Kamera matrislerinin türleri. Hangisi daha iyi: CCD veya CMOS? Seçim kriterleri

Görüntü sensörü, herhangi bir video kameranın temel bir öğesidir. Günümüzde hemen hemen tüm kameralar CCD veya CMOS görüntü sensörleri kullanır. Her iki sensör türü de lens tarafından sensör üzerinde oluşturulan görüntüyü elektrik sinyaline dönüştürme görevini yerine getirir. Ancak, hangi sensörün daha iyi olduğu sorusu hala açık.

N.I. Çura
Teknik danışman
LLC "Mikrovideo Grubu"

CCD, ışığa duyarlı yapısının farklı olmasına rağmen bir analog sensördür. Işık matrise çarptığında, her piksel, yükte okunduğunda piksellerin aydınlatmasıyla orantılı bir video sinyali voltajına dönüştürülen bir yük veya elektron paketi biriktirir. Bu yükün minimum ara geçiş sayısı ve aktif cihazların olmaması, CCD'nin hassas elemanlarının yüksek bir kimliğini sağlar.

CMOS matrisi, aktif algılama elemanlarına (Aktif Piksel Sensörü) sahip dijital bir cihazdır. Her pikselin, hassas elemanın yükünü voltaja dönüştüren kendi yükselticisi vardır. Bu, her pikseli pratik olarak ayrı ayrı kontrol etmeyi mümkün kılar.

CCD'nin Evrimi

CCD'nin 1969'da Bell Laboratories (veya Bell Labs) tarafından icat edilmesinden bu yana, görüntü sensörünün boyutu sürekli olarak azalmaktadır. Aynı zamanda, hassas öğelerin sayısı arttı. Bu, doğal olarak, tek bir hassas öğenin (piksel) boyutunda ve buna bağlı olarak duyarlılığında bir azalmaya yol açtı. Örneğin 1987'den beri bu bedenler 100 kat küçüldü. Ancak yeni teknolojiler sayesinde, bir öğenin (ve dolayısıyla tüm matrisin) duyarlılığı daha da arttı.

Neyin hakim olmasına izin verildi
En başından beri, CCD'ler daha iyi görüntü kalitesi, daha az gürültü, daha yüksek hassasiyet ve daha fazla piksel bütünlüğü sağladıkları için baskın sensörler haline geldi. Teknolojiyi geliştirmeye yönelik ana çabalar, CCD'nin performansını iyileştirmeye odaklanmıştır.

Duyarlılık nasıl büyür
1990'ların sonlarındaki popüler Sony HAD standart çözünürlüklü (500x582) sensörle karşılaştırıldığında. (ICX055) daha gelişmiş Super HAD teknolojisinin hassasiyeti neredeyse 3 kat (ICX405) ve Ex-view HAD - 4 kat (ICX255) arttı. Üstelik siyah beyaz ve renkli versiyonlar için.

Yüksek çözünürlüklü matrisler (752x582) için başarı biraz daha az etkileyicidir, ancak Super HAD renkli görüntü modellerini en modern teknolojilerle karşılaştırırsak Ex-view HAD II ve Super HAD II, o zaman hassasiyetteki artış 2.5 ve 2.4 kez, sırasıyla. Ve bu, piksel boyutundaki neredeyse %30 azalmaya rağmen, çünkü PAL standardı için 976x582'ye kadar artan piksel sayısına sahip en modern 960H formatının matrislerinden bahsediyoruz. Bu sinyali işlemek için Sony, bir dizi Effio sinyal işlemcisi sunar.

IR bileşeni eklendi
İntegral duyarlılığı arttırmanın etkili yöntemlerinden biri, duyarlılığın spektral özelliklerini kızılötesi aralığına genişletmektir. Bu, özellikle Ex-view matrisi için geçerlidir. IR bileşeninin eklenmesi, renklerin göreceli parlaklığının aktarımını biraz bozar, ancak bu, siyah beyaz sürüm için kritik değildir. Tek sorun, sabit IR duyarlılığına sahip, yani mekanik bir IR filtresi olmayan gündüz / gece kameralarında renk reprodüksiyonu ile ortaya çıkar.

Bu teknolojinin Ex-view HAD II modellerinde (ICX658AKA) önceki versiyona (ICX258AK) kıyasla geliştirilmesi, entegre hassasiyette yalnızca 0,8 dB (1100'den 1200 mV'ye) bir artış sağlar ve aynı anda hassasiyette bir artış sağlar. 4, 5 dB'ye 950 nm dalga boyu. İncirde. 1, bu matrislerin spektral duyarlılığının özelliklerini gösterir ve Şekil 2'de. 2 - integral hassasiyetlerinin oranı.

optik yenilik
CCD duyarlılığını artırmanın bir başka yöntemi de piksel mikro lenslerinin, ışığa duyarlı alanın verimliliğini artırmak ve renk filtrelerini optimize etmektir. İncirde. 3, en son modifikasyonun lens alanının ve ışığa duyarlı alanının genişlemesini gösteren Super HAD ve Super HAD II dizisini gösterir.

Ek olarak, Super HAD II matrisleri, ışık filtrelerinin iletimini ve solmaya karşı dirençlerini önemli ölçüde artırır. Ek olarak, tayfın kısa dalga bölgesindeki iletim (camgöbeği) genişletildi, bu da renk üretimini ve beyaz dengesini iyileştiriyor.

