CCD och cmos vilket är bättre. CCD- och CMOS-matriser

Lämna en kommentar 6,950

Jämförelse av matriser i videokameror och kameror (CMOS, CCD)

Nyligen, i vår artikel om att välja en videokamera för en familj, skrev vi om matriser. Där berörde vi den här frågan lätt, men idag ska vi försöka beskriva båda teknologierna mer i detalj.

Vad är matrisen i en videokamera? Detta är en mikrokrets som omvandlar en ljussignal till en elektrisk signal. Idag finns det 2 teknologier, det vill säga 2 typer av matriser - CCD (CCD) och CMOS (CMOS). De skiljer sig från varandra, var och en har sina egna för- och nackdelar. Det är omöjligt att säga säkert vilken som är bättre och vilken som är sämre. De utvecklas parallellt. Gå in med tekniska detaljer det gör vi inte, för... de kommer att vara banalt obegripliga, men i allmänna termer kommer vi att definiera deras huvudsakliga för- och nackdelar.

CMOS-teknik (CMOS)

CMOS-matriser Först och främst skryter de med låg strömförbrukning, vilket är ett plus. En videokamera med denna teknik kommer att fungera lite längre (beroende på batterikapaciteten). Men det här är mindre saker.

Den största skillnaden och fördelen är den slumpmässiga läsningen av celler (i CCD utförs läsning samtidigt), vilket eliminerar utsmetande av bilden. Har du någonsin sett "vertikala ljuspelare" från punktliknande ljusa föremål? Så CMOS-matriser utesluter möjligheten för deras utseende. Och kameror baserade på dem är billigare.

Det finns också nackdelar. Den första av dem är den lilla storleken på det ljuskänsliga elementet (i förhållande till pixelstorleken). Här är det mesta av pixelområdet upptaget av elektronik, därför minskas området för det ljuskänsliga elementet. Följaktligen minskar matrisens känslighet.

Därför att elektronisk behandling utförs på en pixel, då ökar mängden brus i bilden. Detta är också en nackdel, liksom den låga skanningstiden. På grund av detta uppstår en "rullande slutare"-effekt: när operatören rör sig kan objektet i ramen förvrängas.

CCD-teknik

Videokameror med CCD-matriser låter dig få bilder av hög kvalitet. Visuellt är det lätt att märka mindre brus i video som tagits med en CCD-baserad videokamera jämfört med video som tagits med en CMOS-kamera. Detta är den allra första och viktig fördel. Och en sak till: effektiviteten hos CCD-matriser är helt enkelt fantastisk: fyllnadsfaktorn närmar sig 100 %, förhållandet mellan registrerade fotoner är 95 %. Ta det vanliga mänskliga ögat - här är förhållandet cirka 1%.


Kamera CCD

Högt pris och hög energiförbrukning är nackdelarna med dessa matriser. Saken är den att inspelningsprocessen här är otroligt svår. Bildfångst utförs tack vare många ytterligare mekanismer som inte finns i CMOS-matriser, varför CCD-tekniken är betydligt dyrare.

CCD-matriser används i enheter som kräver färg och bilder av hög kvalitet, och som kan användas för att fotografera dynamiska scener. Dessa är mestadels professionella videokameror, även om det finns hushållskameror också. Det är även övervakningssystem, digitalkameror m.m.

CMOS-matriser används där det inte ställs särskilt höga krav på bildkvalitet: rörelsesensorer, billiga smartphones... Så var dock fallet tidigare. Moderna CMOS-matriser har olika modifieringar, vilket gör dem mycket högkvalitativa och värda ur synvinkeln att konkurrera med CCD-matriser.

Nu är det svårt att bedöma vilken teknik som är bättre, eftersom båda visar utmärkta resultat. Att ställa in typen av matris som det enda urvalskriteriet är därför åtminstone dumt. Det är viktigt att ta hänsyn till många egenskaper.

CCD-matris(eng. Charge-Coupled Device), eller CCD-matris ( ladda kopplade enheter), utvecklades i USA i slutet av 1960-talet som minne för datorer. Den började användas i början av 1970-talet. Funktionsprincipen för CCD-matrisen är baserad på rad-för-rad-rörelsen av laddningar ackumulerade i hålen som bildas av fotoner i de ovannämnda kiselatomerna. Under läsning elektrisk laddning Laddningar överförs från matrisen till kanten av matrisen och mot förstärkaren, som överför den förstärkta signalen till en analog-till-digital-omvandlare (ADC), och sedan kommer den konverterade signalen in i processorn.

