CCD (ПЗС) — фото матрицы, сравнение с КМОП (cmos), плюсы и минусы.
CCD (Charge Coupled Device, ПЗС, прибор с зарядовой связью)- технология производства светочувствительных матриц для оптического оборудования: камеры мобильных телефонов, цифровые и зеркальные фотоаппараты, медицинское оборудование & etc.
Информация с каждой чувствительной ячейки считывается в память фотокамеры последовательно, что не позволяет сделать следующий кадр до того как считаются все данные прошлого кадра (в данный момент от этой проблемы частично избавились увеличив буфер памяти). Это не позволяет использовать матрицу в процессе авто-фокуса и потоковой видеозаписи, потому данные матрицы постепенно вытесняются технологией CMOS (КМОП), матрицы которых могут производить видеозапись и авто фокусировку посредством самой матрицы.
Плюсами CCD матриц над CMOS являются:
- · Меньше шумность изображения на пиксель.
- · Нет искажений цвета в жёлтые тона, больше натурализма в зелёных тонах.
- · Проще в производстве, но дороже.
- · Не греются при долгой съёмке и следовательно создают меньше шумов.
- · У технологии CCD, сама матрица имеет больший (полный) размер для съёмки, в отличии от технологии CMOS, где светочувствительна лишь её часть, поэтому света попадает больше. Соответственно CCD более светочувствительна, чем матрицы CMOS.
Минусы CCD матриц:
- · Потребление энергии больше.
- · Невозможность потоковым методом снимать кадр за кадром (в данное время уже возможно).
- · Некоторые ограничения в будущем, при создании матриц с высокими разрешениями.
- · Требуется больше места для размещения матрицы, фотоаппараты обычно имеют несколько большие габариты, но не всегда.
Вообще, для зеркальных фотоаппаратов с CMOS матрицами принципиально не нужен затвор. Он выполняет скорее дополняющую функцию, чем чисто функциональную. Потому многие любительские зеркальные фотоаппараты, всё больше приближаются к обычным цифровым «мыльницам», что немного портит качество снимков, но уменьшает цену готового изделия.
Постепенно, CCD матрицы вытесняются более дешёвыми CMOS матрицами. Правда, происходит это пока только в любительских и полупрофессиональных линейках зеркальных фотоаппаратов. 
ПЗС-матрицы — общие сведения
Фоточувствительная ПЗС (прибор с зарядовой связью) матрица (англ. CCD — charge-coupled device) — это прибор с переносом заряда, предназначенный для преобразования энергии оптического излучения в электрический сигнал, в котором зарядовые пакеты перемещаются к выходному устройству вследствие направленного перемещения потенциальных ям, и фоточувствительные элементы организованы в матрицу по строкам и столбцам. Преобразование осуществляется с помощью большого количества фотодиодов, расположенных в плоскости матрицы (так называемых пикселей).
Отдельно взятый элемент чувствителен во всем видимом спектральном диапазоне, поэтому над фотодиодами цветных ПЗС-матриц используется светофильтр, который пропускает только один из трёх цветов: красного (Red), зелёного (Green), синего (Blue) или жёлтого (Yellow), пурпурного (Magenta), бирюзового (Cyan). А в свою очередь в чёрно-белой ПЗС-матрице таких фильтров нет.
УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ПИКСЕЛЯ
Пиксель состоит из p-подложки, покрытой прозрачным диэлектриком, на который нанесён светопропускающий электрод, формирующий потенциальную яму.
Над пикселем может присутствовать светофильтр (используется в цветных матрицах) и собирающая линза (используется в матрицах, где чувствительные элементы не полностью занимают поверхность).
На светопропускающий электрод, расположенный на поверхности кристалла, подан положительный потенциал. Свет, падающий на пиксель, проникает вглубь полупроводниковой структуры, образуя электрон-дырочную пару. Образовавшиеся электрон и дырка растаскиваются электрическим полем: электрон перемещаются в зону хранения носителей (потенциальную яму), а дырки перетекают в подложку.
Для пикселя присущи следующие характеристики:
- Ёмкость потенциальной ямы — это количество электронов, которое способна вместить потенциальная яма.