İncirde. 4, Sony 1/3 "Super HAD (ICX229AK) ve Super HAD II (ICX649AKA) matrislerinin duyarlılığının spektral özelliklerini gösterir.

CCD: benzersiz hassasiyet

Birlikte ele alındığında, bu önlemler CCD'lerin performansını iyileştirmede önemli sonuçlar elde etmiştir.

Modern modellerin özelliklerini önceki sürümlerle karşılaştırmak mümkün değildir, çünkü o zamandan beri yaygın olarak kullanılan renk matrisleri, hatta tipik bir yüksek çözünürlüklü bile üretilmemiştir. Buna karşılık, artık standart tanımlı siyah beyaz matrisler, en son Ex-view HAD II ve Super HAD II teknolojileri kullanılarak üretilmiyor.

Her durumda, hassasiyet açısından, CCD'ler CMOS için hala ulaşılamaz bir ölçüttür, bu nedenle çok pahalı olan ve çoğunlukla özel görevler için kullanılan megapiksel sürümleri dışında hala yaygın olarak kullanılmaktadırlar.

CMOS: artıları ve eksileri

CMOS sensörleri 1970'lerin sonlarında icat edildi, ancak teknolojik problemler nedeniyle üretim ancak 1990'larda başladı. Ve bir kerede, bugün hala geçerli olan ana avantajları ve dezavantajları ana hatlarıyla belirtildi.

Avantajları arasında, sensörün daha fazla entegrasyonu ve verimliliği, daha geniş dinamik aralık, üretim kolaylığı ve özellikle megapiksel seçenekleri için daha düşük maliyet sayılabilir.

Öte yandan, CMOS sensörleri, diğer şeylerin eşit olması, RGB yapısının filtrelerindeki büyük kayıplar, ışığa duyarlı elemanın daha küçük bir kullanışlı alanı nedeniyle daha düşük bir duyarlılığa sahiptir. Her pikselin yolundaki amplifikatörler dahil olmak üzere çok sayıda geçiş elemanının bir sonucu olarak, CCD ile karşılaştırıldığında tüm hassas elemanların parametrelerinin tekdüzeliğini sağlamak çok daha zordur. Ancak teknolojideki ilerlemeler, özellikle megapiksel sürümlerinde CMOS duyarlılığını en iyi CCD örneklerine yaklaştırmayı mümkün kılmıştır.

CMOS'un ilk savunucuları, bu yapıların bellek ve mantık yongaları ile aynı donanım ve teknolojilerle üretilebildikleri için çok daha ucuz olacağını savundular. Birçok yönden, bu varsayım doğrulandı, ancak tamamen değil, çünkü teknolojinin gelişmesi, karmaşıklık açısından CCD'dekiyle neredeyse aynı üretim sürecine yol açtı.

Tüketici çemberinin standart televizyonun ötesine genişlemesiyle birlikte, matrislerin çözünürlüğü sürekli olarak büyümeye başladı. Bunlar ev tipi video kameralar, elektronik kameralar ve iletişim ortamına yerleştirilmiş kameralardır. Bu arada, mobil cihazlar için verimlilik konusu oldukça önemlidir ve burada CMOS sensörünün rakibi yoktur. Örneğin, 1990'ların ortasından beri. matrislerin çözünürlüğü yılda 1-2 milyon eleman arttı ve şimdi 10-12 Mpx'e ulaştı. Ayrıca, CMOS sensörlerine olan talep baskın hale geldi ve bugün 100 milyon birimi aşıyor.

CMOS: geliştirilmiş hassasiyet

1990'ların sonunda - 2000'lerin başında CMOS matrisli ilk güvenlik kamerası örnekleri, siyah beyaz sürüm için bile 352x288 piksel çözünürlüğe ve yaklaşık 1 lüks hassasiyete sahipti. Standart tanımın renk versiyonları yaklaşık 7-10 lux hassasiyete sahipti.

Tedarikçiler neler sunar?
Şu anda, CMOS matrislerinin duyarlılığı kesinlikle artmıştır, ancak renkli bir görüntünün tipik versiyonları için, lens sayısının (1.2–1.4) makul F değerlerinde birkaç lüks sırasının değerlerini geçmez. Bu, aşamalı taramalı CMOS sensörleri kullanan IP-video gözetim markalarının teknik özelliklerinin verileriyle doğrulanır. Lüksün yaklaşık onda biri kadar bir hassasiyet talep eden üreticiler, genellikle bunun daha düşük bir kare hızı, biriktirme modu veya en azından etkin ve yeterince derin AGC (AGC) için veri olduğunu belirtir. Ayrıca, bazı IP kamera üreticileri için maksimum AGC, –120 dB (1 milyon kez) gibi akıllara durgunluk veren bir değere ulaşır. Üreticilerin kafasında bu duruma ilişkin duyarlılığın, ekranda sadece "kardan" daha fazlasını görmenize olanak tanıyan iyi bir sinyal-gürültü oranı varsayması umulmaktadır.

Yenilik, video kalitesini artırır
CMOS sensörlerinin özelliklerini iyileştirmek amacıyla Sony, megapiksel versiyonlarında hassasiyet, sinyal-gürültü oranı açısından CMOS sensörlerinin CCD'lerle pratik bir karşılaştırmasını sağlayan bir dizi yeni teknoloji önerdi.