Moderna digitalkameror använder två typer av matriser:

CMOS-kameramatris tar ledningen

CMOS-sensor(Engelsk) Kompletterande metalloxidhalvledare), eller CMOS-matris ( komplementära metalloxidhalvledare) fungerar på basis av aktiva punktsensorer. Till skillnad från en CCD-matris omvandlar denna matris laddning till spänning direkt vid pixeln. Tack vare ett sådant rationellt system ökas kamerans hastighet vid bearbetning av information från sensorn avsevärt och underlättar integrationen av CMOS-sensorn direkt med analog-till-digital-omvandlare eller till och med med en processor. Som ett resultat sparas ström (åtgärdskedjan är inte lika lång som i kameror med CCD-matris) och kostnaden för enheten minskas genom att förenkla dess design.

Tidigare CCD-matriser var känsligare och kapabla att producera mer högkvalitativa bilder, hur CMOS-sensorer. Nuförtiden, med utvecklingen av teknik, i synnerhet med förbättringen av kvaliteten på kiselskivor och förbättringen av förstärkarkretsar, är bildkvaliteten som erhålls på digitalkameror med en CMOS-matris praktiskt taget inte sämre än kvaliteten på bilden erhållna på digitalkameror med en CCD-matris. Detta faktum bevisas åtminstone av det faktum att Canon började producera några professionella DSLR-kameror (D-30, D-60, D-10, etc.) med hjälp av en CMOS-matris.

För kiselmatriser digital kameror det finns ytterligare en nyans: ljusstrålarna som passerar genom linsen träffar sensorn i rät vinkel endast i mitten av ramen, resten faller snett. Om detta inte spelar någon roll för filmen är matrisstrålarna som infaller på den i en sned vinkel kritiska och oönskade. Därför går vissa tillverkare till och med så långt att de installerar en mikrolins ovanför varje pixel, som fokuserar ljuset i rätt vinkel och med rätt styrka.

Och här är en bild som ger en uppfattning om hur matriser i olika storlekar ser ut mot bakgrunden av 35 mm film, eller en fullstor matris.

Kameror delas som bekant in i två stora kategorier – analoga och digitala – utifrån den ljuskänsliga ytan som fångar bilden. I en analog kamera var denna yta fotografisk film - en enkel sak med en viss ljuskänslighet, ett visst antal bilder disponibel, varifrån man efter kemisk behandling kunde få ett bildavtryck på papper.

I digitalkameror tas denna grundläggande roll på sig av matrisen. Matris— En anordning vars huvudsakliga funktion är att digitalisera vissa parametrar för ljus som faller på dess yta. Denna process visas i detalj och tydligt i en utmärkt video från Discovery i vår artikel "", om du inte har sett den ännu, se till att göra det!

Det finns två huvudsakliga, mest populära och samtidigt konkurrerande matristeknologier - dessa är CCD Och CMOS. Låt oss ta reda på vad idag skillnad mellan CCD Och CMOS matriser?

Vi kommer att försöka förstå deras skillnader utan att dyka in i detaljerna i fysiken, bara för att få en uppfattning inte bara om hur kameran fungerar, utan också om vilken matris som för närvarande finns på din kamera. Jag tror att detta räcker för en nybörjarfotograf, men den som är intresserad av detaljer kan fördjupa sig vidare på egen hand.

CCD-matris, källa: Wikipedia

Så, CCD- Det här laddningskopplad enhet (CCD - enhet med återkopplingsladdning). Denna typ av matris ansågs från början vara av högre kvalitet, men också dyrare och mer energikrävande. Om du föreställer dig den grundläggande principen för driften av en CCD-matris i ett nötskal, samlar de hela bilden i en analog version och digitaliserar den först då.

Till skillnad från CCD-matriser, CMOS-matris (komplementär metall-oxid-halvledare, komplementär logik på metall-oxid-halvledare transistorer, CMOS), digitalisera varje pixel på plats. CMOS-matriser var från början mindre energikrävande och billigare, särskilt vid produktion av stora matriser, men var sämre än CCD-matriser i kvalitet.

CMOS-sensor, källa: Wikipedia

CCD-matriser har högre bildkvalitet och är fortfarande populära inom medicin, industri och vetenskap, där bildkvaliteten är avgörande. Bakom Nyligen CCD-matriser minskade energiförbrukningen och kostnaden, och CMOS-matriserna förbättrade bildkvaliteten avsevärt, särskilt efter en teknisk revolution inom produktionen av CMOS-sensorer, då Active Pixel Sensors (APS)-teknik lade till en transistorförstärkare till varje pixel för avläsning, vilket gjorde det möjligt för att omvandla laddning till spänning precis i pixeln. Detta gav ett genombrott för CMOS-tekniken 2008 hade det praktiskt taget blivit ett alternativ till CCD-matriser. Dessutom gjorde CMOS-tekniken det möjligt att spela in video och introducera denna funktion moderna kameror, och de flesta moderna digitalkameror är utrustade med CMOS-matriser.