- Спектральная чувствительность пикселя — зависимость чувствительности (отношение величины фототока к величине светового потока) от длины волны излучения.
- Квантовая эффективность (измеряется в процентах) — физическая величина, равная отношению числа фотонов, поглощение которых вызвало образование квазичастиц, к общему числу поглощённых фотонов. У современных ПЗС матриц этот показатель достигает 95%. Для сравнения, человеческий глаз имеет квантовую эффективность порядка 1%.
- Динамический диапазон — отношение напряжения или тока насыщения к среднему квадратичному напряжению или току темнового шума. Измеряется в дБ.
У современных ПЗС матриц этот показатель достигает 95%. Для сравнения, человеческий глаз имеет квантовую эффективность порядка 1%.УСТРОЙСТВО ПЗС-МАТРИЦЫ И ПЕРЕНОСА ЗАРЯДА
ПЗС-матрица разделена на строки, а в свою очередь каждая строка разбита на пиксели. Строки разделены между собой стоп слоями (p+), которые не допускают перетекания зарядов между ними. Для перемещения пакета данных используются параллельный, он же вертикальный (англ. VCCD) и последовательный, он же горизонтальный (англ. HCCD) регистры сдвига.
Простейший цикл работы трехфазного регистра сдвига начинается с того, что на первый затвор подается положительный потенциал, в результате чего образуется яма, заполненная образовавшимися электронами. Затем на второй затвор подадим потенциал, выше, чем на первом, вследствие чего под вторым затвором образуется более глубокая потенциальная яма, в которую перетекут электроны из под первого затвора.
Классификация ПЗС-матриц по цветности:
- Чёрно-белые
- Цветные
Классификация ПЗС-матриц по архитектуре:
Зелёным цветом обозначены фоточувствительные ячейки, серым — непрозрачные области.
Для ПЗС-матрицы присущи следующие характеристики:
- Эффективность передачи заряда — отношение количества электронов в заряде в конце пути по регистру сдвига к количеству в начале.
- Коэффициент заполнения — отношение площади заполненной светочувствительными элементами к полной площади светочувствительной поверхности ПЗС-матрицы.
- Темновой ток — электрический ток, который протекает по фоточувствительному элементу, в отсутствие падающих фотонов.
- Шум считывания — шум, возникающий в схемах преобразования и усиления выходного сигнала.
|
Матрицы с полнокадровым переносом (англ. full-frame). |
|
|
Преимущества:
Недостатки:
|
|
|
Матрицы с кадровым переносом. |
|
|
Преимущества:
Недостатки:
|
|
(англ. frame transfer).
|
Матрицы с межстрочным переносом или матрицы с буферизацией столбцов (англ. |
|
|
Преимущества:
Недостатки:
|
|
Interline-transfer).
|
Матрицы со строчно-кадровым переносом или матрицы с буферизацией столбцов (англ. |
|
|
Преимущества:
Недостатки:
|
|
interline).
ПРИМЕНЕНИЕ ПЗС-МАТРИЦ
|
НАУЧНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
|
|
|
КОСМИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
|
|
|
ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
|
|
|
ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ОХРАНЫ ОБЪЕКТОВ
|
|
|
ПРИМЕНЕНИЕ В ФОТОГРАФИРОВАНИИ
|
|
|
МЕДИЦИНСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
|
|
|
АВТО-ДОРОЖНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
|
.jpg)
Как возникают искажения при съёмке движущихся объектов на сенсор со строковым затвором:
Технология ПЗС и КМОП
Датчики изображения CCD (устройство с зарядовой связью) и CMOS (дополнительный металл-оксид-полупроводник)
две разные технологии для захвата изображений в цифровом виде.
Каждый из них имеет уникальные сильные и слабые стороны,
дает преимущества в различных приложениях. Ни один из них категорически не превосходит другого. в
за последние пять лет многое изменилось с обеими технологиями, и перспективы для обеих технологий радужны.
