Что же лучше: CCD или CMOS? Критерии выбора. Типы матриц фотоаппаратов

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.

Сенсоры CCD и CMOS последние несколько лет находятся в состоянии непрерывного соперничества. В данной статье мы постараемся рассмотреть преимущества и недостатки данных технологий. ПЗС-матрица (сокр. от «прибор с зарядовой связью») или CCD-матрица (сокр. от англ. CCD, «Charge-Coupled Device») - специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС - приборов с зарядовой связью. 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. КМОП (комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник; КМДП; англ. CMOS, Complementary-symmetry/metal-oxide semiconductor) - технология построения электронных схем. 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. CMOS-сенсоры обладают большим функционалом и более широкими возможностями интеграции. Одной из основных проблем при использовании CMOS-матриц в видеокамерах было качество изображения. CCD-матрицы обеспечивали и обеспечивают сейчас более низкий шумовой уровень. В результате CMOS-чипы чрезвычайно плохо вели себя при низкой освещенности, по сравнению с CCD-чипами. И поскольку низкая освещенность - одна из основных трудностей при видеосъемке, это было главным барьером для использования CMOS-матриц. Однако, 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. Изображения автомобилей могут содержать очень яркие элементы, такие как фары, солнце, а также очень темные участки, например, на номерных знаках. По этой причине для обработки сцен с большими контрастными перепадами необходим широкий динамический диапазон. ПЗС-сенсор обладает хорошими параметрами динамического диапазона, однако предусмотренный в КМОП доступ к отдельным пикселям, дает куда больше возможностей для получения лучшего динамического диапазона. Также при использовании CCD-матриц яркие пятна сцены могут создавать вертикальные линии на картинке и мешать распознаванию номерного знака из-за выцветания и смазывания. Несмотря на то что CCD-матрицы имеют более высокую характеристику чувствительности, основным фактором, ограничивающим их применение, является низкая скорость считывания заряда и, как следствие, невозможность обеспечения высокой скорости формирования изображения. Чем выше разрешение матрицы, тем ниже скорость формирования изображения. В свою очередь, технология CMOS, объединяющая светочувствительный элемент и микросхему обработки, позволяет получать высокую скорость формирования кадра даже для 3 Мп сенсоров. Однако использование мегапиксельных CMOS-сенсоров для IP-камер систем видеонаблюдения требует эффективного сжатия потока данных. Наиболее распространенными алгоритмами компрессии в IP CCTV в настоящее время являются M-JPEG, MPEG4 и H.264. Первый нередко реализуется непосредственно на CMOS-сенсоре самим производителем матрицы. Алгоритмы MPEG4 и H.264 – более эффективные, но требуют мощного процессора. Для формирования потока реального времени с разрешением более 2 мегапикселей в CMOS IP-камерах используются сопроцессоры, обеспечивающие дополнительные вычисления. В настоящее время IP-камеры на основе CMOS-сенсоров становятся все популярнее в первую очередь благодаря поддержке технологии со стороны лидеров IP видеонаблюдения. При этом их стоимость выше, чем аналогичных камер на CCD. И это несмотря на то, что технология CMOS, объединяющая аналоговую и цифровую части устройства, позволяет создавать более дешевые камеры. Ситуация такова, что сегодня стоимость IP-камеры определяется ее возможностями и характеристиками. Принципиальным является не тип матрицы, а программное обеспечение, реализуемое процессором камеры.

Преимущества CCD матриц: 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), хорошая чувствительность в IR-диапазоне.

Недостатки CCD матриц: 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, 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).

Недостатки CMOS матриц: 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.

Как и любая технология, технологии CMOS и CCD обладают преимуществами и недостатками, которые мы постарались рассмотреть в данной статье. При выборе камер необходимо учитывать все плюсы и минусы данных технологий, обращая внимание на такие параметры как светочувствительность, широкий динамический диапазон, энергопотребление, уровень шума, стоимость камеры.

КМОП-матрица

В КМОП-матрицах используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости.

Эквивалентная схема ячейки КМОП-матрицы: 1 - светочувствительный элемент (фотодиод); 2 - затвор; 3 - конденсатор, сохраняющий заряд с диода; 4 - усилитель; 5 - шина выбора строки; 6 - вертикальная шина, передающая сигнал процессору; 7 - сигнал сброса.

