какие лучше? CCD против CMOS
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 есть 2 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).
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%.
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.
CCD или CMOS? Критерии выбора
Матрица – это основа любого фото- или видеоустройства. Она определяет качество и размер получаемого изображения. На сегодняшний день в изготовлении матриц используются два разных технологичных принципа — CCD и CMOS. Очень часто можно услышать вопрос: «Какую матрицу выбрать: CCD или CMOS?» Среди любителей фото- и видеотехники по этому поводу идут жаркие споры.
В этой статье мы проведем обзор этих двух типов и попробуем разобраться, какая матрица лучше — CCD или CMOS.
Общая информация
Матрицы предназначены для оцифровки параметров световых лучей на их поверхности. Говорить о явном преимуществе одной из технологий не представляется возможным. Можно проводить сравнение по конкретным параметрам и выявлять лидера в том или ином аспекте. Что касается предпочтений пользователей, то зачастую для них главным критерием является стоимость изделия, даже если оно будет уступать по качеству или техническим характеристикам своему конкуренту.
Итак, давайте разберемся, что представляют собой оба типа устройств. CCD-матрица – это микросхема, которая состоит из светочувствительных фотодиодов; она создана на кремниевой основе. Особенность ее работы заключается в принципе действия устройства с зарядовой связью. CMOS-матрица – это прибор, созданный на основе полупроводниковых полевых транзисторов, имеющих изолированный затвор с каналами различной проводимости.
Принцип работы
Перейдем к выявлению отличий, которые помогут определиться в выборе: что же лучше — матрица CMOS или CCD? Главным различием этих двух технологий является принцип их работы. CCD-устройства заряд от пикселей преобразуют в электрический потенциал, который усиливается за пределами светочувствительных сенсоров. В результате получается изображение в аналоговом виде. После этого проводится оцифровка всей картинки в АЦП. То есть прибор состоит из двух частей — непосредственно матрицы и преобразователя. CMOS-технология характеризуются тем, что производит оцифровывание каждого пикселя в отдельности. На выходе получается уже готовая цифровая картинка. То есть электрический заряд в пикселе матрицы накапливается в конденсаторе, с которого снимается электрический потенциал. Он передается на аналоговый усилитель (встроенный непосредственно в пикселе), после чего оцифровывается в преобразователе.
Что же выбрать: CCD или CMOS?
Одним из немаловажных параметров, которые определяют выбор между этими технологиями, является количество усилителей матрицы.
CMOS-устройства имеют большее количество этих приборов (в каждой точке), поэтому при прохождении сигнала несколько снижается качество картинки. Поэтому CCD-матрицы используют для создания изображений с высокой степенью детализации, например, в медицинских, исследовательских, промышленных целях. А вот CMOS-технологии применяют в основном в бытовой технике: веб-камерах, смартфонах, планшетах, ноутбуках и т. п.
Следующим параметром, который определяет, какой тип лучше — CCD или CMOS, — является плотность фотодиодов. Чем она выше, тем меньше фотонов «пропадет вхолостую», соответственно, изображение будет лучше. В этом параметре CCD-матрицы обходят своих конкурентов, так как предлагают макет, не имеющий таких зазоров, в то время как у CMOS они присутствуют (в них расположены транзисторы).
Тем не менее, когда перед пользователем встает выбор: какой тип матрицы — CMOS или CCD — приобрести, всплывает главный параметр – цена устройства. CCD-технология значительно дороже своего конкурента и энергозатратнее.
Поэтому устанавливать их там, где достаточно изображения среднего качества, нецелесообразно.
Сравнение датчиков CCD и CMOS
352
Изображение: датчик CMOS с фильтром Байера
ПЗС-датчик:
Технология ПЗС (устройств с зарядовой связью) была разработана еще в конце 1960-х годов и изначально предназначалась только для хранения данных. Однако из-за чрезвычайной чувствительности сенсоров к свету вскоре их начали использовать и в камерах. ПЗС-сенсоры состоят из матрицы светочувствительных фотодиодов . Проще говоря, ПЗС-датчики преобразуют свет в электрические сигналы. Когда свет падает на фотоэлемент, генерируется электрический ток, который имеет линейную зависимость от количества света (интенсивности и продолжительности). Фотоэлементы накапливают заряд, пропорциональный количеству падающего света. После облучения заряда постепенно перемещаются на от ячейки к ячейке ( считывают ), пока не достигнут выходного усилителя, который преобразует их в сигнал напряжения, соответствующий количеству света.