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, преобразуется в напряжение, буферизуется и отправляется с микросхемы в виде аналогового сигнала. В датчике CMOS каждый пиксель имеет собственное преобразование заряда в напряжение, и датчик часто также включает в себя усилители, схемы шумоподавления и оцифровки, так что выходы чипа представляют собой цифровые биты. См. рисунки 1 и 2.
Рисунок 1: Схема ПЗС.
В ПЗС большинство функций выполняются на печатной плате камеры. Если требования приложения меняются, разработчик может изменить электронику без перепроектирования имидж-сканера.
Рисунок 2: Схема CMOS.
CMOS имидж-сканер преобразует заряд в напряжение на пикселе, и большинство функций интегрировано в чип. Это делает функции имидж-сканера менее гибкими, но для приложений в суровых условиях камера CMOS может быть надежнее.
Это различие в методах считывания существенно влияет на возможности и ограничения датчиков. Восемь атрибутов характеризуют работу датчика изображения.
Чувствительность , количество сигнала, которое датчик выдает на единицу входной оптической энергии. CMOS имидж-сканеры
немного превосходят ПЗС.
Динамический диапазон , отношение уровня насыщенности пикселя к порогу его сигнала. ПЗС имеют здесь преимущество.
Равномерность — согласованность отклика для разных пикселей при одинаковых условиях освещения.
КМОП-матрицы традиционно были намного хуже, чем ПЗС-матрицы, однако новые усилители сделали равномерность освещения более заметной.
некоторые формирователи изображений CMOS близки к ПЗС.
Шторка , возможность произвольно запускать и останавливать экспозицию, превосходит ПЗС-устройства. КМОП-устройства
требуют дополнительных транзисторов или неравномерного затвора, иногда называемого скользящим затвором, для достижения тех же результатов.
Скорость , область, в которой КМОП, возможно, имеет преимущество перед ПЗС, поскольку все функции камеры могут быть
размещается на датчике изображения.
Windowing , технология CMOS имеет возможность считывать часть датчика изображения, что позволяет поднять кадр
ставки для небольших регионов интереса. ПЗС обычно имеют ограниченные возможности работы с окнами.
Antiblooming — это способность изящно устранять локальную пересветку без ущерба для остальных свойств.
изображение в сенсоре. КМОП обычно имеет естественный иммунитет к цветению. ПЗС требуют специальной инженерии для достижения этой возможности.
Смещение и синхронизация . КМОП-матрицы имеют явное преимущество в этой области, работая на одном уровне напряжения смещения и тактовой частоты.
ПЗС- и КМОП-датчики изображения были изобретены в конце 1960-х годов. ПЗС стали доминирующими на рынке, прежде всего потому, что они давали превосходные 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 с развитием литографии возобновился интерес к КМОП. Этот интерес обусловлен более низким энергопотреблением, интеграцией камеры на кристалле и снижением производственных затрат. Как ПЗС, так и КМОП-матрицы обеспечивают превосходное качество изображения. КМОП-сканеры обеспечивают большую интеграцию (больше функций на чипе), меньшее рассеивание мощности (на уровне чипа) и возможность меньшего размера системы.
Сегодня нет четкой границы, разделяющей типы приложений, которые может обслуживать каждое из них.
ПЗС и КМОП технологии взаимозаменяемы. Разработчики КМОП-матриц приложили огромные усилия для достижения высокого качества изображения, в то время как разработчики ПЗС-матриц снизили энергопотребление и размер пикселей. В результате вы можете найти датчики CMOS в высокопроизводительных профессиональных и промышленных камерах и CCD в недорогих камерах мобильных телефонов с низким энергопотреблением. На данный момент ПЗС и КМОП остаются взаимодополняющими технологиями — одна может делать то, чего не может другая. Со временем это различие смягчится, поскольку все больше и больше устройств формирования изображений CMOS будут использовать все больше и больше традиционных приложений CCD. Принимая во внимание относительную мощь и возможности формирователей изображения на ПЗС и КМОП, выбор по-прежнему больше зависит от области применения и поставщика, чем от технологии.