История

В конце 1960-х гг. многие исследователи отмечали, что структуры КМОП (CMOS) обладают чувствительностью к свету. Однако приборы с зарядовой связью обеспечивали настолько более высокую светочувствительность и качество изображения, что матрицы на технологии КМОП не получили сколько-нибудь заметного развития.

В начале 1990-х характеристики КМОП-матриц, а также технология производства были значительно улучшены. Прогресс в субмикронной фотолитографии позволил применять в КМОП-сенсорах более тонкие соединения. Это привело к увеличению светочувствительности за счёт большего процента облучаемой площади матрицы.

Переворот в технологии КМОП-сенсоров произошёл, когда в лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory - JPL) NASA успешно реализовали Active Pixel Sensors (APS) - активно-пиксельные датчики . Теоретические исследования были выполнены ещё несколько десятков лет тому назад, но практическое использование активного сенсора отодвинулось до 1993 года. APS добавляет к каждому пикселю транзисторный усилитель для считывания, что даёт возможность преобразовывать заряд в напряжение прямо в пикселе. Это обеспечило также произвольный доступ к фотодетекторам наподобие реализованного в микросхемах ОЗУ.

В результате к 2008 году КМОП стали практически альтернативой ПЗС.

В году на форуме MWC в Барселоне компания Samsung продемонстрировала КМОП-сенсоры нового типа, которые ориентированы на применение в смартфонах.

Принцип работы

• До съёмки подаётся сигнал сброса
• В процессе экспозиции происходит накопление заряда фотодиодом
• В процессе считывания происходит выборка значения напряжения на конденсаторе

Преимущества

• Основное преимущество технологии КМОП - низкое энергопотребление в статическом состоянии. Это позволяет применять такие матрицы в составе энергонезависимых устройств, например, в датчиках движения и системах наблюдения, находящихся большую часть времени в режиме «сна» или «ожидания события».
• Важным преимуществом матрицы КМОП является единство технологии с остальными, цифровыми элементами аппаратуры. Это приводит к возможности объединения на одном кристалле аналоговой, цифровой и обрабатывающей части (КМОП-технология, являясь в первую очередь процессорной технологией, подразумевает не только «захват» света, но и процесс преобразования, обработки, очистки сигналов не только собственно-захваченных, но и сторонних компонентов РЭА), что послужило основой для миниатюризации камер для самого разного оборудования и снижения их стоимости ввиду отказа от дополнительных процессорных микросхем.
• С помощью механизма произвольного доступа можно выполнять считывание выбранных групп пикселов. Данная операция получила название кадрированного считывания (англ. windowing readout ). Кадрирование позволяет уменьшить размер захваченного изображения и потенциально увеличить скорость считывания по сравнению с ПЗС-сенсорами, поскольку в последних для дальнейшей обработки необходимо выгрузить всю информацию. Появляется возможность применять одну и ту же матрицу в принципиально различных режимах. В частности, быстро считывая только малую часть пикселей, можно обеспечить качественный режим живого просмотра изображения на встроенном в аппарат экране с относительно малым числом пикселей. Можно отсканировать только часть кадра и применить её для отображения на весь экран. Тем самым получить возможность качественной ручной фокусировки. Есть возможность вести репортажную скоростную съёмку с меньшим размером кадра и разрешением.
• В дополнение к усилителю внутри пикселя, усилительные схемы могут быть размещены в любом месте по цепи прохождения сигнала. Это позволяет создавать усилительные каскады и повышать чувствительность в условиях плохого освещения. Возможность изменения коэффициента усиления для каждого цвета улучшает, в частности, балансировку белого .
• Дешевизна производства в сравнении с ПЗС-матрицами, особенно при больших размерах матриц.