Exmor matrislerinin üretimi için yeni teknoloji, matris üzerindeki ışık akısının geliş yönünün değiştirilmesine dayanmaktadır. Tipik bir mimaride, ışık silikon levhanın ön yüzeyine çarpar ve matris devresinin iletkenlerini geçer. Işık bu elementler tarafından dağılır ve engellenir. Yeni modifikasyonda, ışık silikon levhanın arkasına giriyor. Bu, CMOS matrisinde hassasiyette önemli bir artışa ve gürültüde bir azalmaya yol açtı. İncirde. Şekil 5, tipik bir matrisin yapıları ile kesitte gösterilen bir Exmor matrisi arasındaki farkı açıklar.

Fotoğraf 1, bir CCD (ön aydınlatma) ile 100 lüks aydınlatmada (F4.0 ve 1/30 s) elde edilen bir test nesnesinin ve aynı format ve 10 Mpx çözünürlüğe sahip CMOS Exmor kameranın görüntülerini göstermektedir. Açıkçası, bir CMOS kamera görüntüsü en az bir CCD görüntüsü kadar iyidir.

CMOS sensörlerinin hassasiyetini artırmanın bir başka yolu, kırmızı ve mavi öğelerin satır satır kaymasıyla dikdörtgen piksel düzenlemesini terk etmektir. Bu durumda, bir çözünürlük elemanının yapımında iki yeşil piksel kullanılır - farklı satırlardan mavi ve kırmızı. Bunun yerine, bir çözünürlük elemanı oluşturmak için altı bitişik yeşil eleman kullanılarak elemanların diyagonal bir düzenlemesi önerilmiştir. Bu teknolojiye ClearVid CMOS denir. İşleme için daha güçlü bir görüntü sinyali işlemcisi varsayılır. Renkli elemanların düzeninin yapılarındaki fark, Şek. 6.

Bilgi, yüksek hızlı bir paralel analogdan dijitale dönüştürücü tarafından okunur. Bu durumda, aşamalı taramanın kare hızı 180 ve hatta 240 fps'ye ulaşabilir. Paralel bilgi edinimi, hızlı hareket eden nesnelerin karakteristik bulanıklığının tamamen olmadığı durumlarda, sıralı pozlama ve sinyal okuma özelliğine sahip CMOS kameralarda yaygın olan ve Rolling Shutter efekti olarak adlandırılan diyagonal çerçeve kaymasını ortadan kaldırır.

Fotoğraf 2, bir CMOS kamera tarafından 45 ve 180 fps'de çekilen dönen bir fanın resimlerini göstermektedir.

Tam rekabet

Örnek olarak Sony teknolojilerini gösterdik. Doğal olarak, CCD'ler gibi CMOS matrisleri, bu ölçekte olmasa ve çok iyi bilinmese de başka şirketler tarafından üretilir. Her halükarda, şu ya da bu şekilde, aşağı yukarı aynı yoldan gider ve benzer teknik çözümler kullanır.

Özellikle Panasonic Live-MOS matrislerinin iyi bilinen teknolojisi, CMOS matrislerinin özelliklerini ve doğal olarak benzer yöntemlerle önemli ölçüde iyileştirir. Panasonic matrislerinde fotodiyottan mikro merceklere olan mesafe azaltılır. Fotodiyot yüzeyinden basitleştirilmiş sinyal iletimi. Kontrol sinyallerinin sayısı 3'ten (standart CMOS) 2'ye (CCD'de olduğu gibi) düşürüldü, bu da pikselin ışığa duyarlı alanını arttırdı. Düşük gürültülü bir fotodiyot yükseltici kullanılır. Daha ince bir sensör katmanı yapısı kullanılır. Azaltılmış besleme voltajı gürültüyü ve matris ısınmasını azaltır.

Megapiksel CMOS matrislerinin CCD'ler ile sadece fiyat açısından değil, aynı zamanda bu teknoloji için hassasiyet ve gürültü seviyesi gibi sorunlu özelliklerde de başarılı bir şekilde rekabet edebileceği ifade edilebilir. Bununla birlikte, geleneksel CCTV televizyon formatlarında, CCD matrisleri rakipsizdir.

CMOS sensörü

CMOS dizileri, farklı iletkenliğe sahip kanallara sahip yalıtılmış kapı alan etkili transistörler kullanır.

CMOS matris hücresinin eşdeğer devresi: 1 - ışığa duyarlı eleman (fotodiyot); 2 - deklanşör; 3 - diyottan gelen yükü tutan kapasitör; 4 - amplifikatör; 5 - hat seçim veriyolu; 6 - işlemciye bir sinyal ileten dikey veri yolu; 7 - sinyali sıfırla.

Tarih

1960'ların sonlarında. birçok araştırmacı CMOS yapılarının ışığa duyarlı olduğunu belirtmişlerdir. Ancak CCD cihazları o kadar yüksek ışık hassasiyeti ve görüntü kalitesi sağladı ki, CMOS sensörlerinde gözle görülür bir gelişme olmadı.

1990'ların başında, CMOS sensörlerinin özellikleri ve üretim teknolojisi önemli ölçüde iyileştirildi. Mikron altı fotolitografideki gelişmeler, CMOS sensörlerinde daha ince bileşiklerin kullanılmasını mümkün kılmıştır. Bu, matrisin ışınlanan alanının daha büyük bir yüzdesi nedeniyle ışık duyarlılığında bir artışa yol açtı.