Использованная литература:
http://www.dalsa.com/corp/markets/CCD_vs_CMOS.aspx
http://www.dalsa.
com/shared/content/Photonics_Spectra_CCDvsCMOS_Litwiller.pdf
КМОП и ПЗС-технологии | wileyindustrynews.com
04.03.2022 — CMOS становится все более популярной, но CCD далеко не устарела. Когда какая технология датчика изображения имеет смысл и где каждая из них раскрывает свои преимущества? Пока что ПЗС-сенсоры по-прежнему впечатляют более высоким качеством изображения и меньшим уровнем шума, в то время как КМОП-сенсоры выигрывают с точки зрения энергопотребления и эффектов размытия и размытия. Благодаря большему выбору датчиков глобального затвора КМОП продолжает наверстывать упущенное.
ПЗС и КМОП принципиально различаются по своей архитектуре . В ПЗС-датчике заряд передается по всей микросхеме и считывается в одном углу матрицы. Аналого-цифровой преобразователь преобразует каждый пиксель в цифровое значение. Напротив, в большинстве КМОП-сенсоров на каждый пиксель приходится несколько транзисторов, которые усиливают заряд и передают его с помощью традиционных проводников.
Подход CMOS более гибкий, поскольку каждый пиксель можно считывать отдельно.
Пока датчики CCD (устройства с зарядовой связью) по-прежнему обеспечивают более высокое качество, создают изображения с меньшим уровнем шума и обеспечивают более высокую чувствительность. Их производственный процесс более зрелый, и они имеют более высокое разрешение. Тем не менее, датчики CMOS также имеют свои преимущества: датчики CMOS (комплементарные металл-оксид-полупроводник) традиционно потребляют меньше энергии, они дешевле, потому что они дешевле в производстве, а эффекты размытия и размытия не являются проблемой для датчиков CMOS.
По оценкам Point Grey, рынок в настоящее время примерно разделен на 75-процентную технологию CCD и 25-процентную технологию CMOS . В машинном зрении использование ПЗС на сегодняшний день все еще более распространено из-за высокого качества изображения и низкого уровня шума считывания.
Обе технологии продолжают развиваться
В последние годы обе сенсорные технологии развивались.
Например, на стороне ПЗС у нас есть вывод с несколькими касаниями, улучшенное качество изображения и более высокая чувствительность. Что касается КМОП, одним из основных достижений является растущий выбор глобальный затвор Датчики CMOS на рынке. Традиционная камера имеет механический затвор, который пропускает свет, а затем закрывает затвор, чтобы предотвратить попадание дополнительного света.
В технологиях CCD и CMOS используется концепция электронного затвора. Одно фундаментальное отличие состоит в том, что в ПЗС-матрицах используется механизм глобального затвора, что означает, что все пиксели на ПЗС-матрице экспонируются одновременно и их экспозиция останавливается в одно и то же время. С другой стороны, обычная технология CMOS использует рольставни функция. Это означает, что пиксели подвергаются воздействию света строка за строкой в разное время.
Глобальный затвор теперь также с CMOS
Недостаток: скользящий затвор вызывает эффект искажения при съемке быстро движущихся объектов.
В то время как каждая сенсорная линия постепенно подвергается воздействию света, объект, который нужно отобразить, захватывается каждой линией в разных фазах ее движения. Это создает артефакты искажения. Это было проблемой при использовании CMOS с рольставнями в камерах для машинного зрения. Однако за последние пять лет мы видим на рынке все больше и больше КМОП-сенсоров с глобальным затвором. Совсем недавно Sony выпустила свою версию сенсора IMX174. Это интегрировано в камеру Grasshopper3 Point Grey. Подобно датчику CCD, он обеспечивает неискаженное изображение. Это одна из причин, по которой КМОП получает все большее распространение и неуклонно завоевывает долю рынка. Больше не нужно обходиться без функции глобального затвора, которая требуется в приложениях машинного зрения.
Преимущества ПЗС в медицине и науках о жизни
Существует очень много приложений, в которых важны оба типа технологий. В общем, потребность в технологии CCD можно увидеть в науках о жизни , а также в высокопроизводительных инспекционных приложениях , то есть в приложениях, где требуется высокое качество изображения , например, в микроскопии — но также и в приложениях, где большую роль играет более длительное время экспозиции.