I de flesta moderna digitala enheter för foto och videoinspelning Två typer av matriser används - CCD och CMOS.

CCD - laddningskopplad enhet (eller CCD - enhet med återkopplingsladdning).

CMOS - komplementär metall-oxid-halvledare (eller - komplementär logik på metall-oxid-halvledartransistorer, CMOS).

I en digitalkamera eller videokamera är matrisen analog med fotografisk och videofilm. Men till skillnad från filmer är matrisen inte för engångsbruk, är inte belagd med en speciell emulsion som reagerar kemiskt med ljus och behåller inte den färdiga ramen.

Matrix är högteknologisk elektronisk anordning, vars huvudsakliga funktion är att digitalisera ljuset som faller på dess yta genom linsen. Varefter detta digitaliserade ljus omvandlas till ett av de populäraste digitala format och lagras på en hårddisk eller annan enhet avsedd för detta ändamål.

Matriser gjorda med CCD (eller CCD)-teknik skiljer sig från matriser gjorda med CMOS- (eller CMOS)-teknik i flera nyckelparametrar. Först och främst är detta färgåtergivning. Man tror att det är bättre på CCD-matriser. Det är dock allmänt accepterat att CCD-sensorer är mycket bullrigare än sina CMOS-motsvarigheter, även vid medelstora ISO-värden. Därför är de flesta moderna digitalkameror utrustade med CMOS-matriser. Dessutom är CCD-matriser dyrare att producera och förbrukar också mycket mer ström än CMOS.
Den största skillnaden mellan teknologierna är principen för ytrespons på en signal. Med andra ord bearbetar CCD-matrisen allt ljus som träffar den helt. Och CMOS-matrisen är gjord i delar - varje pixel separat. Tack vare innovativ teknik Active Pixel Sensors (APS), vid användning transistorförstärkare ansluten till varje pixel har färgåtergivningskvaliteten för CMOS-matriser kommit mycket nära nivån för CCD-matriser.

Tre-matris videokamera />

För videoinspelning är det att föredra att välja utrustning baserad på CCD-matriser. Den här typen av matris är mycket bättre på att fånga rörliga bilder, vilket tekniskt långsammare CMOS-matriser inte kan hänga med. Vissa, inklusive de för amatörfotografering, är utrustade med tre CCD-matriser samtidigt - som var och en är konfigurerad att fixa separat färg från RGB-modellen. Sådana videokameror har förbättrad färgåtergivning och ökad kvalitet video. Mest professionella digitala videokameror utrustad med exakt tre CCD-matriser.

Tvärtom är kameror som använder CMOS-matriser bättre lämpade för fotografering.

© bukentagen

Välj betyg Dålig Normal Bra Bra Utmärkt

Matrisen är det huvudsakliga strukturella elementet i kameran och en av nyckelparametrarna som tas i beaktande av användaren när han väljer en kamera. Moderna digitalkamerors matriser kan klassificeras efter flera tecken, men den främsta och vanligaste är ändå att dela upp matriserna enl. laddningsavläsningsmetod, på: matriser CCD typ och CMOS matriser. I den här artikeln kommer vi att titta på funktionsprinciperna, såväl som fördelarna och nackdelarna med dessa två typer av matriser, eftersom de är de som används allmänt i modern foto- och videoutrustning.

CCD-matris

Matris CCDäven kallad CCD-matris(Enheter med Laddningskoppling). CCD Matrisen är en rektangulär platta av fotokänsliga element (fotodioder) placerad på en halvledarkiselkristall. Principen för dess funktion är baserad på linje-för-linje-rörelsen av laddningar som har samlats i hålen som bildats av fotoner i kiselatomer. Det vill säga när man kolliderar med en fotodiod absorberas en foton av ljus och en elektron frigörs (en inre fotoelektrisk effekt uppstår). Som ett resultat bildas en laddning som på något sätt måste lagras för vidare bearbetning. För detta ändamål är en halvledare inbyggd i matrisens kiselsubstrat, ovanför vilken en transparent elektrod gjord av polykristallint kisel är placerad. Och som ett resultat av att applicera en elektrisk potential på denna elektrod bildas en så kallad potentialbrunn i utarmningszonen under halvledaren, i vilken laddningen som tas emot från fotoner lagras. Vid avläsning av elektrisk laddning från matrisen överförs laddningar (lagrade i potentiella brunnar) längs överföringselektroderna till kanten av matrisen (seriellt skiftregister) och mot förstärkaren, som förstärker signalen och överför den till en analog-till- digital omvandlare (ADC), varifrån den konverterade signalen skickas till en processor som bearbetar signalen och sparar den resulterande bilden på ett minneskort .