CMOS sensör teknolojisindeki devrim, NASA'nın Jet Propulsion Laboratory (JPL) Aktif Piksel Sensörlerini (APS) başarıyla uyguladığında geldi. - aktif piksel sensörleri . Teorik çalışmalar birkaç on yıl önce yapıldı, ancak aktif bir sensörün pratik kullanımı 1993 yılına kadar ertelendi. APS, algılama için her piksele bir transistör yükseltici ekler, bu da yükü doğrudan pikselde voltaja dönüştürmeyi mümkün kılar. Ayrıca, RAM mikro devrelerinde uygulanana benzer şekilde, fotodedektörlere rastgele erişim sağladı.

Sonuç olarak, 2008 yılına kadar CMOS, CCD'lere pratik olarak bir alternatif haline geldi.

Bu yıl Barselona'daki MWC'de Samsung, akıllı telefonları hedefleyen yeni bir CMOS sensör tipini sergiledi.

Çalışma prensibi

• Çekimden önce sıfırlama sinyali verilir
• Pozlama sırasında, yük fotodiyot tarafından birikir.
• Okuma işleminde kondansatör üzerindeki voltaj değeri örneklenir.

Avantajlar

• CMOS teknolojisinin ana avantajı, düşük statik güç tüketimidir. Bu, bu tür matrislerin, örneğin çoğu zaman "uyku" veya "bir olayı bekleme" modunda olan hareket sensörleri ve gözetim sistemlerinde, uçucu olmayan cihazların bir parçası olarak kullanılmasını mümkün kılar.
• CMOS matrisinin önemli bir avantajı, teknolojinin geri kalan, ekipmanın dijital unsurlarıyla birliğidir. Bu, analog, dijital ve işleme parçalarını tek bir kristal üzerinde birleştirme olasılığına yol açar (öncelikle bir işlemci teknolojisi olan CMOS teknolojisi, yalnızca ışığın "yakalanmasını" değil, aynı zamanda yalnızca sinyallerin dönüştürülmesi, işlenmesi, temizlenmesi sürecini de ifade eder. aslında yakalandı, ancak elektronik ekipmanın üçüncü taraf bileşenleri), çok çeşitli ekipman için kameraların minyatürleştirilmesine ve ek işlemci yongalarının reddedilmesi nedeniyle maliyetlerini düşürmeye temel oluşturdu.
• Rastgele erişim mekanizmasını kullanarak seçili piksel gruplarını okuyabilirsiniz. Bu işleme pencereleme okuması denir. Kırpma, yakalanan görüntünün boyutunu küçültmenize ve CCD sensörlerine kıyasla okuma hızını potansiyel olarak artırmanıza olanak tanır, çünkü ikincisinde, daha sonraki işlemler için tüm bilgilerin boşaltılması gerekir. Aynı matrisi temelde farklı modlarda kullanmak mümkün hale gelir. Özellikle, piksellerin yalnızca küçük bir bölümünü hızlı bir şekilde okuyarak, cihazın içine yerleştirilmiş ekrandaki görüntünün nispeten az sayıda pikselle yüksek kaliteli canlı görüntüleme modunu sağlamak mümkündür. Çerçevenin yalnızca bir kısmını tarayabilir ve tam ekran görüntüsüne uygulayabilirsiniz. Böylece yüksek kaliteli manuel odaklama imkanı elde etmek. Daha küçük çerçeve boyutu ve çözünürlük ile yüksek hızlı röportaj çekimi yapmak mümkündür.
• Piksel içindeki amplifikatöre ek olarak, amplifikasyon devreleri sinyal yolu boyunca herhangi bir yere yerleştirilebilir. Bu, amplifikasyon aşamaları oluşturmanıza ve düşük ışık koşullarında hassasiyeti artırmanıza olanak tanır. Her rengin kazancını değiştirme yeteneği, özellikle beyaz dengesini iyileştirir.
• Özellikle büyük matris boyutlarında, CCD matrislerine kıyasla düşük üretim maliyeti.

Dezavantajları

• Hücre fotodiyodu, tam çerçeve transfer CCD'sine kıyasla matris elemanının önemli ölçüde daha küçük bir alanını kaplar. Bu nedenle, erken CMOS sensörleri, CCD'lerden önemli ölçüde daha düşük ışık hassasiyetine sahipti. Ancak 2007'de Sony, daha önce yalnızca elektron teleskopları gibi belirli optik cihazlarda CMOS sensörleri için kullanılan Exmor teknolojisine sahip yeni nesil CMOS video ve kamera serisini piyasaya sürdü. Bu matrislerde, fotonların ışığa duyarlı elemana çarpmasını önleyen pikselin elektronik "bağlanması", üst matris katmanından alt matris katmanına taşındı, bu da hem pikselin fiziksel boyutunun hem de matrisin aynı geometrik boyutları ve buna göre, her pikselin ve bir bütün olarak matrisin ışığa duyarlılığını artıran öğelerin ışığa erişilebilirliği. İlk kez, CMOS matrisleri ışık hassasiyeti açısından CCD matrisleriyle karşılaştırıldı, ancak daha enerji verimli olduğu ve CCD teknolojisinin ana dezavantajından yoksun olduğu ortaya çıktı - nokta ışığının "korkusu". 2009'da Sony, EXMOR CMOS sensörlerini "Arka ışık aydınlatması" teknolojisiyle geliştirdi. Teknoloji fikri basittir ve isme tam olarak karşılık gelir.
• Matris hücresinin fotodiyodu nispeten küçük bir boyuta sahipken, ortaya çıkan çıkış voltajının değeri sadece fotodiyotun kendisinin parametrelerine değil, aynı zamanda her piksel elemanının özelliklerine de bağlıdır. Böylece matrisin her pikselinin kendi karakteristik eğrisi vardır ve saçılma sorunu ortaya çıkar.

Matris, herhangi bir fotoğraf veya video cihazının omurgasıdır. Ortaya çıkan görüntünün kalitesini ve boyutunu belirler. Bugün matris üretiminde iki farklı teknolojik ilke kullanılmaktadır - CCD ve CMOS. Çok sık şu soruyu duyabilirsiniz: "Hangi matrisi seçmelisiniz: CCD veya CMOS?" Fotoğraf ve video ekipmanı hayranları arasında bu konuda ateşli tartışmalar var. Bu yazıda, bu iki türü inceleyeceğiz ve hangi matrisin daha iyi olduğunu bulmaya çalışacağız - CCD veya CMOS.

Genel bilgi

Matrisler, yüzeylerindeki ışık ışınlarının parametrelerini sayısallaştırmak için tasarlanmıştır. Teknolojilerden birinin açık avantajından bahsetmek mümkün değil. Karşılaştırmalar belirli parametrelere göre yapılabilir ve şu veya bu açıdan bir lider tanımlanabilir. Kullanıcıların tercihlerine gelince, çoğu zaman onlar için ana kriter, kalitesi veya teknik özellikleri rakiplerinden daha düşük olsa bile, ürünün maliyetidir.

Öyleyse, her iki cihaz türünün de ne olduğunu görelim. CCD, ışığa duyarlı fotodiyotlardan oluşan bir mikro devredir; silikon bazlıdır. Çalışmasının özelliği, şarj bağlantılı bir cihazın çalışma prensibinde yatmaktadır. Bir CMOS matrisi, farklı iletkenlik kanallarına sahip yalıtımlı bir kapıya sahip yarı iletken bir cihaza dayanan bir cihazdır.

Çalışma prensibi

Doğru seçimi yapmamıza yardımcı olacak farklılıkları belirlemeye devam edelim: hangisi daha iyi - CMOS matrisi mi yoksa CCD mi? İki teknoloji arasındaki temel fark, nasıl çalıştıklarıdır. CCD cihazları, piksellerden gelen yükü, ışığa duyarlı sensörlerin dışında güçlendirilen bir elektrik potansiyeline dönüştürür. Sonuç bir analog görüntüdür. Bundan sonra, tüm resim ADC'de sayısallaştırılır. Yani, cihaz iki bölümden oluşur - matrisin kendisi ve dönüştürücü. CMOS teknolojisi, her pikseli ayrı ayrı sayısallaştırması ile karakterize edilir. Çıktı, hazır bir dijital resimdir. Yani, matris pikselindeki elektrik yükü, elektrik potansiyelinin çıkarıldığı kapasitörde birikir. Bir analog amplifikatöre (doğrudan pikselin içine yerleştirilmiş) iletilir, ardından bir dönüştürücüde sayısallaştırılır.

CCD'yi mi yoksa CMOS'u mu seçmelisiniz?

Bu teknolojiler arasındaki seçimi belirleyen önemli parametrelerden biri de matris yükselteç sayısıdır. CMOS cihazlarında bu cihazlardan (her noktada) daha fazla sayıda bulunur, bu nedenle sinyal geçtiğinde resim kalitesi biraz düşer. Bu nedenle, CCD matrisleri, örneğin tıbbi, araştırma ve endüstriyel amaçlar için yüksek derecede ayrıntılı görüntüler oluşturmak için kullanılır. Ancak CMOS teknolojileri çoğunlukla ev aletlerinde kullanılır: web kameraları, akıllı telefonlar, tabletler, dizüstü bilgisayarlar vb.

Hangi tipin daha iyi olduğunu belirleyen bir sonraki parametre - CCD veya CMOS - fotodiyotların yoğunluğudur. Ne kadar yüksek olursa, sırasıyla o kadar az foton "israf edilir", görüntü daha iyi olacaktır. Bu parametrede, CCD matrisleri rakiplerinden daha iyi performans gösterir, çünkü bu tür boşluklara sahip olmayan bir düzen sunarken, CMOS'ta bunlara sahiptir (transistörler içlerinde bulunur).

Bununla birlikte, kullanıcı bir seçimle karşı karşıya kaldığında: hangisini - CMOS veya CCD - satın alacağını, ana parametre - cihazın fiyatı - ortaya çıkar. CCD teknolojisi, rakiplerinden önemli ölçüde daha pahalıdır ve daha fazla enerji yoğundur. Bu nedenle, ortalama kalitede görüntünün yeterli olduğu yerlerde bunları kurmak pratik değildir.

CCD ve CMOS sensörleri son birkaç yıldır sürekli rekabet halindedir. Bu yazıda, bu teknolojilerin avantajlarını ve dezavantajlarını ele almaya çalışacağız.