Недостатки

• Фотодиод ячейки занимает существенно меньшую площадь элемента матрицы, по сравнению с ПЗС-матрицей с полнокадровым переносом . Поэтому ранние матрицы КМОП имели существенно более низкую светочувствительность, чем ПЗС. Но в 2007 году компания Sony выпустила на рынок новую линейку видео- и фотокамер с КМОП-матрицами нового поколения с технологией Exmor , которая ранее применялась только для КМОП-матриц в специфических оптических устройствах таких как электронные телескопы . В этих матрицах электронная «обвязка» пикселя, препятствующая попаданию фотонов на светочуствительный элемент, была перемещена из верхнего в нижний слой матрицы, что позволило увеличить как физический размер пикселя при тех же геометрических размерах матрицы, так и доступность элементов свету, что, соответственно, увеличило светочувствительность каждого пикселя и матрицы в целом. Матрицы КМОП впервые сравнились с ПЗС-матрицами по светочувствительности, но оказались более энергосберегающими и лишёнными главного недостатка ПЗС-технологии - «боязни» точечного света. В 2009 году компания Sony улучшила КМОП-матрицы с технологией EXMOR, применив к ним технологию «Backlight illumination» («освещение с задней стороны»). Идея технологии проста и полностью соответствует названию.
• Фотодиод ячейки матрицы имеет сравнительно малый размер, величина же получаемого выходного напряжения зависит не только от параметров самого фотодиода, но и от свойств каждого элемента пикселя. Таким образом, у каждого пикселя матрицы оказывается своя собственная характеристическая кривая , и возникает проблема разброса

КМОП-матрица - светочувствительная матрица , выполненная на основе КМОП-технологии .

КМОП-матрица

В КМОП-матрицах используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости.

Эквивалентная схема ячейки КМОП-матрицы: 1 - светчувствительный элемент (диод); 2 - затвор; 3 - конденсатор, сохраняющий заряд с диода; 4 - усилитель; 5 - шина выбора строки; 6 - вертикальная шина, передающая сигнал процессору; 7 - сигнал сброса.

1 История 2 Принцип работы 3 Преимущества 4 Недостатки

История

Точная дата рождения КМОП-матрицы неизвестна. В конце 1960-х гг. многие исследователи отмечали, что структуры КМОП (CMOS) обладают чувствительностью к свету. Однако приборы с зарядовой связью обеспечивали настолько более высокую светочувствительность и качество изображения, что матрицы на КМОП технологии не получили сколько-нибудь заметного развития.

В начале 90-х характеристики КМОП-матриц, а также технология производства были значительно улучшены. Прогресс в субмикронной фотолитографии позволил применять в КМОП-сенсорах более тонкие соединения. Это привело к увеличению светочувствительности за счет большего процента облучаемой площади матрицы.

Переворот в технологии КМОП-сенсоров произошел, когда в лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory - JPL) NASA успешно реализовали Active Pixel Sensors (APS). Теоретические исследования были выполнены еще несколько десятков лет тому назад, но практическое использование активного сенсора отодвинулось до 1993 года . APS добавляет к каждому пикселу транзисторный усилитель для считывания, что даёт возможность преобразовывать заряд в напряжение прямо в пикселе. Это обеспечило также произвольный доступ к фотодетекторам наподобие реализованного в микросхемах ОЗУ.

В результате к 2008 году КМОП стали практически альтернативой ПЗС.

Принцип работы

До съёмки подаётся сигнал сброса

В процессе экспозиции происходит накопление заряда фотодиодом

В процессе считывания происходит выборка значения напряжения на конденсаторе

Преимущества

Основное преимущество КМОП технологии - низкое энергопотребление в статическом состоянии. Это позволяет применять такие матрицы в составе энергонезависимых устройств, например, в датчиках движения и системах наблюдения, находящихся большую часть времени в режиме «сна» или «ожидания события».

Важным преимуществом КМОП матрицы является единство технологии с остальными, цифровыми элементами аппаратуры. Это приводит к возможности объединения на одном кристалле аналоговой и цифровой части, что послужило основой для создания миниатюрных встраиваемых камер для самого разного оборудования и снижения их стоимости.

С помощью механизма произвольного доступа можно выполнять считывание выбранных групп пикселов. Данная операция получила название кадрированного считывания (англ. windowing readout ). Кадрирование позволяет уменьшить размер захваченного изображения и потенциально увеличить скорость считывания по сравнению с ПЗС-сенсорами, поскольку в последних для дальнейшей обработки необходимо выгрузить всю информацию. Появляется возможность применять одну и ту же матрицу в принципиально различных режимах. В частности, быстро считывая только малую часть пикселей, можно обеспечить качественный режим живого просмотра изображения на встроенном в аппарат экране с относительно малым числом пикселей. Можно отсканировать только часть кадра и применить её для отображения на весь экран. Тем самым получить возможность качественной ручной фокусировки. Есть возможность вести репортажную скоростную съёмку с меньшим размером кадра и разрешением.

