей (сегменты) для определения света. Эти две технологии могут оцифровывать изображения. Когда фотон света попадает на пиксель, он испускает электрон на более высокий энергетический уровень. Испускаемый свободный электрон движется через материал, который называется фотоэлектроном (каплей дождя).

В ПЗС-матрице заряд каждого пикселя передается через меньшее количество выходных узлов и преобразуется в напряжение. Затем они буферизуются и передаются в виде аналогового сигнала. Эти целые пиксели могут быть предназначены для захвата света, где однородность вывода высока для повышения качества изображения.

В датчике CMOS каждый пиксель имеет собственное преобразование заряда в напряжение. Он также включает в себя коррекцию шума, усилители, а также схемы оцифровки. Следовательно, чип может отправлять цифровые биты. Они могут повысить сложность дизайна и уменьшить площадь захвата света. Здесь однородность снижается с каждым преобразованием пикселя, что позволяет увеличить пропускную способность на высокой скорости.

В двух словах, ПЗС-матрица перемещает фотогенерированный заряд от пикселя к пикселю, тем самым преобразовывая его в напряжение на выходном узле. Однако CMOS преобразует заряд в напряжение внутри каждого пикселя.

 

 

 

ПЗС-матрицы имеют одно считывание в углу, а CMOS — считывание в каждом пикселе.

 

История ПЗС и КМОП

Хотя формирователи изображений КМОП и ПЗС были изобретены доктором Саввасом Чемберленом в конце 1060-х и 1970-х годах, использование ПЗС стало более доминирующим. Это связано с тем, что ПЗС-матрица может обеспечивать изображения высочайшего качества с доступной технологией производства и меньшим энергопотреблением. ПЗС продемонстрировала устойчивое увеличение квантовой эффективности и обработки сигналов, за которым последовало уменьшение размера пикселя, рабочего напряжения и темнового тока.

В случае CMOS требуется большая однородность. Однако изобретение литографии в 1990-х годах помогло разработчикам снова разработать КМОП из-за преобладающего интереса к снижению энергопотребления, меньшей стоимости изготовления, большей интеграции более мелких деталей и включению камеры на кристалл. Потребовалось больше времени и денег, чтобы получить все эти преимущества, а также обеспечить максимальную ценность изображения. Например, большие объемы изображений использовались для устройств клиентов, включая использование мобильных телефонов. Вот где КМОП превзошла ПЗС. И этот переход от ПЗС к КМОП был более быстрым и нестабильным.

Однако на более позднем этапе КМОП присоединилась к ПЗС в качестве основной зрелой технологии.

Давайте теперь рассмотрим различные сценарии, чтобы понять, что лучше: CCD или CMOS?

 

Сценарии, чтобы решить, что лучше: ПЗС или КМОП?

1. Машинное зрение

Ключевыми параметрами машинного зрения являются шум и скорость. Но ПЗС и КМОП различаются по способу передачи сигналов от сигнального заряда к аналоговому сигналу с последующим цифровым преобразованием сигнала. В CMOS передний конец пути данных очень параллелен с низкой пропускной способностью. Однако в ПЗС будет огромное количество параллельных цепей быстрого вывода, хотя и не таких массивных, как CMOS. Следовательно, ПЗС-матрицы имеют большую полосу пропускания, за которой следует огромный шум по сравнению с КМОП.

 

2. БИК (сканеры ближнего инфракрасного диапазона)

В тепловизорах ближнего инфракрасного диапазона толщина эпитаксиального слоя ПЗС-матриц превышает 100 микрон по сравнению с КМОП, где толщина составляет всего 5-10 микрон. Следовательно, воздействие на схему ПЗС сравнительно проще в эксплуатации. Более того, CCD чрезвычайно уязвим в ближнем инфракрасном диапазоне, чем CMOS.

 

3. TDI (устройства формирования изображений с временной задержкой и интеграцией)

В случае TDI (устройства формирования изображения с временной задержкой и интеграцией) ПЗС-матрицы объединяют только сигналы заряда. Но CMOS объединяет либо сигналы заряда, либо сигналы напряжения. Здесь операция суммирования сигналов заряда бесшумна, хотя суммирование напряжения невозможно. КМОП на основе напряжения может обеспечить экономичную высокую производительность, но КМОП на основе заряда может обеспечить самую высокую производительность.

Из-за более высокой чувствительности CCD TDI может достигать предела скорости. Однако у CMOS есть преимущество в скорости

 

4. Электронное умножение

ПЗС становится более выгодной, когда нет необходимости обрабатывать изображение с высокой скоростью, по сравнению с КМОП. Это увеличение скорости также увеличивает шум считывания в ПЗС. Напротив, CMOS имеет очень низкий уровень шума при чтении. Следовательно, эти CMOS могут не иметь преимуществ TDI или ближнего инфракрасного диапазона, таких как CCD.

 

5. Другие сценарии

Если ваш клиент хочет оценить крайне слабые источники света с адекватным отношением сигнал-шум и часовой выдержкой, хорошо подойдут формирователи изображений с ПЗС.

