Разница между матрицами CCD и CMOS

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. Это также системы наблюдения, цифровые фотоаппараты и т.д.

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

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

Важно учитывать многие характеристики

У каждой из технологий есть и свои особенности

— CCD сенсоры имеют лучшую светочувствительность и меньше подвержены «цифровому шуму» (дефект изображения, при котором видны пиксели случайного цвета и яркости) так как размер пикселя, как правило, больше, потому что в камерах, использующих CMOS сенсоры, сложная электронная схема уменьшает размер пикселя. Как результат — некоторое количество света попадает не на светочувствительные фотодиоды. Именно поэтому при съемке с малым количеством света рекомендованы камеры, использующие CCD сенсоры.

Но тут, следует отметить, что еще в 2009 году, компания Sony презентовала технологию т.н. «обратной подсветки». Вследствие этого, CMOS сенсоры стали гораздо более эффективны при съемке со слабым освещением и/или малоконтрастных объектов. И на текущий момент данный недостаток CMOS сенсоров был практически нивелирован. 

— CCD сенсоры требуют более сложной электронной схемы сопровождения и, как следствие, это выходит в более высокую стоимость готового изделия с их использованием. 

— Энергопотребление CCD сенсоров по некоторым расчётам превышает таковое у CMOS сенсоров вплоть до 100 раз! (именно благодаря низкому энергопотреблению и более компактному размеру CMOS сенсоров они стали основными на потребительском рынке. Например, все камеры в современных мобильных телефонах и планшетах используют CMOS сенсоры). А более высокое энергопотребление может привести к проблемам тепловыделения, которое не только негативно влияет на изображение, но так же может еще больше увеличить стоимость готового изделия (из-за применения специализированного охлаждения). 

— В сенсорах CMOS благодаря технологии индивидуального «чтения» каждого пикселя возможна работа т.н. «окна», которое позволяет выделить определённую часть сенсора (изображения) для считывания вместо всей области сенсора сразу. Это позволяет достичь высокой скорости съемки в выделенной области (по сравнению с CCD). 

 
— В разных типах сенсоров используются различные экспозиционные принципы: CCD используют Global shutter, а в CMOS — Rolling Shutter технологий (более подробно, мы рассмотрим эту тему в отдельной статье).

Следовательно, беря во внимание все вышесказанное, если Вам:

Необходима высокая скорость съемки — Вам необходимы камеры с CMOS сенсорами.   

Необходима высокая светочувствительность — Вам необходимы камеры с CCD сенсорами (либо CMOS с технологией «обратной подсветки»).

Необходимо малое количество «цифрового шума» — Вам необходимы камеры с CCD сенсорами.

Необходимо чуть более дешёвое решение — Вам необходимы камеры с CMOS сенсорами.

Подводя итог, следует отметить тот факт, что в любом случае выбор камеры должен зависеть именно от сферы применения, а не только исходя из технических характеристик.   

Наши специалисты помогут подобрать камеру именно под Ваши нужды!

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» пиксела, препятствующая продвижению фотонов на светочуствительный элемент, была перемещена из верхнего в нижний слой матрицы, что позволило увеличить как физический размер пиксела при тех же геометрических размерах матрицы, так и доступность элементов свету, что, соответственно, увеличило светочувствительность каждого пиксела и матрицы в целом. Матрицы КМОП впервые сравнились с ПЗС-матрицами по светочувствительности, но оказались более энергосберегающими и лишенными 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 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.

Соотношение сторон кадра

Формат	Разрешение (в пикселях)	Соотношение сторон	Развёртка
1MP/720P	1280×720	16:9	Прогрессивная
SXGA/960P	1280×960	4:3	Прогрессивная
1.3MP	1280×1024	5:4	Прогрессивная
2MP/1080P	1920×1080	16:9	Прогрессивная
2.3MP	1920×1200	16:10	Прогрессивная
3MP	2048×1536	4:3	Прогрессивная
4MP	2592×1520	16:9	Прогрессивная
5MP	2560×1960	4:3	Прогрессивная
6MP	3072×2048	3:2	Прогрессивная
4K Ultra HD	3840×2160	16:9	Прогрессивная
8K Ultra HD	7680×4320	16:9	Прогрессивная

Соотношение сторон кадра для разных разрешений матрицы

Соотношение сторон кадра напрямую зависит от соотношения сторон матрицы. Наиболее распространенные — 16:9 и 4:3. Современные мониторы, как правило, сами — формата 16:9, поэтому формат 4:3 — не самый удачный, кроме того, как правило область интереса находится в центре кадра, а не сверху и снизу. Поэтому формат 16:9 — наиболее распространен.

«Коридорный» формат

Это всего-лишь «повернутое» на 90° изображение (9:16; 3:4 и т.п.). Коридорный формат удобен для ряда локаций — просмотра длинных коридоров, периметра промышленного предприятия (забора) и др. Для применения такого формата камера должна иметь возможность поворота объектива на 90° либо установки всей камеры «на боку». Процессор камеры должен уметь формировать поток, повернутый на 90° в обратную сторону.

Пример раскладки камер «коридорного» формата

Финальные слова

Надеюсь, что после прочтения вам стало немножечко понятнее, что такое матрица и с чем её едят. Тема достойная написания книги, но на данный момент это не в моих силах. Я лишь постарался затронуть только основные моменты, азы, которые касаются матрицы фотоаппарата. Без них невозможно представить, а ещё труднее понять, что происходит у вас в фотоаппарате и каким образом у вас получается то, что у вас получается.