CCD("şarj bağlantılı cihaz"ın kısaltması) veya CCD matrisi(İngilizce'den kısaltılmıştır. CCD, "Charge-Coupled Device") - CCD teknolojisi kullanılarak silikon bazında yapılan ışığa duyarlı fotodiyotlardan oluşan özel bir analog entegre devre - şarj bağlantılı cihazlar.

Bir CCD sensöründe, bir sensör pikseline gelen ışık (yük), mikro devreden bir çıkış düğümü veya sadece birkaç çıkış düğümü aracılığıyla iletilir. Yükler voltaj seviyelerine dönüştürülür, toplanır ve analog sinyal olarak gönderilir. Bu sinyal daha sonra toplanır ve sensörün dışındaki bir analogdan dijitale dönüştürücü tarafından sayılara dönüştürülür.

CMOS (metal oksit yarı iletken transistörlerde tamamlayıcı mantık;
KMDP; İngilizce CMOS, Tamamlayıcı simetri / metal oksit yarı iletken), elektronik devreler oluşturmak için bir teknolojidir.

İlk günlerde, görüntüleme için geleneksel CMOS yongaları kullanılıyordu, ancak CMOS öğelerinin düşük ışık hassasiyeti nedeniyle resim kalitesi düşüktü. Modern CMOS sensörleri, son yıllarda görüntü kalitesinde ve ışık hassasiyetinde hızlı bir artışa yol açan daha özel bir teknoloji kullanılarak üretilmektedir.

CMOS çiplerinin bir takım avantajları vardır. CCD sensörlerinden farklı olarak CMOS sensörleri, amplifikatörler ve analogdan dijitale dönüştürücüler içerir, bu da nihai ürünün maliyetini önemli ölçüde azaltır, çünkü zaten görüntüyü elde etmek için gerekli tüm öğeleri içerir. Her CMOS pikseli elektronik dönüştürücüler içerir. CMOS sensörleri daha fazla işlevselliğe ve daha geniş entegrasyon yeteneklerine sahiptir.

Kullanırken en büyük sorunlardan biri CMOS matrisleri video kameraların görüntü kalitesi vardı. CCD matrisleri sağladılar ve şimdi daha düşük bir gürültü seviyesi sağlıyorlar. Sonuç olarak CMOS çipleri düşük ışıkta son derece kötü davrandı CCD çipleri... Ve düşük ışık, çekimdeki ana zorluklardan biri olduğu için, kullanım için büyük bir engeldi. CMOS matrisleri... Bununla birlikte, CMOS geliştirmesinin yıllar boyunca biriktirdiği üretim deneyimi, bu sensörlerin her yeni nesli ile görüntü kalitesini etkileyen sabit ve rastgele gürültünün önemli ölçüde azaltılmasını mümkün kılmıştır.

Başka bir zayıf nokta CMOS- zayıf sensör hassasiyeti nedeniyle dinamik bir görüntü yakalarken ortaya çıkan bozulmalar. Araba görüntüleri, farlar, güneş gibi çok parlak öğeler veya plakalar gibi çok karanlık alanlar içerebilir. Bu nedenle, büyük kontrast düşüşleri olan sahneleri işlemek için geniş bir dinamik aralık gerekir. CCD sensörü iyi bir dinamik aralığa sahiptir, ancak bireysel piksellere CMOS erişimi, daha iyi bir dinamik aralık elde etmek için size çok daha fazla alan sağlar. Ayrıca, CCD'leri kullanırken, sahnedeki parlak noktalar resimde dikey çizgiler oluşturabilir ve solma ve bulanıklık nedeniyle plaka tanımayı engelleyebilir.

CCD'lerin daha yüksek bir duyarlılık özelliğine sahip olmasına rağmen, kullanımlarını sınırlayan ana faktör, şarj okuma hızının düşük olması ve bunun sonucunda yüksek hızda görüntüleme sağlayamamasıdır. Matris çözünürlüğü ne kadar yüksek olursa, görüntüleme hızı o kadar yavaş olur. Buna karşılık, ışığa duyarlı bir elemanı ve bir işleme mikro devresini birleştiren CMOS teknolojisi, 3 megapiksel sensörler için bile yüksek bir kare hızı elde edilmesini sağlar.

Ancak, video gözetim sistemlerinde IP kameralar için megapiksel CMOS sensörlerinin kullanılması, veri akışının verimli bir şekilde sıkıştırılmasını gerektirir. Bugün IP CCTV'deki en yaygın sıkıştırma algoritmaları M-JPEG, MPEG4 ve H.264'tür. İlki genellikle matris üreticisinin kendisi tarafından doğrudan CMOS sensörüne uygulanır. MPEG4 ve H.264 algoritmaları daha verimlidir ancak güçlü bir işlemci gerektirir. 2 megapikselden fazla çözünürlüğe sahip gerçek zamanlı bir akış oluşturmak için CMOS IP kameralar, ek hesaplamalar sağlayan yardımcı işlemciler kullanır.