В дополнение к усилителю внутри пиксела, усилительные схемы могут быть размещены в любом месте по цепи прохождения сигнала. Это позволяет создавать усилительные каскады и повышать чувствительность в условиях плохого освещения. Возможность изменения коэффициента усиления для каждого цвета улучшает, в частности, балансировку белого

Недостатки

Фотодиод ячейки занимает существенно меньшую площадь элемента матрицы, по сравнению с ПЗС матрицей с полнокадровым переносом . Поэтому ранние матрицы КМОП имели существенно более низкую светочувствительность, чем ПЗС.

Фотодиод ячейки матрицы имеет сравнительно малый размер, величина же получаемого выходного напряжения зависит не только от параметров самого фотодиода, но и от свойств каждого элемента пикселя. Таким образом, у каждого пикселя матрицы оказывается своя собственная характеристическая кривая , и возникает проблема разброса светочувствительности и коэффициента контраста пикселей матрицы. В результате чего первые произведённые КМОП-матрицы имели сравнительно низкое разрешение и высокий уровень так называемого «структурного шума» (англ. pattern noise ).

Наличие на матрице большого по сравнению с фотодиодом объёма электронных элементов создаёт дополнительный нагрев устройства в процессе считывания и приводит к возрастанию теплового шума.

Сенсор изображения является важнейшим элементом любой видеокамеры. Сегодня практически во всех камерах используются датчики изображения CCD или CMOS. Оба типа датчика выполняют задачу преобразования изображения, построенного на сенсоре объективом, в электрический сигнал. Однако вопрос, какой датчик лучше, до сих пор остается открытым

Н.И. Чура
Технический консультант
ООО "Микровидео Группа"

CCD является аналоговым датчиком, несмотря на дискретность светочувствительной структуры. Когда свет попадает на матрицу, в каждом пикселе накапливается заряд или пакет электронов, преобразуемый при считывании на нагрузке в напряжение видеосигнала, пропорциональное освещенности пикселей. Минимальное количество промежуточных переходов этого заряда и отсутствие активных устройств обеспечивают высокую идентичность чувствительных элементов CCD.

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

Эволюция CCD

С момента изобретения CCD лабораторией Белла (Bell Laboratories, или Bell Labs) в 1969 г. размеры сенсора изображения непрерывно уменьшались. Одновременно увеличивалось число чувствительных элементов. Это естественно вело к уменьшению размеров единичного чувствительного элемента (пикселя), а соответственно и его чувствительности. Например, с 1987 г. эти размеры сократились в 100 раз. Но благодаря новым технологиям чувствительность одного элемента (а следовательно, и всей матрицы) даже увеличилась.

Что позволило доминировать
С самого начала CCD стали доминирующими сенсорами, поскольку обеспечивали лучшее качество изображения, меньший шум, более высокую чувствительность и большую равномерность параметров пикселей. Основные усилия по совершенствованию технологии были направлены на улучшение характеристик CCD.

Как растет чувствительность
По сравнению с популярной матрицей Sony HAD стандартного разрешения (500х582) конца 1990-х гг. (ICX055) чувствительность моделей более совершенной технологии Super HAD выросла почти в 3 раза (ICX405) и Ex-view HAD – в 4 раза (ICX255). Причем для черно-белого и цветного варианта.

Для матриц высокого разрешения (752х582) успехи несколько менее впечатляющие, но если сопоставлять модели цветного изображения Super HAD с самыми современными технологиями Ex-view HAD II и Super HAD II, то рост чувствительности составит в 2,5 и 2,4 раза соответственно. И это несмотря на уменьшение размеров пикселя почти на 30%, поскольку речь идет о матрицах самого современного формата 960H с увеличенным количеством пикселей до 976х582 для стандарта PAL. Для обработки такого сигнала Sony предлагает ряд сигнальных процессоров Effio.

