Матрица является главным структурным элементом фотоаппарата и одним из ключевых параметров, принимаемых во внимание пользователем при выборе фотокамеры. Матрицы современных цифровых фотоаппаратов можно классифицировать по нескольким прознакам, но основным и наиболее распространенным всеже является деление матриц по методу считывания заряда , на: матрицы CCD типа и CMOS матрицы. В данной статье мы рассмотрим принципы работы, а также достоинства и недостатки этих двух типов матриц, так как именно они повсеместно используются в современных фото- и видеотехнике.

CCD матрица

Матрицу CCD называют еще ПЗС-матрицей (Приборы с Зарядовой Связью). ПЗС матрица представляет собой прямоугольную пластину светочувствительных элементов (фотодиодов), расположенных на полупроводниковом кристалле кремния. В основе принципа ее действия лежит построчное перемещение зарядов, которые накопились в прорехах, образованных фотонами в атомах кремния. То есть, при столкновении с фотодиодом, фотон света поглощается и при этом выделяется электрон (происходит внутренний фотоэффект). В результате образуется заряд, который нужно как-то сохранить для дальнейшей обработки. Для этой цели в кремниевой подложке матрицы встроен полупроводник, над которым располагается прозрачный электрод из поликристаллического кремния. И в результате подачи на данный электрод электрического потенциала в обеднённой зоне под полупроводником образуется так называемая потенциальная яма, в которой и хранится полученный от фотонов зарад. При считывании с матрицы электрического заряда осуществляется перенос зарядов (хранящихся в потенциальных ямах) по электродам переноса к краю матрицы (последовательный регистр сдвига) и в сторону усилителя, который усиливает сигнал и передает его в аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), откуда преобразованный сигнал направляется в процессор, который обрабатывает сигнал и сохраняет полученное изображение на карту памяти.

Для изготовления ПЗС-матриц используются поликремневые фотодиоды. Такие матрицы отличаются небольшими размерами и позволяют получать достаточно качественные фотографии при съемке с нормальным освещением.

Преимущества ПЗС-матриц :

1. Кконструкция матрицы обеспечивает высокую плотность размещения фотоэлементов (пикселей) на подложке;
2. Высокая эффективность (отношение зарегистрированных фотонов к их общему числу, составляет около 95%);
3. Высокая чувствительность;
4. Хорошая цветопередача (при достаточном освещении).

Недостатки ПЗС-матриц:

1. Высокий уровень шума на высоких ISO (на низких ISO, уровень шума умеренный);
2. Низкая скорость работы в сравнении с CMOS-матрицами;
3. Высокое энергопотребление;
4. Более сложная технология считывания сигнала, так как необходимо много управляющих микросхем;
5. Производство обходится дороже чем CMOS-матриц.

CMOS матрица

Матрица CMOS , или КМОП-матрица (Комплементарные Металл-Оксидные Полупроводники) использует активные точечные сенсоры. В отличие от ПЗС-матриц, КМОП-матрица содержат отдельный транзистор в каждом светочувствительном элементе (пикселе) в результате чего преобразование заряда выполняется непосредственно в пикселе. Полученный заряд может быть считан из каждого пикселя индивидуально, поэтому отпадает необходимость переноса заряда (как это происходит в ПЗС-матрицах). Пиксели КМОП-матрицы интегрируется непосредственно с аналогово-цифровым преобразователем или даже с процессором. В результате применения такой рациональной технологии происходит экономия энергии за счет сокращения цепочек действий по сравнению с матрицами CCD, а также удешевление устройства за счет более простой конструкции.

Краткий принцип работы КМОП-матрицы: 1) Перед съемкой на транзистор сброса подается сигнал сброса. 2) Во время экспозиции свет проникает через линзу и фильтр на фотодиод и в результате фотосинтеза в потенциальной яме накапливается заряд. 3) Считывается значение полученного напряжения. 4) Обработка данных и сохранение изображения.

Преимущества КМОП-матриц :

1. Низкое энергопотребление (особенно в ждущих режимах);
2. Высокое быстродействие;
3. Требует меньше затрат при производстве, благодаря схожести технологии с производством микросхем;
4. Единство технологии с другими цифровыми элементами, что позволяет объединить на одном кристале аналоговую, цифровую и обрабатывающую части (т.е. кроме захвата света в пикселе можно преобразовать, обработать и очистить сигнал от шума).
5. Возможность произвольного доступа к каждому пикселю или группе пикселей, что позволяет уменьшить размер захваченного изображения и увеличить скорость считывания.

Недостатки КМОП-матриц:

1. Фотодиод занимает малую площать пикселя, в результате получается низкая светочувствительность матрицы, но в современных КМОП-матрицах этот минус практически устранен;
2. Наличие теплового шума от нагревающихся транзисторов внутри пикселя в процессе считывания.
3. Относительно большие размеры, фтооборудование с таким типом матриц отличается большим весом и размерами.

Кроме вышеупомянутых типов, существуют еще трехслойные матрицы, каждый слой которых представляет собой CCD. Отличие состоит в том, что ячейки могут одновременно воспринимать три цвета, которые образуются дихроидными призмами при попадании на них пучка света. Затем каждый пучок направляется на отдельную матрицу. В результате яркость синего, красного и зеленого цветов определяется на фотоэлементе сразу. Трехслойные матрицы применяют в видеокамерах высокого уровня, которые имеют специальное обозначение - 3CCD .

Подводя итоги хотелось бы отметить, что с развитием технологий производства CCD и CMOS матриц, меняются и их характеристики, поэтому все сложнее сказать какая из матриц однозначно лучше, но при этом в последнее время в производстве зеркальных фотокамер все большей популярностью пользуются КМОП-матрицы. На основе характерных особенностей различных видов матриц, можно составить четкое представление, почему профессиональная фототехника, обеспечивающая высокое качество съемок, довольно громоздкая и тяжелая. Эту информацию обязательно следует помнить при выборе фотоаппарата - то есть, учитывать физические размеры матрицы, а не количество пикселей.

В последние годыCCD (charge-coupled device, ПЗС — прибор с обратной зарядной связью ) иCMOS (complementary metal-oxide-semiconductor, КМОП комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник ) матрицы находятся в состоянии соперничества друг с другом, но до сих пор битва продолжается а победитель пока не определен.

Постоянно проводятся тесты и различные эксперименты, в ходе которых становятся понятны сильние и слабые стороны этих технологий. В предыдущей статьеЧто такое матрица фотоаппарата? мы рассказали о обеих технологиях, но давайте в этом посте посмотрим на матриц, с научной стороны.

Преимущества и недостатки CMOS матриц

Основная причина, по которой фото-камеры начали выпускать с CMOS матрицами — это дешевая стоимость в производстве, низкое энергопотребление (почти в 100 раз) и высокое быстродействие.

CMOS матрицы имеют возможность произвольного считывания ячеек а в CCD матрице считывание происходит со всех ячеек за один раз.

Благодаря этому способу считывания, у КМОП матриц отсутствует так называемый эффект «смиринга» (от англ. smearing – размазывание), который есть у CCD матриц и проявляется в кадре как вертикальные «столбы света» от точечных ярких объектов, как от солнца, ярких лампочек.

Не смотря на плюсы, у КМОП технологии есть и свои недостатки. Малый размер светочувствительного элемента по сравнению площади пикселя. Большая часть площади занимает электроника, встроенной в пиксель. А малая площадь светочувствительного элемента отражается на малой чувствительностьи, предусиление сигнала, приводит к увеличению шумов на картинке.

Но технология совершенствуется, и с временем КМОП может успешно конкурировать с ПЗС.

У этой технологии ещё и есть так называемый эффект«rolling shutter» (бегущий затвор) . Связан этот эффект, с считыванием сигнала в CMOS матрицах,а здесь кадр считывается строка за строкой.

Rolling shutter эффект наблюдается в основном при съёмках быстро движущихся объектов или когда с автомобиля снимаете улицу, то можно увидеть что вертикальные объекты кривые.