Şu anda, CMOS sensörlerine dayalı IP kameralar, öncelikle IP video gözetiminin liderlerinden gelen teknoloji desteği nedeniyle giderek daha popüler hale geliyor. Üstelik maliyetleri CCD'deki benzer kameralardan daha yüksektir. Bu, cihazın analog ve dijital parçalarını birleştiren CMOS teknolojisinin daha ucuz kameralar oluşturmanıza izin vermesine rağmen. Durum öyle ki, bugün bir IP kameranın maliyeti, yetenekleri ve özellikleri ile belirleniyor. Ana şey matrisin türü değil, kamera işlemcisi tarafından uygulanan yazılımdır.

CCD matrislerinin avantajları:

• Düşük gürültü seviyesi.
• Yüksek piksel doldurma faktörü (yaklaşık %100).
• Yüksek verimlilik (kayıtlı fotonların sayısının, matrisin ışığa duyarlı alanına isabet eden toplam sayılarına oranı, bir CCD için -% 95).
• Yüksek dinamik aralık (hassasiyet).
• İyi IR hassasiyeti.

CCD matrislerinin dezavantajları:

• Sinyali okumanın karmaşık prensibi ve dolayısıyla teknoloji.
• Yüksek düzeyde güç tüketimi (2-5W'a kadar).
• Üretimi daha pahalı.

CMOS matrislerinin avantajları:

• Yüksek performans (500 kare/sn'ye kadar).
• Düşük güç tüketimi (CCD'ye kıyasla neredeyse 100 kat).
• Daha ucuz ve üretimi daha kolay.
• Teknolojinin beklentileri (aynı kristal üzerinde, prensipte, gerekli tüm ek devreleri uygulamak için hiçbir maliyeti yoktur: analogdan dijitale dönüştürücüler, işlemci, bellek, böylece tek bir kristal üzerinde eksiksiz bir dijital kamera elde etme).

CMOS matrislerinin dezavantajları:

• Hassasiyeti azaltan düşük piksel doldurma faktörü (etkili piksel yüzeyi ~ %75, gerisi transistörler tarafından işgal edilir).
• Yüksek gürültü seviyesi (sözde tempo akımlarından kaynaklanmaktadır - aydınlatma olmasa bile, fotodiyottan oldukça önemli bir akım akar), mücadele teknolojinin maliyetini karmaşıklaştırır ve arttırır.
• Düşük dinamik aralık.

Her teknoloji gibi, CMOS ve CCD teknolojilerinin de bu makalede ele almaya çalıştığımız avantaj ve dezavantajları vardır. Her iki teknoloji de VeSta kameralar için sensör üretiminde kullanılmaktadır. Hem dijital hem de analog VeSta kameralar, CMOS ve CCD sensörleri temelinde üretilir. VeSta analog kameralar temel olarak CCD sensörleri temelinde üretilir. CMOS sensörlerine dayalı VeSta analog kameralar, örneğin VC-200c gibi bir “C” sembolü ile işaretlenmiştir. VeSta IP kameraları esas olarak CMOS sensörlerini kullanır, ancak CCD matrislerine dayalı kameralar da vardır, örneğin, 928 * 576 (960H) çözünürlüğe kadar video görüntüleri üretebilen bir CCD sensörü temelinde oluşturulan VC-6304 IR ). VeSta kameraları seçerken bu teknolojilerin tüm artılarını ve eksilerini göz önünde bulundurmak, ışık hassasiyeti, geniş dinamik aralık, güç tüketimi, gürültü seviyesi, kameranın maliyeti gibi parametrelere dikkat etmek gerekiyor.

Matris, kameranın ana yapısal unsurudur ve kullanıcı tarafından kamera seçerken dikkate alınan temel parametrelerden biridir. Modern dijital kameraların matrisleri çeşitli işaretlere göre sınıflandırılabilir, ancak ana ve en yaygın olanı matrislerin bile bölünmesidir. şarj algılama yöntemi, üzerinde: matrisler bilgi yazın ve CMOS matrisler. Bu yazıda, modern fotoğraf ve video ekipmanlarında yaygın olarak kullanıldığı için bu iki matris türünün avantaj ve dezavantajlarının yanı sıra çalışma prensiplerini ele alacağız.

CCD matrisi

matris bilgi olarak da adlandırılır CCD(Şarj Bağlantısı Olan Cihazlar). CCD matris, yarı iletken bir silikon kristali üzerinde bulunan dikdörtgen bir ışığa duyarlı elementler (fotodiyotlar) plakasıdır. Eyleminin prensibi, silisyum atomlarında fotonların oluşturduğu boşluklarda biriken yüklerin satır satır hareketine dayanır. Yani, bir fotodiyot ile çarpışırken, bir ışık fotonu emilir ve bir elektron serbest bırakılır (iç fotoelektrik etki meydana gelir). Sonuç olarak, daha sonraki işlemler için bir şekilde depolanması gereken bir yük oluşur. Bu amaçla, üzerine şeffaf bir polikristal silikon elektrotun yerleştirildiği matrisin silikon substratına bir yarı iletken gömülür. Ve yarı iletken altındaki tükenme bölgesinde belirli bir elektrota bir elektrik potansiyeli uygulanmasının bir sonucu olarak, fotonlardan alınan yükün depolandığı potansiyel kuyusu oluşur. Elektrik yükü matristen okunduğunda, yükler (potansiyel kuyularda depolanır) transfer elektrotları boyunca matrisin kenarına (seri kaydırma yazmacı) ve sinyali yükselten ve analoga ileten amplifikatöre doğru aktarılır. - dönüştürülen sinyalin işlemciye gönderildiği, sinyali işleyen ve elde edilen görüntüyü hafıza kartına kaydeden dijitale dönüştürücü (ADC) .