Однако компании переходят на КМОП, поскольку для большинства ненаучных приложений обработки изображений также требуются короткие видеозаписи. В таких случаях КМОП оказывается лучше по производительности и стоимости. Следовательно, производство ПЗС-сенсоров сократилось в объеме.

Таким образом, в 2019 году компания ON semiconductor прекратила выпуск прошлых гаджетов Kodak. Однако это не конец технологии ПЗС. Вы можете найти конкретные ПЗС-матрицы SONY до 2026 года.

Компании будут продолжать производить ПЗС-технологии для астрономических приложений, включая спектроскопию, фотометрию или биологические науки, включая флуоресценцию и биолюминесценцию.

Менее требовательные изображения или те, которые требуют высокой скорости изображения, переключатся на использование CMOS. В ближайшие 5 лет CMOS заменит еще больше приложений.

Чтобы соответствовать вашим требованиям сегодня и завтра, многие компании используют как современные датчики CMOS, так и высокопроизводительные датчики CCD.

 

КМОП VS ПЗС: сравнительное исследование

В последние несколько лет КМОП применялась чаще, чем ПЗС, но не во всех аспектах. Итак, давайте проведем сравнительное исследование ПЗС и КМОП формирователей изображения:

Заменено. ПЗС..

Особенности	ПЗС	КМОП	Что лучше?
Наличие	основных ПЗС. Только несколько дорогих ПЗС производятся ведущими компаниями	Быстрая модернизация технологии, в результате которой разрабатываются новые КМОП-сканеры. Таким образом, компании вкладывают больше средств в CMOS	останется только в специфических нишах вроде научных приборов. КМОП доминирует
Стоимость	Большие ПЗС-матрицы дороги со сложной цифровой камерой и внешним аналогом	Большие КМОП также дороги со сложной цифровой электроникой. Аналог удален	Для простых камер CMOS является экономичной. Для крутых камер с изображением при слабом освещении не так много вариантов
Чувствительность	60%-95%	75%-95%	КМОП
Скорость	1-40 мегапикселей в секунду	100-400 мегапикселей в секунду	КМОП
Шум считывания в каждом пикселе при считывании датчика	5-10 электронов; 1 электрон для электронного умножителя CCD	1-3 электрона	КМОП или ПЗС с электронным умножением
Охлаждение	Быстрое охлаждение достигается легко	Невозможно работать в условиях сильного охлаждения	ПЗС
Электронный затвор	Кадровый и межстрочный перенос	Скользящие и глобальные затворы	Нет основной выгоды
Механический затвор	Используется для калибровки изображения	Используется для калибровки изображения	Нет основной выгоды
Размер пикселя	3-25 мкм	2-9 мкм	Большие пиксели подходят для телескопов. Хотя CMOS имеют маленькие пиксели, недавно были представлены модели с большим размером пикселя
Глубина стенки (количество электронов, удерживаемых каждым пикселем)	40 000–200 000	30 000-75 000. Можно уменьшить путем штабелирования	CCD, однако стекирование для CMOS также работает
Биты аналого-цифрового преобразователя	16 бит	12 бит	ПЗС
Биннинг (комбинация пикселей для разрешения или чувствительности)	Легко достигается	Сравнительно ограниченный	ПЗС
Световое излучение через светодиод	Легко сокращается	Не так просто	CCD, однако, есть улучшения и в CMOS
Инфракрасное изображение	Возможно	В настоящее время невозможно	ПЗС
Фиксированный шаблонный шум	Время от времени, можно уменьшить	Может быть проблемой	Нет особых преимуществ, хотя ПЗС помогает
Калибровка — насколько идеальным будет конечное изображение	Эффективный и хорошо зарекомендовавший себя	Может быть более сложным	ПЗС

 

Как насчет стоимости?

Для многих лиц, принимающих коммерческие решения, действительно важна чистая стоимость (производительность, достигнутая за уплаченную сумму). Прежде чем выбрать формирователь изображения на ПЗС или КМОП, рассмотрим вопрос стоимости:

1. Leverage : Независимо от того, ПЗС это или КМОП имидж-сканер, те, что доступны на рынке, дешевле, чем полностью настроенный имидж-сканер. Когда дело доходит до настройки, разработка индивидуальной CMOS обходится дороже, чем нестандартная CCD, из-за использования более глубоких и дорогостоящих субмикронных масок. Кроме того, в конструкции КМОП задействовано больше схем для обеспечения лучшей производительности. Тем не менее, предложение может отдать предпочтение заказной ПЗС.
2. Том : Хотя КМОП требует больших затрат на разработку, она имеет меньшую удельную стоимость. Следовательно, при большем объеме меньшая стоимость единицы продукции более важна, чем меньшая стоимость разработки.
3. Поставка безопасность : Несмотря на хорошее ценовое предложение, выберите компанию, которая может разработать полностью безопасные и долговечные ПЗС или КМОП.
   Ccd или cmos что лучше: CCD и CMOS матрицы в видеокамерах. Различия между ПЗС и КМОП матрицами