Это происходит потому, что сначала считываются верхние строки матрицы, а в потом – нижние, но за это время, вы уже проедете заметное расстояние и в результате этого дерево на полученном видео будет уже не прямое, а наклонное.

Преимущества и недостатки CCD матриц

CCD сенсоры используются на протяжении многих лет, поэтому ПЗС-технология совершенствовался со временем и по прежнему имеют ряд преимуществ перед CMOS матрицами. CCD матицы имеют более совершенный электронный затвор, который очень важен для фиксации быстрых перемещений (движений).
Также отличается низким уровнем шума, имеет хорошую чувствительность в ближнем ИК-диапазоне, при низкой освещенности снимает очень хорошо.

У ПЗС сенсоров отсутствует вибрация и rolling shutter эффект, привычный для КМОП. Для примера посмотрите видео с сравнением ПЗС и КМОП сенсоров.

Камеры с CCD сенсорами сегодня практически не производятся, но в скором будущем будет другая баталия — CMOS vs Foveon.

На данный момент CMOS технология ни чем не уступает CCD, и с каждым днём развивается, и очень сложно отличить изображение одной матрицы от другого, хотя найдется много людей, которые будут упорно пиарить CMOS, и наоборот.

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.

CCD матрица, источник: Википедия

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.

CMOS матрица, источник: Википедия

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.

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.

Для преобразования светового потока в электронный сигнал, который затем переводится в цифровой код, записываемый на карту памяти фотоаппарата.
Матрица состоит из пикселей, назначение каждого - выдать на выходе электронный сигнал, соответствующий количеству света, попадаемого на него.
Различие в матрицах ПЗС и КМОП - в методике преобразования полученного от пикселя сигнала. В случае ПЗС - последовательно и с минимумом шумов, в случае КМОП - быстро и с меньшим энергопотреблением (а благодаря дополнительным схемам количество шумов существенно уменьшается).
Впрочем, обо всём по порядку...

Различают матрицы ПЗС и КМОП

ПЗС - матрица

Прибор с зарядовой связью (ПЗС, по англ. - CCD) назван так из-за способа передачи заряда между светочувствительными элементами - от пикселя к пикселю и, в конечном итоге, выводе заряда из сенсора .

Заряды сдвигаются по матрице строчками сверху вниз. Таким образом, заряд передвигается вниз по строчкам сразу множества регистров (столбцов).
Перед тем, как покинуть ПЗС - сенсор, заряд каждого пикселя усиливается, и на выходе получается аналоговый сигнал с различным напряжением (в зависимости от количества света, попавшего на пиксель). Перед обработкой этот сигнал пересылается на отдельный (вне чипа) аналого-цифровой преобразователь, и получившиеся цифровые данные преобразуются в байты, представляющие строчку изображения, полученного сенсором.

Так как ПЗС передаёт электрический заряд, который обладает низким сопротивлением и меньше подвержен помехам других электронных компонентов, результирующий сигнал, как правило, содержит меньше различных шумов по сравнению с сигналом КМОП- сенсоров.

КМОП - матрица

В КМОП - матрице (КМОП -комплементарный металл - оксидный полупроводник, по англ. - CMOS), обрабатывающее устройство находится рядом с каждым пикселем (порой монтируется на саму матрицу), благодаря чему увеличивается быстродействие системы. Также, в связи с отсутствием дополнительных устройств обработки, отметим низкий уровень энергопотребления КМОП - матриц.

Некоторое представление о процессе считывания информации с матриц можно получить из следующего ролика

Технологии постоянно усовершенствуются, и на сегодняшний день наличие в фотоаппарате либо видеокамере именно КМОП-матрицы говорит о более высоком классе модели. Производители часто акцентируют внимание на моделях с КМОП - матрицами.
В последнее время популярна разработка КМОП-матрицы с тыловым размещением проводников, показывающая лучшие результаты при съёмке в условиях низкого освещения, а также имеющая меньший уровень шумов.