Добавилась ИК-составляющая
Одним из эффективных методов роста интегральной чувствительности является расширение спектральных характеристик чувствительности в область инфракрасного диапазона. Это особенно характерно для матрицы Ex-view. Добавление ИК-составляющей несколько искажает передачу относительной яркости цветов, но для черно-белого варианта это не критично. Единственная проблема возникает с цветопередачей в камерах "день/ночь" с постоянной ИК-чувствительностью, то есть без механического ИК-фильтра.

Развитие этой технологии в моделях Ex-view HAD II (ICX658AKA) в сравнении с предыдущим вариантом (ICX258AK) обеспечивает рост интегральной чувствительности всего на 0,8 дБ (с 1100 до 1200 мВ) с одновременным увеличением чувствительности на длине волны 950 нм на 4,5 дБ. На рис. 1 приведены характеристики спектральной чувствительности этих матриц, а на рис. 2 – отношение их интегральной чувствительности.

Оптические инновации
Другим методом роста чувствительности CCD являются увеличение эффективности пиксельных микролинз, светочувствительной области и оптимизация цветовых фильтров. На рис. 3 представлено устройство матриц Super HAD и Super HAD II, показывающее увеличение площади линзы и светочувствительной области последней модификации.

Дополнительно в матрицах Super HAD II значительно увеличено пропускание светофильтров и их устойчивость к выцветанию. Кроме того, расширено пропускание в коротковолновой области спектра (голубой), что улучшило цветопередачу и баланс белого.

На рис. 4 представлены спектральные характеристики чувствительности матриц Sony 1/3" Super HAD (ICX229AK) и Super HAD II (ICX649AKA).

CCD: уникальная чувствительность

В совокупности перечисленных мер удалось добиться значительных результатов по улучшению характеристик CCD.

Сравнить характеристики современных моделей с более ранними вариантами не представляется возможным, поскольку тогда не производились цветные матрицы широкого применения даже типового высокого разрешения. В свою очередь, сейчас не производятся черно-белые матрицы стандартного разрешения по новейшим технологиям Ex-view HAD II и Super HAD II.

В любом случае по чувствительности CCD до сих пор являются пока недостижимым ориентиром для CMOS, поэтому они все еще широко используются за исключением мегапиксельных вариантов, которые очень дорого стоят и применяются в основном для специальных задач.

CMOS: достоинства и недостатки

Сенсоры CMOS были изобретены в конце 1970-х гг., но их производство удалось начать только в 1990-е по причине технологических проблем. И сразу наметились их основные достоинства и недостатки, которые и сейчас остаются актуальными.

К достоинствам можно отнести большую интеграцию и экономичность сенсора, более широкий динамический диапазон, простоту производства и меньшую стоимость, особенно мегапиксельных вариантов.

С другой стороны, CMOS-сенсоры обладают меньшей чувствительностью, обусловленной, при прочих равных условиях, большими потерями в фильтрах структуры RGB, меньшей полезной площадью светочувствительного элемента. В результате множества переходных элементов, включая усилители в тракте каждого пикселя, обеспечить равномерность параметров всех чувствительных элементов значительно сложнее в сравнении с CCD. Но совершенствование технологий позволило приблизить чувствительность CMOS к лучшим образцам CCD, особенно в мегапиксельных вариантах.

Ранние сторонники CMOS утверждали, что эти структуры будут гораздо дешевле, потому что могут быть произведены на том же оборудовании и по тем же технологиям, что и микросхемы памяти и логики. Во многом данное предположение подтвердилось, но не полностью, поскольку совершенствование технологии привело к практически идентичному по сложности производственному процессу, как и для CCD.

С расширением круга потребителей за рамки стандартного телевидения разрешение матриц стало непрерывно расти. Это бытовые видеокамеры, электронные фотоаппараты и камеры, встроенные в средства коммуникации. Кстати, для мобильных устройств вопрос экономичности довольно важный, и здесь у CMOS-сенсора нет конкурентов. Например, с середины 1990-х гг. разрешение матриц ежегодно вырастало на 1–2 млн элементов и теперь достигает 10–12 Мпкс. Причем спрос на CMOS-сенсоры стал доминирующим и сегодня превышает 100 млн единиц.

CMOS: улучшение чувствительности

Первые образцы камер наблюдения конца 1990-х – начала 2000-х с CMOS-матрицами имели разрешение 352х288 пкс и чувствительность даже для черно-белого варианта около 1 лк. Цветные варианты уже стандартного разрешения отличались чувствительностью около 7–10 лк.