CCD'lerin üretimi için polisilikon fotodiyotlar kullanılır. Bu tür matrislerin boyutu küçüktür ve normal aydınlatma koşullarında çekim yaparken yüksek kaliteli fotoğraflar elde etmenizi sağlar.

CCD'lerin Avantajları:

1. Matrisin tasarımı, alt tabaka üzerine yüksek yoğunlukta fotosel (piksel) yerleştirme sağlar;
2. Yüksek verimlilik (kayıtlı fotonların toplam sayılarına oranı yaklaşık %95'tir);
3. Yüksek hassasiyet;
4. İyi renksel geriverim (yeterli aydınlatma ile).

CCD'lerin dezavantajları:

1. Yüksek ISO'da yüksek gürültü seviyesi (düşük ISO'da, gürültü seviyesi orta düzeydedir);
2. CMOS matrislerine kıyasla düşük çalışma hızı;
3. Yüksek güç tüketimi;
4. Birçok kontrol mikro devresine ihtiyaç duyulduğundan, sinyali okumak için daha karmaşık teknoloji;
5. Üretim, CMOS matrislerinden daha pahalıdır.

CMOS matrisi

Matris CMOS, veya CMOS sensörü(Tamamlayıcı Metal Oksit Yarı İletkenler) aktif nokta sensörlerini kullanır. CCD'lerin aksine, CMOS'lar her ışığa duyarlı elemanda (piksel) ayrı bir transistör içerir, bunun sonucunda şarj dönüşümü doğrudan pikselde gerçekleştirilir. Ortaya çıkan yük, her pikselden ayrı ayrı okunabilir, bu nedenle (CCD'lerde olduğu gibi) yük aktarımına gerek yoktur. Piksel CMOS sensörü, doğrudan bir A / D dönüştürücü veya hatta bir işlemci ile entegre olur. Bu akıllı teknolojinin sonucu, CCD'lere kıyasla daha kısa işlem zincirleri nedeniyle enerji tasarrufu ve daha basit bir tasarım nedeniyle cihazın daha düşük maliyetidir.

CMOS sensörünün kısa bir çalışma prensibi: 1) Çekimden önce sıfırlama transistörüne bir sıfırlama sinyali gönderilir. 2) Pozlama sırasında ışık lensten geçer ve fotodiyot üzerine süzülür ve fotosentez sonucunda potansiyel kuyusunda bir yük birikir. 3) Alınan voltajın değeri okunur. 4) Veri işleme ve görüntü kaydetme.

CMOS Dizilerinin Avantajları:

1. Düşük güç tüketimi (özellikle bekleme modlarında);
2. Yüksek performans;
3. Teknolojinin mikro devre üretimi ile benzerliği nedeniyle daha az üretim maliyeti gerektirir;
4. Analog, dijital ve işleme parçalarının tek bir kristal üzerinde birleştirilmesine izin veren diğer dijital öğelerle teknolojinin birliği (yani, bir pikselde ışığı yakalamaya ek olarak, sinyali gürültüden dönüştürebilir, işleyebilir ve temizleyebilirsiniz).
5. Yakalanan görüntünün boyutunu azaltabilen ve okuma hızını artırabilen her piksele veya piksel grubuna rastgele erişme yeteneği.

CMOS sensörlerinin dezavantajları:

1. Bir fotodiyot küçük bir piksel alanını kaplar, sonuç olarak matrisin düşük ışık hassasiyeti elde edilir, ancak modern CMOS matrislerinde bu eksi pratik olarak elimine edilir;
2. Okuma sırasında pikselin içindeki ısıtma transistörlerinden kaynaklanan termal gürültü.
3. Nispeten büyük boyutlar, bu tip matrisli flor ekipmanı, büyük ağırlığı ve boyutları ile ayırt edilir.

Yukarıda bahsedilen türlere ek olarak, her katmanı bir CCD olan üç katmanlı matrisler de vardır. Aradaki fark, hücrelerin, bir ışık huzmesi çarptığında dikroid prizmaların oluşturduğu üç rengi aynı anda algılayabilmeleridir. Daha sonra her ışın ayrı bir matrise yönlendirilir. Sonuç olarak mavi, kırmızı ve yeşil renklerin parlaklığı fotosel üzerinde anında algılanır. Özel bir atamaya sahip yüksek seviyeli video kameralarda üç katmanlı matrisler kullanılır - 3CCD.

Özetle, CCD ve CMOS matrislerinin üretimi için teknolojilerin gelişmesiyle birlikte özelliklerinin de değiştiğini, bu nedenle matrislerden hangisinin kesinlikle daha iyi olduğunu söylemenin giderek daha zor olduğunu belirtmek isterim, ancak aynı zamanda , CMOS matrisleri, SLR kameraların üretiminde giderek daha popüler hale geliyor. Çeşitli matris türlerinin karakteristik özelliklerine dayanarak, yüksek kaliteli çekim sağlayan profesyonel fotoğraf ekipmanının neden oldukça hantal ve ağır olduğu konusunda net bir fikir edinebilirsiniz. Bir kamera seçerken bu bilgiler hatırlanmalıdır - yani piksel sayısını değil matrisin fiziksel boyutlarını dikkate alın.