Polykiselfotodioder används för att producera CCD-matriser. Sådana matriser är små i storlek och gör att du kan få ganska högkvalitativa fotografier när du fotograferar i normal belysning.

Fördelar med CCD:

  1. Matrisdesignen ger hög densitet placering av fotoceller (pixlar) på substratet;
  2. Hög effektivitet(förhållandet mellan registrerade fotoner och deras Totala numretär ca 95%);
  3. Hög känslighet;
  4. Bra färgåtergivning(med tillräcklig belysning).

Nackdelar med CCD:er:

  1. Hög brusnivå vid hög ISO (vid låg ISO är brusnivån måttlig);
  2. Låg hastighet arbete i jämförelse med CMOS-matriser;
  3. Hög energiförbrukning;
  4. Mer komplex teknik läsa av signalen, eftersom många kontrollchips behövs;
  5. Produktionen är dyrare än CMOS-matriser.

CMOS-matris

Matris CMOS, eller CMOS-matris(Complementary Metal Oxide Semiconductors) använder aktiva punktsensorer. Till skillnad från CCD:er innehåller CMOS-sensorer en separat transistor i varje ljuskänsligt element (pixel), vilket gör att laddningsomvandlingen utförs direkt i pixeln. Den resulterande laddningen kan avläsas från varje pixel individuellt, vilket eliminerar behovet av laddningsöverföring (som sker med CCD). Pixlarna i CMOS-sensorn är integrerade direkt med analog-till-digital-omvandlaren eller till och med processorn. Som ett resultat av användningen av sådan rationell teknik uppstår energibesparingar på grund av en minskning av handlingskedjor jämfört med CCD-matriser, såväl som en minskning av kostnaden för enheten på grund av en enklare design.


Kort princip CMOS-sensorfunktion: 1) Före fotografering appliceras en återställningssignal på återställningstransistorn. 2) Under exponeringen tränger ljus in genom linsen och filtret till fotodioden och som ett resultat av fotosyntesen samlas en laddning i potentialbrunnen. 3) Värdet på den mottagna spänningen läses. 4) Databehandling och bildsparande.

Fördelar med CMOS-sensorer:

  1. Låg strömförbrukning (särskilt i standbylägen);
  2. Hög prestanda;
  3. Kräver mindre produktionskostnader på grund av likheten mellan tekniken och produktionen av mikrokretsar;
  4. Teknikens enhet med andra digitala element, som låter dig kombinera analoga, digitala och bearbetande delar på ett chip (dvs. förutom att fånga ljus i en pixel kan du konvertera, bearbeta och rensa signalen från brus).
  5. Möjlighet till slumpmässig åtkomst till varje pixel eller grupp av pixlar, vilket gör att du kan minska storleken på den tagna bilden och öka avläsningshastigheten.

Nackdelar med CMOS-matriser:

  1. Fotodioden upptar en liten pixelarea, vilket resulterar i låg ljuskänslighet hos matrisen, men i moderna CMOS-matriser har denna nackdel praktiskt taget eliminerats;
  2. Närvaron av termiskt brus från värmetransistorer inuti pixeln under läsningsprocessen.
  3. Relativt stora storlekar, fotoutrustning med denna typ av matris kännetecknas av stor vikt och storlek.

Utöver ovanstående typer finns det också trelagersmatriser, vars varje lager är en CCD. Skillnaden är att cellerna samtidigt kan uppfatta tre färger, som bildas av dikroiska prismor när en ljusstråle träffar dem. Varje stråle riktas sedan mot en separat matris. Som ett resultat bestäms ljusstyrkan för blå, röda och gröna färger omedelbart på fotocellen. Treskiktsmatriser används i videokameror hög nivå, som har en speciell beteckning - 3CCD.

För att sammanfatta skulle jag vilja notera att med utvecklingen av teknologier för produktion av CCD- och CMOS-matriser förändras också deras egenskaper, så det är allt svårare att säga vilken av matriserna som definitivt är bättre, men samtidigt, CMOS matriser har nyligen blivit allt populärare vid tillverkning av SLR-kameror. Baserad karaktäristiska egenskaper olika typer matriser kan du få en tydlig uppfattning om varför professionell fotoutrustning som ger hög kvalitet filmande, ganska skrymmande och tungt. Denna information bör definitivt komma ihåg när du väljer en kamera - det vill säga ta hänsyn till matrisens fysiska dimensioner och inte antalet pixlar.



© Copyright 2024, https://qzoreteam.ru