Что предлагают поставщики
В настоящее время чувствительность CMOS-матриц, безусловно, выросла, но не превышает для типовых вариантов цветного изображения величины порядка нескольких люксов при разумных величинах F числа объектива (1,2– 1,4). Это подтверждают данные технических характеристик брендов IP-видеонаблюдения, в которых применяются CMOS-матрицы с прогрессивной разверткой. Те производители, которые заявляют чувствительность около десятых долей люкса, обычно уточняют, что это данные для меньшей частоты кадров, режима накопления или по крайней мере включенной и достаточно глубокой АРУ (AGC). Причем у некоторых производителей IP-камер максимальная АРУ достигает умопомрачительной величины –120 дБ (1 млн раз). Можно надеяться, что чувствительность для этого случая в представлении производителей предполагает пристойное отношение "сигнал/шум", позволяющее наблюдать не один только "снег" на экране.

Инновации улучшают качество видео
В стремлении улучшить характеристики CMOS-матриц компания Sony предложила ряд новых технологий, обеспечивающих практическое сравнение CMOS-матриц с CCD по чувствительности, отношению "сигнал/шум" в мегапиксельных вариантах.

Новая технология производства матриц Exmor основана на изменении направления падения светового потока на матрицу. В типовой архитектуре свет падает на фронтальную поверхность кремниевой пластины через и мимо проводников схемы матрицы. Свет рассеивается и перекрывается этими элементами. В новой модификации свет поступает на тыльную сторону кремниевой пластины. Это привело к существенному росту чувствительности и снижению шума CMOS-матрицы. На рис. 5 поясняется различие структур типовой матрицы и матрицы Exmor, показанных в разрезе.

На фото 1 приведены изображения тестового объекта, полученные при освещенности 100 лк (F4.0 и 1/30 с) камерой с CCD (фронтальное освещение) и CMOS Exmor, имеющих одинаковый формат и разрешение 10 Мпкс. Очевидно, что изображение камеры с CMOS по крайней мере не хуже изображения с CCD.

Другим способом улучшения чувствительности CMOS-сенсоров является отказ от прямоугольного расположения пикселей с построчным сдвигом красного и синего элементов. При этом в построении одного элемента разрешения используются по два зеленых пикселя – синий и красный из разных строк. Взамен предлагается диагональное расположение элементов с использованием шести соседних зеленых элементов для построения одного элемента разрешения. Такая технология получила название ClearVid CMOS. Для обработки предполагается более мощный сигнальный процессор изображений. Различие структур расположения цветных элементов иллюстрируются рис. 6.

Считывание информации осуществляется быстродействующим параллельным аналого-цифровым преобразователем. При этом частота кадров прогрессивной развертки может достигать 180 и даже 240 кадр/с. При параллельном съеме информации устраняется диагональный сдвиг кадра, привычный для CMOS-камер с последовательным экспонированием и считыванием сигнала, так называемый эффект Rolling Shutter – когда полностью отсутствует характерный смаз быстро движущихся объектов.

На фото 2 приведены изображения вращающегося вентилятора, полученные CMOS-камерой с частотой кадров 45 и 180 кадр/с.

Полноценная конкуренция

В качестве примеров мы приводили технологии Sony. Естественно, CMOS-матрицы, как и CCD, производят и другие компании, хотя не в таких масштабах и не столь известные. В любом случае все так или иначе идут примерно одним путем и используют похожие технические решения.

В частности, известная технология матриц Panasonic Live-MOS также существенно улучшает характеристики CMOS-матриц и, естественно, похожими методами. В матрицах Panasonic уменьшено расстояние от фотодиода до микролинзы. Упрощена передача сигналов с поверхности фотодиода. Уменьшено количество управляющих сигналов с 3 (стандартные CMOS) до 2 (как в CCD), что увеличило фоточувствительную область пикселя. Применен малошумящий усилитель фотодиода. Используется более тонкая структура слоя датчиков. Сниженное напряжение питания уменьшает шум и нагрев матрицы.

Можно констатировать, что 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. Однако в традиционном CCTV телевизионных форматов CCD-матрицы остаются пока вне конкуренции.