Датчик CMOS:
КМОП-сенсор (дополнительный металл-оксид-полупроводник) улавливает заряды, создаваемые падающим светом, точно так же, как ПЗС-сенсор. Основное различие между датчиками CMOS и CCD заключается в способе передачи информации. В ПЗС-устройстве заряд передается строками, а КМОП-устройства преобразуют заряд в напряжение на каждом пикселе . По этой причине датчики CMOS работают быстрее, поскольку пиксели считываются параллельно, а датчики CCD считывают пиксели последовательно.
Несколько лет назад утверждалось, что ПЗС-сенсоры дают гораздо более качественные изображения с точки зрения светочувствительности и динамических характеристик. По этой причине датчики CCD в основном использовались в сегменте камер высшего класса. Недостатки заключались в том, что они были намного дороже в производстве, потребляли больше энергии и, как правило, имели более низкую скорость считывания, чем датчики CMOS.
Однако за последние 10 лет КМОП-технология значительно отстала.
Из-за заметно более высокого уровня спроса на рынке фотоаппаратов в разработку КМОП-сенсоров было вложено много денег. Предыдущие недостатки КМОП-сенсоры по сравнению с ПЗС-датчиками постепенно превзошли , и их преимущества больше нельзя игнорировать:
- Высокая частота кадров : быстрая непрерывная съемка в высоком разрешении , видео в формате HD или даже 4k
- очень короткое время выдержки (1/8000), даже при непрерывной съемке
- малый размер
- энергосберегающий рабочий
- меньше
- привлекательная цена
Благодаря успеху КМОП-сенсоров ПЗС-технология была вытеснена на периферийные области фотографии . ПЗС-датчики в основном предлагают преимущества для специализированных приложений , таких как черно-белые системы , съемка при слабом освещении или документирование медленных процессов и стационарные объекты.
20.07.2015
Цифровые датчики: КМОП/ПЗС
Эстетика фотографии
Фотодатчик — это светочувствительный электронный компонент, используемый для преобразования электромагнитного излучения (УФ, видимого или ИК) в аналоговый электрический сигнал. Затем этот сигнал усиливается, оцифровывается аналого-цифровым преобразователем и, наконец, обрабатывается для получения цифрового изображения.
Таким образом, датчик является основным компонентом камер и цифровых камер, эквивалентом пленки (или фольги) в серебряной фотографии.
Фотосенсор использует фотоэлектрический эффект, который позволяет падающим фотонам извлекать электроны из каждого активного элемента (фотосайта) матрицы элементарных сенсоров, состоящих из фотодиодов или фотомосов. Он намного эффективнее пленки: до 99% (теоретически) и почти 50% (на практике) полученных фотонов могут собирать электрон, против примерно 5% фотонов, выявляющих светочувствительное зерно пленки, следовательно его первоначальное развитие в астрофотографии.
Доступны два основных семейства датчиков: CCD и CMOS.
ПЗС-матрицы все еще существуют на рынке компактных устройств и устройств с очень высоким разрешением. В наиболее распространенных зеркальных камерах от него отказались и используют в основном датчики CMOS.
ПЗС проще всего изготовить. Изобретенный Джорджем Э. Смитом и Уиллардом Бойлом в Bell Laboratories в 1969 году (это изобретение принесло им половину Нобелевской премии по физике в 2009 году), он был быстро принят для продвинутых приложений (астрономическая визуализация), а затем популяризирован для камер и фотокамер.
Датчик CMOS («комплементарный металл-оксид-полупроводник») состоит из фотодиодов, как и ПЗС, где каждый фотоэлемент имеет собственный преобразователь заряда в напряжение и усилитель (в случае датчика APS).
Потребляемая мощность намного ниже, чем у ПЗС-сенсоров, скорость считывания и более низкая стоимость производства являются основными причинами их широкого использования.
Как и многие ПЗС-матрицы, датчики CMOS для цветного изображения связаны с цветным фильтром и матрицей линз, что еще более необходимо, учитывая небольшую относительную поверхность фотодиода, единственной чувствительной области.