На этом я, пожалуй, закончу. Если я что-то упустил, то обязательно дополню, если рассказал не очень понятно – постараюсь объяснить яснее в новой редакции, а если в чём, то оказался не прав, то – да и бог бы с ним!

Спасибо, что дочитали до этого места!

Берегите себя! Удачи на съёмках и до новых встреч!

Like me!

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 – 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.

В современных видеокамерах активно используют 2 типа матриц: CMOS и CCD. Матрица CMOS (КМОП)
построена на базе CMOS-технологии, которая и дала название этому продукту (complementary metal-oxide-semiconductor, комплементарная структура металл-оксид-полупроводник). Если в камерах среднего ценового сегмента оба варианта применяются примерно в равной пропорции, то в бюджетных видеосистемах чаще встречается именно КМОП.

Принцип работы технологии следующий:

• Подается сигнал сброса;
• Диоды накапливают заряд во время экспозиции;
• Происходит считывание параметров.

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 имеющих изолированный затвор с каналами различной проводимости.

Происхождение слов матрицы и сенсора

В русском языке для обозначения фоточувствительного материала цифрового фотоаппарата используется слово матрица.

Матрица фотоаппарата – прямоугольная область, разделённая на строки и столбцы, в которых располагаются однотипные элементы. Элементом в матрице фотоаппарата называется группа электронных компонентов, которые регистрируют свет и преобразуют его в цифровые данные. 

В английском языке используется слово сенсор, которое происходит от слова sense – чувство, ощущение. Добавляя суффикс “or” слово превращается из действия в деятеля. Sensor – некий объект, который обнаруживает, измеряет или каким-либо образом реагирует на физические свойства других объектов.

Слова сенсор или матрица означают одно и тоже, пользуйтесь каким хотите.

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.

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, 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 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 .
• Дешевизна производства в сравнении с ПЗС-матрицами, особенно при больших размерах матриц.

Устройство фотоаппарата. Разница между матрицами CCD и CMOS

Как все знают, фотоаппараты разделяют на две большие категории – аналоговые и цифровые – по признаку светочувствительной поверхности, которая запечатлевает изображение. В аналоговом фотоаппарате этой поверхностью служила фотопленка – нехитрая штука с конкретной светочувствительностью, конкретным количеством кадров единоразового применения, с которых после обработки химическим путем можно было получить отпечаток изображения на бумажном листе.

В цифровых же фотоаппаратах эту основополагающую роль на себя берет матрица. Матрица – прибор главной функцией которого считается оцифровка конкретных параметров света попавшего на поверхность его.

Существует две основные, самые распространенные и одновременно конкурирующие технологии матриц – это CCD и CMOS . Давайте же сегодня попытаемся разобраться с тем, в чем же разница между CCD и CMOS матрицами?
Мы попробуем разобраться в их отличие без погружения в детали физики, просто, чтобы иметь представление не только о том, как устроен фотоаппарат, но и о том, какая теперь на вашей камере матрица.

Думаю начинающему фотографу данного вполне хватит, а кому интересны детали, тот сможет покопаться дальше и своими силами.
Итак, CCD — это charge-coupled device (ПЗС — прибор с обратной зарядной связью).

Данный тип матриц с самого начала считался более качественным, впрочем и достаточно не дешевым и энергозатратным. Если представить основной рабочий принцип матрицы CCD кратко, то они собрают всю картину в аналоговой версии, и лишь потом оцифровывают.

В отличии от CCD матриц, CMOS матрицы (complementary metal-oxide-semiconductor, комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник, КМОП) , оцифровывают каждый пиксель на месте.

CMOS матрицы были с самого начала менее энергопотребляющие и недорогими, тем более в производстве внушительных размеров матриц, впрочем уступали CCD матрицам по качествам.

CCD матрицы выделяются более хорошим качеством изображения и все еще остались популярными в сферах медицины, промышленности, науки, там где качество изображения считается критически важным. За прошедшее время CCD матрицы снизили энергозатратность и стоимость, а CMOS матрицы существенно улучшили качество изображения, тем более после технологического переворота в производстве CMOS -сенсоров, когда по технологии Active Pixel Sensors (APS) к каждому пикселю был добавлен транзисторный усилитель для считывания, что дало возможность преобразовывать заряд в напряжение прямо в пикселе.

Это и обеспечило прорыв CMOS технологии, к 2008 году она стала фактически альтернативой CCD матрицам. Кроме того, технология CMOS дали возможность снимать видео и ввести подобную функцию в современные фотоаппараты, и в своем большинстве соврерменные цифровые фотоаппараты оборудованы собственно CMOS матрицами.

Устройство фотоаппарата Leica M6 включает составляющую матрицу CCD.

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

Выводы сайт

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

Матрица
CCD
(англ. Charge-Coupled Device
), или ПЗС-матрица

(приборы с зарядовой связью
), была разработана
в США еще в конце 1960-х годов в качестве памяти для компьютеров. Использоваться
она стала в начале 1970-х годов. Принцип действия матрицы CCD основан на построчном
перемещении зарядов, накопленных в образованных фотонами прорехах в вышеупомянутых
атомах кремния. Во время считывания электрического заряда с матрицы осуществляется
перенос зарядов к краю матрицы и в сторону усилителя, который передает усиленный
сигнал в аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), а затем – преобразованный
сигнал поступает в процессор.

В современных цифровых фотоаппаратах используются матрицы двух типов: